اپوکسی-ها-آلکیدها-و-اکریلیک-ها-امروزه-در-قالب-فرمولاسیون-های-پایه-آب-نیز-تولید-می-شوند-علاوه-بر-این-فناوری-پلیمرهای-یورتانی-نیز-به-این-حوزه-وارد-شده-و-کاربردهای-گسترده-ای-پیدا-کرده-است">
مقدمهای بر پوشش های پایه آب
پوشش های پایه آب در سالهای اخیر به یکی از مهمترین فناوریهای صنعت رنگ و پوشش تبدیل شدهاند. بسیاری از رزینهای متداول مانند اپوکسی، آلکید و اکریلیک که پیشتر در سیستمهای حلالی استفاده میشدند، امروزه در قالب فرمولاسیونهای آبی نیز تولید میشوند. حتی فناوری پلییورتان نیز در نسل جدید پوشش های پایه آب جایگاه مهمی پیدا کرده است.
برخلاف تصور رایج، این پوششها تنها نسخهای از رنگهای حلالی نیستند که در آن حلال آلی با آب جایگزین شده باشد. در واقع طراحی یک سیستم پایه آب نیازمند فرمولاسیون کاملاً جدید و درک دقیق رفتار ذرات پلیمری، پیگمنتها و افزودنیها در محیط آبی است. به همین دلیل شیمیستهای رنگ هنگام طراحی این سیستمها باید عوامل فیزیکی و شیمیایی متعددی را در نظر بگیرند.
مکانیزم تشکیل فیلم در پوشش های پایه آب
فرآیند تشکیل فیلم در سیستمهای لاتکسی شامل چندین مرحله است. پس از تبخیر اولیه آب و نزدیک شدن ذرات پلیمری به یکدیگر، وارد مرحله مویینگی میشویم. در این مرحله، کشش سطحی بالای آب نقش حیاتی در تغییر شکل ذرات ایفا میکند.
آب، با تلاش برای کاهش انرژی سطحی خود در فصل مشترک هوا-آب و آب-پلیمر، باعث تغییر شکل ذرات پلیمری میشود. این فرایند که منجر به ایجاد ساختاری شبیه به لانه زنبوری میشود، زمینه را برای تشکیل یک لایه یکپارچه فراهم میآورد.
نفوذ ماکرومولکولی
در صورت مساعد بودن دما، زنجیرهای پلیمری میتوانند از مرز ذرات عبور کرده و در یکدیگر نفوذ کنند. این پدیده به تشکیل یک فیلم یکنواخت و همگن منجر شده و مقاومت مکانیکی و آبی پوشش را بهبود میبخشد.
نیروی محرکه تشکیل فیلم
دانشمندان نظریههای مختلفی را برای توضیح نیروهای مؤثر در تغییر شکل ذرات پلیمر ارائه دادهاند. مهمترین نیروهای مطرح شده عبارتاند از:
- کشش سطحی ذرات پلیمر
- نیروهای واندروالسی
- کشش بین سطحی پلیمر و آب
- فشار مویینگی در فصل مشترک آب و هوا
مطالعات جدید نشان میدهد که فشار مویینگی در فصل مشترک هوا–آب یکی از مهمترین نیروهای مؤثر در فرآیند تشکیل فیلم است. بررسیهای میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) نیز این موضوع را تأیید کردهاند.
مقایسه تقریبی نیروهای مؤثر
بررسیهای انجام شده نشان میدهد که نیروهای مویینگی ایجاد شده در فصل مشترک آب–هوا بسیار قویتر از نیروهای جاذبه یا واندروالسی هستند. همین موضوع توضیح میدهد که چرا تبخیر آب نقش تعیینکنندهای در شکلگیری فیلم در سیستمهای لاتکسی دارد.
| مقدار تقریبی (نیوتون) | نوع عامل نیرو |
| 6.4 × 10-17 | نیروی جاذبه بر روی ذرات |
| 8.4 × 10-12 | نیروهای واندروالسی در فاصله ۵ نانومتری |
| 5.5 x 10-9 | نیروهای واندروالسی در فاصله ۰،۲ نانومتری |
| 2.8 × 10-10 | دافعه الکترواستاتیک |
| 2.6 × 10-7 | نیروی مویینگی به دلیل فصل مشترک آب-هوا |
| 1.1 × 10-7 | نیروی مویینگی به دلیل پل های مایع |
تأثیر رطوبت بر خشک شدن لاتکس
برخلاف حلالهای آلی، آب به مقدار زیادی در جو زمین وجود دارد. به همین دلیل انتظار میرود رطوبت محیط بر سرعت خشک شدن رنگهای آبی اثر بگذارد. با این حال بسیاری از تحقیقات نشان دادهاند که تأثیر رطوبت نسبی بر خواص نهایی فیلم چندان چشمگیر نیست.
در شرایطی که پوشش در معرض بارندگی یا میعان مستقیم قرار نگیرد، بیشتر سیستمهای لاتکسی در دامنه وسیعی از رطوبت محیط میتوانند خشک شوند. البته در مرحله اولیه تبخیر، رطوبت نسبی میتواند سرعت خروج آب از فیلم را تغییر دهد.
نقش پیگمنت در عملکرد پوشش های پایه آب
در هر فرمولاسیون رنگ، پیگمنت باید بهخوبی در محیط پخش شود و پس از خشک شدن توسط بایندر پوشش داده شود. این مسئله در سیستمهای آبی اهمیت بیشتری دارد، زیرا کشش سطحی بالای آب میتواند فرایند دیسپرس شدن پیگمنت را دشوارتر کند.
اثر نسبت حجمی پیگمنت (PVC)
یکی از پارامترهای مهم در عملکرد پوشش، نسبت حجمی پیگمنت به بایندر است.
- PVC پایین: بایندر میتواند تمام ذرات پیگمنت را پوشش دهد و فیلمی متراکم ایجاد کند.
- PVC بالا: بایندر برای پوشش کامل پیگمنت کافی نیست و حفرههای هوا در ساختار فیلم باقی میماند.
حالت اول معمولاً بهترین عملکرد مکانیکی و حفاظتی را ایجاد میکند.
نقش افزودنیها در ساختار فیلم
فرمولاسیون واقعی رنگهای آبی تنها شامل لاتکس نیست. در این سیستمها از مواد مختلفی استفاده میشود که هر کدام وظیفه خاصی دارند، از جمله:
- سورفکتانتها و امولسیفایرها
- عوامل انعقادکننده
- غلظتدهندهها
- مواد بهبوددهنده ترشوندگی
تحقیقات نشان میدهد که برخی از این ترکیبات میتوانند در طول فرآیند خشک شدن به سطح فیلم مهاجرت کنند. این پدیده باعث میشود ترکیب شیمیایی سطح فیلم با لایههای داخلی متفاوت باشد.
حداقل دمای تشکیل فیلم در پوشش های پایه آب
یکی از مهمترین پارامترهای عملکردی در رنگهای لاتکسی حداقل دمای تشکیل فیلم (MFFT) است. این دما کمترین دمایی است که در آن ذرات پلیمر قادرند به یک فیلم پیوسته تبدیل شوند.
اگر رنگ در دمایی پایینتر از این مقدار اعمال شود، آب تبخیر خواهد شد اما ذرات پلیمر به اندازه کافی نرم نیستند که تغییر شکل دهند. در نتیجه فیلمی متخلخل و غیرپیوسته تشکیل میشود.
ارتباط MFFT با دمای انتقال شیشهای
مقدار MFFT به دمای انتقال شیشهای پلیمر (Tg) وابسته است. پلیمرهایی با Tg پایینتر معمولاً در دماهای پایینتر نیز قادر به تشکیل فیلم هستند.
تفاوت MFFT تر و خشک
در سیستمهای لاتکس دو نوع دمای تشکیل فیلم تعریف میشود:
MFFT تر
این دما در شرایط عادی و در حضور آب تعیین میشود. در این حالت نیروی مویینگی ناشی از فصل مشترک هوا–آب باعث تغییر شکل ذرات میشود.
MFFT خشک
این دما بالاتر است و زمانی مشاهده میشود که مقدار آب میان ذرات بسیار کم باشد. در چنین شرایطی مکانیزم تغییر شکل ذرات متفاوت خواهد بود.
پدیده Flash Rusting در پوششهای آبی
Flash Rusting به خوردگی سریع سطح فلز در زمان خشک شدن پوشش آبی گفته میشود. در این حالت محصولات خوردگی میتوانند در سطح فیلم ظاهر شوند.
برخی پژوهشها نشان دادهاند که برای وقوع این پدیده تنها وجود آب کافی نیست و حضور نمک نیز ضروری است. بررسیهای انجام شده روی پوششهای اکریلیک مدرن نشان میدهد که با طراحی مناسب فرمولاسیون، این مشکل در بسیاری از سیستمهای جدید اهمیت زیادی ندارد.
مطالعات سطحی با روشهایی مانند FTIR و AFM نشان دادهاند که تنها چند ثانیه پس از اعمال پوشش، زنجیرهای پلیمری میتوانند با سطح فلز برهمکنش ایجاد کنند. این پیوند اولیه تا حدی از سطح فلز در برابر خوردگی محافظت میکند.
