ادیتیوهای ترکننده سابستریت

افرودنی وتینگ ایجنت

با اعمال پوشش روی سطوح انتظار می رود که با تر شدن سریع و یکنواخت سطح و بهبود خواص بصری رنگ و چسبندگی ماده به سابستریت، حفاظت از سطح و زیبایی آن افزایش یابد.

کشش سطح و تر کنندگی سابستریت

فاکتور مهم در ترکنندگی سطح، مقادیر کشش سطحی رنگ و سابستریت می باشد که باید کشش سطحی پوشش برابر یا کمتر از کشش سطحی سابستریت باشد در غیر این صورت ترکنندگی ضعیف خواهد شد و عیوب مختلفی در سطح رنگ ایجاد می شود.

دلایل اصلی ترکنندگی ناقص سطح بسیار زیاد است و علاوه بر آن فاکتورهای مختلفی نیز روی آن اثر می گذارد مثلا ً با افزایش ضخامت فیلم تر، مشکلات ترکنندگی سطح کاهش می یابد عامل بعدی ویسکوزیته/رئولوژی رنگ است که رنگها با ویسکوزیته کمتر و رفتار نیوتنی بیشتر به محض اعمال، مشکلات سطح را نشان می دهند در حالیکه رنگهای ویسکوز اینگونه نیستند.

عامل بعد قطبیت، ساختار سطح (تخلخل و زبری) و یکنواختی کشش سطح است که وجود آلودگی در سابستریت باعث از بین رفتن یکنواختی کشش و در نتیجه ایجاد حفره می شود حتی در سابستریت های خنثی نیز چون چوب، کشش سطحی در همه جا یکنواخت نیست. زمان فاکتور دیگری است که بعد از اعمال رنگ تأثیر خود را نشان می دهد ممکن است رنگ در ابتدا کشش سطحی کمتری از سابستریت داشته باشد و سابستریت سریعا ً تر شد اما بعد از خشک شدن و با تبخیر حلال و واکنش کراس لینک این امر می تواند معکوس شده و عیوب سطحی ایجاد شود. اگر در فرایند، کشش سطحی مایع از کشش سطحی سابستریت بیشتر شود و ماده همچنان ویسکوزیته پایینی داشته باشد عملیات دوتینگ (تر زدایی) اتفاق می افتد.

تأثیر کشش سطحی پوشش

عامل تعیین کننده کشش سطحی پوشش، نوع حلال و رزین است وپیگمنت هیچ نقشی در آن ندارداما در عمل مواد اولیه بر اساس خواص آنها مثلا ً رزین برای کراس لینک، مقاومت شیمیایی و مکانیکی و حلال برای حل کردن آن، رفتار تبخیر، نقطه اشتعال پوشش و امروزه از نظر اکولوژیکی انتخاب می شود. بنابراین روش معقول برای کنترل کشش سطحی استفاده از ادیتیوهای مناسب است. همانطور که قبلا ً گفته شد با کاهش کشش سطحی پوشش، سابستریت براحتی تر می شود که ادیتیوهای پلی سیلوکسان و مواد سطح فعال فلوئور توانایی انجام این کار را دارند که پلی سیلوکسانها (ادیتیوهای سیلیکونی) با داشتن تنوع بیشتر و اصلاحات فراوان تر مصرف بیشتری نسبت به گروه دوم دارند. این مواد کاربردهای مختلفی مثل لولینگ، لغزندگی سطح و دفومری دارند.

در بعضی از موارد باید کشش سطحی پوشش را افزایش داد که در این موقعیت با شناسایی ترکیبات کاهش سطح و جایگزینی آنها با موادی با کشش سطحی بالاتر مشکل حل می شود.

اندازه گیری کش سطح

بطور کلی به خاطر اهمیت کشش سطح در اعمال رنگ و بطور خاص در تر کردن سابستریت باید روش هایی برای اندازه گیری کشش سطحی مایعات و سطوح جامد وجود داشته باشد.

کشش سطحی ایستا را به آسانی می توان از روش Ring detachment method of Nouy بدست آورد. در فرایندهای سرعت بالا باید کشش سطحی دینامیکی ادازه گیری شود که با روش اندازه گیری زاویه تماس بدست می آید که در هر دو روش و روش های مشابه آن، وسایل مناسب و متداولی وجود دارد.

کشش سطحی سطوح جامد را با اندازه گیری زاویه تماس می توان بدست آورد اما زمان گیر می باشد. امروزه وسایل اتوماتیک وجود دارند که این روش را روتین کرده است. با فرایند بر گرفته از زاویه تماس می توان کشش سطح را با استفاده از مایعات مختلف تخمین زد اما برای موارد تحقیقاتی و علمی باید کشش سطحی دقیقا ً اندازه گیری شود در حالی که برای موارد عملی روشی سریعتر لازم است اما نتایج آن تقریبی است.

شیمی مواد سیلیکونی

واژه سیلیکون در محدوده وسیعی از محصولات شیمیایی که در جاهای مختلف مصرف دارند استفاده می شوداما تعداد کمی از این مواد شیمیایی در صنعت رنگ و پوشش کاربرد دارند.

پلی دی متیل سیلوکسان اصلاح نشده

تمام ادیتیوهای سیلیکونی پوشش بر پایه ساختار شیمیایی ساده از پلی دی متیل سیلوکسان می باشند. ستون اصلی با داشتن چندین واحد Si-O که هر اتم سیلیکون دو گروه متیل دارد با تغییر طول زنجیر ساختار اصلاح می شود. با افزایش طول زنجیر، ویسکوزیته روغن های سیلیکونی افزایش می یابد و میتوان آنها را بر اساس ویسکوزیته طبقه بندی کرد که در بعضی از محصولات ویسکوزیته جزیی از نام استدر وزن مولکولی پایین ساختار حلقوی یا خطی با داشتن دی متیل کشش سطحی پوشش را کاهش می دهد که با افزایش وزن مولکولی سازگاری و حلالیت مواد کاهش می یابد.

پلی دی متیل سیلوکسان (تعداد گروه های دی متیل کمتر از 60 و محصول حلقوی 6 تا 4X= ) با وزن مولکولی پایین و داشتن ویسکوزیته بین Pa.s 1 تا 50، کشش سطحی را کاهش داده و لولینگ سطح را بهبود می دهد اما متأسفانه با فرار بودن محصول حلقوی استفاده از آنها بدون مشکل نمی باشد که با خروج از فیلم در طول پخت و یا کندانسه شیمیایی (رنگهای کوره ای) و تبدیل به مولکول های بزرگ و آلوده کردن رنگ ها و سابستریت های دیگ در سطح حفره ایجاد می کنند. محصولات با وزن مولکولی بالاتر لغزش سطح را بهبود می دهند و درمرحله بعد با افزایش وزن مولکولی و ایجاد تعادل بین سازگاری و ناسازگاری در پلی دی متیل سیلوکسان با 1200≈X (یسکوزیته ≈ Pa.s 60000) این مواد تبدیل به دفومر میشوند و درنهایت با وزن مولکولی بالاتر (1400˃X و ویسکوزیته ˂ Pa.s 100000) و عدم سازگاری و حلالیت در بسیاری از سیستم ها در رنگهای ویژه مثل رنگهای چکشی کاربرد می یابند.

پلی متیل سیلوکسان

علاوه بر طول زنجیر با جایگزینی مواد دیگر بجای دی متیل، خواص پلی سیلوکسان اصلاح می شود. پلی سیلوکسان با گروه های متیل آلکیل همان خواص سیلیکونی متداول را دارد اما کشش سطحی این مواد با افزایش طول زنجیر افزایش می یابد به همین دلیل اثر کاهش کشش سطحی پوشش آنها زیاد مهم نیست.

پلی سیلوکسان اصلاح شده با مواد آلی

با جایگزینی چند گروه متیل با گروههای آلی کاملا متفاوت، محصولات جدیدی با نام پلی سیلوکسان اصلاح یافته آلی ایجاد شدند که این اصلاح آلی تبدیل به روشی فوق العاده برای ایجاد مواد با خواص ویژه برای پاسخگویی به نیازمندی های متنوع، کنترل سازگاری مواد با پوشش ها و یا کم کردن تأثیر وزن مولکولی شد.

ساختار پلی اتر از واحدهای اتیلن اکساید (EO) و پروپیلن اکساید (PO) تشکیل شده اند که پلی اتیلن اکساید هیدروفولیک و پلی پروپیلن اکساید هیدروفوب (غیر قطبی) می باشد و با تغییر نسبت آنها در پلی اتر قطبیت ادیتیو سیلیکون کنترل می شود که با استفاده از EO زیادتر و افزایش قطبیت ماده، سازگاری ادیتیو با ساختار قطبی افزایش یافته و حتی ماده محلول در آب حل می شود اما تمایل به پایدارسازی فوم در همان زمان زیاد می گردد و بالعکس با استفاده از مقدار PO زیادتر و کاهش حلالیت در آب، ماده تبدیل به دفومر می شود.

در کنار نسبت PO/EO وتعداد اصلاحات پلی اتری، فاکتور دیگر محل اصلاحات در زنجیر پلی سیلوکسان می باشد آیا توزیع در کل ستون اصلی (ساختار شاخه ای) بوده و ماده بلوکه شده و یا در دو انتهای زنجیر است. مورد دیگر چگونگی اتصال زنجیرپلی اتر به ستون پلی سیلوکسان است. پلی اتر توسط یک زنجیر آلکیل (کوتاه) به سیلیکون لینک شده است که این ارتباط در برابر هیدرولیز مقاوم است اما اتصال مستقیم مهیای هیدرولیز می باشد: با جدا شدن آسان گروه های پلی اتر از سیستم و واکنش کندانسه، ماده جدیدی با وزن مولکولی بالا تولید می گردد که با کاهش سازگاری، احتمال ایجاد حفره زیاد می شود.

اصلاحات دیگر

با اینکه در بسیاری از موارد ماده با زنجیر پلی اتر اصلاح می شود اما روش های کاربردی دیگر هم امکان پذیر است. با اصلاح زنجیر با زنجیرهای پلی استر و آریل آلکیل ماده حاصله علاوه بر کاهش کشش سطحی، مقاومت دمایی بالاتری نسبت به مواد قبل خواهد داشت.

با تخریب دمایی ادیتیو مشکلات چسبندگی بین لایه ای ایجاد می شود که مواد پلی اتردار تا دمای بالای 150 درجه سانتیگراد و پلی سیلوکسان آریل آلکیل و یا پلی استر تا 200 درجه سانتیگراد پایدار می مانند.

مواد سطح فعال سیلیکونی در پوشش های آبی

همچنانکه در بالا نشان داده شد با تنظیم قطبیت، می توان مواد سازگار با سیستم آبی تولید کرد اما مواد سیلیکونی به علت وجود آب در این سیستم ها و بالا رفتن کشش سطحی (بیشتر از رنگهای پایه حلال) کارایی آنچنانی مخصوصا ً در سابستریت ها با انرژی پایین (پلاستیک) ندارند به همین دلیل طبقه خاصی از ادیتیوهای سیلیکونی با نام مواد سطح فعال سیلیکونی (Silicon surfactant) ایجاد شد که این بار نیز با پلی اتر اصلاح شدند اما وزن مولکولی آنها پایین تر و کشش سطحی ای تقریبا ً برابر با سطح فعال فلوئور عمل می کنند اما در مقایسه با آنها فوم را پایدار می کنند.

کاربرد ادیتیوهای سیلیکونی

با استفاده از مقادیر خیلی کم پلی سیلوکسان، می توان به نتایج خوبی رسید اما برای جلوگیری از هر گونه مشکلی اید بعضی از موارد را در نظر داشت.

میزان استفاده

بخاطر فعالیت بالای سطحی، مقدار مصرف پلی سیلوکسان خاص (100%) معمولا ً بین 0.01 تا 0.2% در کل فرمولاسیون می باشد بنابراین برای افزایش میزان دقت کار باید آنها را رقیق کرد. با ناسازگاری یا استفاده بیش از حد در سطح حفره ایجاد می شود و اعمال لایه بعدی و چسبندگی آن دچار مشکل می شود.در اصل، لایه دوم را در صورتی می توان اعمال کرد که کشش سطحی آن پایین تر از کشش سطحی لایه اول باشد، که با بالا بودن درصد سیلیکون در لایه اول، سولفور سیلیکون باعث جدا شدن دو لایه شده و چسبندگی بین لایهای را کاهش می دهد.

بنابراین، باید از کمترین مقادیر ممکن سیلیکون با تأثیر کافی (تر کنندگی سطح) استفاده شود. در بسیاری از موارد عملی، جداسازی سیستم اعمال غیر ممکن است و چندین رنگ با یک اسپری یا در یک زمان کوتاه استفاده می شوند، که با اعمال رنگ در حد زیاد و نشستن گردو غبار رنگ با کشش سطحی کمتر بر روی رنگهای اعمالی دیگر، باعث ایجاد حفره در آنها می شود این مثال ساده نشان می دهد که در بسیاری از موارد کشش سطحی پوشش های مختلف دقیقا ً باید تنظیم شود.

تست و استفاده

کاربرد ادیتیوهای سیلیکونی بسیار ساده و آسان می باشد با افزودن این مواد در مرحله تکمیل و میکس مناسب و اطمینان از توزیع یکنواخت ادیتیو این ماده کارایی خود را کاملا ً نشان می دهد که در صورت توزیع نا مناسب غلظتی در جاهای غلیظ حفره ایجاد می شود که برای تخمین کارایی ادیتیو می توان کشش سطحی را اندازه گگیری کرد.

اثرات جانبی

ادیتیوهای سیلیکونی نه تنها بر کشش سطحی بلکه روی خواص دیگر نیز تأثیر دارند که باید تأثیرات خواسته یا ناخواسته بررسی شود تأثیر ادیتیو در بسیاری از مواقع روی لولینگ و لغزندگی مثبت است اما اثرات منفی عبارتند از : پایدارسازی فوم و مشکلات پوشش مجدد از قبیل چسبندگی بین لایه ای و ترکنندگی سطح که با استفاده از دور مناسب و دمای پخت درست مشکلات فوق حل می شوند البته در مورد پایدارسازی فوم علاوه بر موارد بالا، شیمی ادیتیو نیز بسیار مهم می باشد که در صورت مشاهده تمایل پوشش به کف باید از سیلیکونهای مناسب (سازگاری کمتر و کشش سطحی بالاتر) استفاده کرد که علاوه بر جلوگیری از ایجاد کف آن را کاهش هم می دهد پس با فرمولاسیون درست، پوشش می تواند سطح را به خوبی تر کند و عیوب منفی دیگری هم نداشته باشد.