ادامه مقالات و آموزشهای رایگان

غلظت دهنده های سلولزی

بازرگانی اتحاد رنگدانه در خصوص واردات و خرید و فروش مواد شیمیایی تخصصی فعالیت می کند

اتحاد رنگدانه خرید و فروش تیلوز را از برندهای معتبر انجام می دهد

شما می توانید برای خرید تیلوز و اطلاع از قیمت تیلوز و کاربرد تیلوز با شرکت تماس بگیرید.

 

چندین دهه است که استفاده از غلظت دهنده های سلولز اتر در رنگ های لاتکس کاربرد دارد که سالانه 350 تن سلولز اترهای غیر یونی تولید شده و در رنگ های ساختمانی مصرف می شود.

ر این بخش سلولز اترهای متداول ترکیبی که در صنعت رنگ مصرف می شود بررسی شده است.

● شیمی مواد

● افزودن مواد به رنگ

● خواص رنگی متأثر از سلولز اتر

● سلولز اترهای ترکیبی

● تولیدات تجاری

● توسعه های جدید

● سمیت و انهدام

غلظت دهنده های آلی:

1-رنگهای پایه حلال

الف)غلظت دهنده های ترکیبی

■ مشتقات سلولزی

■ مشتقات نشاسته

■ غلظت دهنده های آکریلیکی

ب) غلظت دهنده های فاز آبی

■ پلی اکسی اتیلن اصلاح یافته هیدروفوب

■ غلظت دهنده های ترکیبی آکریلیک

■ غلظت دهنده های ترکیبی سلولز اتر

2-رنگهای پایه حلالی

■ مشتقات روغن کرچک

■ نمک های فلزی

■ محصولات پلیمری

■غلظت دهنده های آنیونی

شیمی مشتقات سلولزی

پایه مشتقات سلولزی، سلولز پلی ساکاریدی که واحد های انیدروگلوکز آن با 1-b، -4 گلیکوسیدیک بهم وصل شده اند، می باشد.

منبع سلولز و روش خالص سازی روی کیفیت و خواص فیزیکی اثر می گذارد. مهم ترین منابع سلولزی لینتر پنیه و چوب است که لینتر پنبه در حدود 90 درصد سلولز دارد و درجه پلیمریزاسیون از متوسط بالاتر است در حالی که با خاص سازی چوب به مقدار 50 درصد می رسیم، بنابراین منبع اصلی سلولز اتر با وزن مولکولی بالا، لینتر پنبه می باشد.

هر واحد انیدروگلوکز سه گروه هیدروکسیل دارد که می توان استریفیکاسیون یا اتریفیکاسیون که تقریبا ً یک فرایند پیچیده است انجام داد. اگرچه فعالیت گروه های هیدروکسیل شبیه به همتاهای خود در آلیفاتیک الکل های ضعیف است ولی به علت ساختار کریستالی سلولز واکنش را می توان سرعت داد. وجود پیوند هیدروژنی بین زنجیرهای پلیمر آنها را بسیار منسجم و مرتب ساخته است که با واکنش با سدیم هیدروکساید بار دافع منفی روی زنجیر تولید می شود و در نتیجه ساختار کریستالی پلیمر شکسته و گروههای هیدروکسیل آماده واکنش می شوند.

در واکنش ماده با سدیم هیدروکساید، گروه هیدروکسیل تبدیل به یون های فعال الکوکساید می شود که ماده حاصله سلولز قلیایی نامیده می شود و محصولی تقریبا سری میباشد.

اتریفیکاسیون با سنتز ویلیام سون واکنش با یک هالید آلکیل یا اپوکسی پیش می رود. از واکنش سلولز قلیایی با اتیلن اکساید، سلولز هیدروکسی اتیل تولید می شود و در مرحله بعدی با مونوکلواستیک اسید واکنش داده و کربوکسی متیل سلولز ایجاد می شود که بعد با متیل کلراید در حضور سدیم هیدروکساید واکنش داده و متیل سلولز تولید می شود که این ماده به تنهایی غلظت دهنده نمی باشد اما مخلوط متیل هیدروکسی سلولز و متیل هیدروکسی پروپیل سلولز یک ماده غلظت دهنده است.

برای شناسایی مواد کافی نیست که بدانیم چه موادی در محصول است بلکه باید درصد استخلاف نیز مشخص شود. بدین منظور دو اصطلاح، درجه استخلاف (DS) که نشان دهنده تعداد گروههای هیدروکسیل استخلاف شده و (MS) درجه استخلاف مولی که تعداد متوسط مول های استخلاف شده روی واحد انیدروگلوکز را نشان می دهد تعریف شده است.

با دانستن DS، متیل سلولز و کربوکسی متیل سلولز شناسایی می شود اما در هیدروکسی اتیل سلولز این تعاریف مهم نیست زیرا که بعد از استخلاف با اتیلن اکساید باز هم گروه هیدروکسیل وجود دارد و می تواند در واکنش شرکت کند. بنابراین می توان بیشتر از یک استخلاف در مقابل هر  گروه هیدروکسیل سلولز داشت.

افزودن سلولز اتر به رنگ

سلولز اترها موادی جامد و پودری شکل می باشند و در مراحل مختلف می توان به فرایند تولید اضافه نمود که متداول ترین روش، افزودن ماده در مرحله اختلاط اولیه است و بعد از آن پیگمنت و پرکننده اضافه شده و به دانه بندی می رسند.

با ورودیک باره مواد به فاز آبی، پلیمرها تجمع کرده و لایه خارجی پلیمر متورم شده و ژل می شود که در این صورت حل شدن هسته داخلی سخت و با توجه به درجه تجمع طول خواهد کشید پس بهتر است ذرات در فاز آبی خود دیسپرس شده و بعد وارد محلول شوند به همین دلیل سلولز اترهای مصرفی در رنگ با گلی اکسال (glyoxal) عمل آورده می شوند که پلیمر موقتا ً شبک ای شده و زمان لازم برای دیسپرسیون را قبل از ورود به محلول بدست خواهد آورد و در نتیجه کلوخه ای ایجاد نمیشود.

اگرچه زمان هیدراسیون به فاکتورهایی چون دما و PH وابسته است اما می توان با تغییر مقدار گلی اکسال آن را تنظیم کرد.

سلولز اتر را می توان در شکل پودری، محلول پلیمری یا سوسپانسیون به سیستم رنگ افزود که محلول پلیمر را بدون هیچ مشکلی در هر زمان میتوان به سیستم افزود اما در محلول بالک به آن باید نگهدارنده افزود.

روش متداول تر، سوسپانسیون سلولز اتر در حلالهاسی آلی مثل گلیکول یا مواد CA است که مزیت این سیستم استفاده از درصد بالاتری از سلولز اتر نسبت به محلول پلیمری است در نتیجه آب فرمول افزایش می یابد.

مواد پودری در مرحله دانه بندی به سیستم اضافه می شوند و بعد با افزایش PH زمان حل شدن را کاهش می دهند که افزودن ماده در مرحله نهایی اصلا توصیه نمی شود.

مقدار غلظت دهنده وابسته به ویسکوزیته نهایی سیستم است در رنگهای ارزان تر از کربوکسی متیل سلولز و بایندر تا 3% وزنی و در رنگهای ساختمانی با مقدار پیگمنت 8 تا 30% مقدار سلولز 0.3 تا 0.6 % می باشد.

برای درک کامل، دو فرمولاسیون که اولی رنگ مات مصرف داخل با بایندر استیرن کریلات و دومی یک رنگ مصرف داخل بدون حلال و با کوپلیمر متیل استیلن /اتیلن می باشد آورده شده است.

در رنگ های سیلیکات مقدار استفاده خیلی کم و در حدود 0.1 تا 0.3 % می باشد و بعلت درصد بالای الکترولیت اتیل هیدروکسی اتیل سلولز، متیل سلولز و مشتقات آنها در این سیستم ها زیاد محلول نیستند و فقط می توان از سلولز اترهای هیدروفیلیک  مثل سلولز هیدروکسی اتیل و هیدروکسی اتیل سلولز اصلاح یافته هیدروفوبیک و کربوکسی متیل سلولز استفاده کرد.

تأثیر سلولز اتر روی خواص رنگ

مواد سلولز اتری در رنگ سه خاصیت عمده ایجاد میکنند: ویسکوزیته، پایداری و نگهداری آب.

همانطور که گفته شد غلظت دهنده ها درتمام فرایند های رنگ یعنی ساخت، اعمال و انبارداری  نقش بسیار مهمی دارند.

در فرایند ساخت در مرحله اختلاط اولیه،غلظت دهنده با ایجاد ویسکوزیته کافی، باعث دیسپرسیون و دانه بندی بهتر پیگمنت می شود که در غیر این صورت انرژی اعمالی برای دانه بندی در جریان های آشفته از بین می رود و پیگمنت به دانه بندی نمیرسد.

در زمان انبارداری رنگ، غلظت دهنده با ایجاد سوسپانسیون، پیگمنت و پر کننده را نگه داشته و مانع رسوب آنها می شود  با کم کردن تمایل اجزا دیسپرسیون به لختگی، خواص مکانیکی و پایداری انجماد-میعان رنگ بهبود می یابد.

در اعمال با برس یا غلطک نسبت زیادی از رنگ به سطح منتقل می شود و همچنین با تنظیم درست ویسکوزیته و بهبود رئولوژی، قابلیت پوشش و گسترش رنگ بالا می رود و با نگهداری آب، در سطوح متخلخل با اعمال رنگ آب سریعا ً از سیستم خارج نشده و به سطح زیرین نفوذ می کند.

آنچه که در بالا بیان شد نتایج اصلی استفاده از مواد سلولز اتری است اما خواص دیگری هم از رنگ می تواند تحت تأثیر انتخاب نوع سلولز اتر باشد.

تأثیر استخلاف

دقیقا ً نمی توان گفت که کدامین سلولز اتر بهترین تأثیرات را روی خواص رنگ می گذارد اما آزمایش های فراوانی روی خواص استخلاف انتخابی و تأثیر آن روی خواص رنگ انجام شده است و خصوصیاتی که غلظت دهنده برآنها تأثیر می گذارد با هم مقایسه شده اند.

هیدروکسی اتیل سلولز (HEC)، متیل هیدروکسی اتیل سلولز (MHEC)، اتیل هیدروکسی اتیل سلولز (EHEC) و کربوکسی متیل سلولز (CMC) با هم در رنگ مقایسه شده اند که نتایج را در جدول 1 خواهید دید.

فاکتور اول، دیسپرسیون پیگمنت است که غلظت دهنده نباید اثر منفی روی دیسپرسیون بگذارد و بهترین نتیجه با هیدروکسی اتیل سلولز بدست می آید. روش اول آزمایشگاهی بدین صورت است که خمیر تیتان با محلول پلیمر تیتر می شود (با افزودن مقداری دیسپرس کننده پلیمری این فرایند بهتر انجام می شود) در طول فرایند و یا نگهداری آن تا انجا که ممکن است نباید کفی ایجاد شود تا تأثیر غلظت دهنده بر کاهش تنش سطحی فاز پیوسته حداقل باشد که به همین دلیل سلولز اترهای هیدروفولیک مثل CMC و HMC بهترین نتیجه را می دهند. عمل غلظت دهندگی سلولز اتر بیشتر، تابعی از وزن مولکولی است تا انتخاب استخلاف و تاکنون نیز نتیجه عکس مشاهده نشده است. مشتقات متی سلولز تا حدی با پیگمنت واکنش می دهند که باعث کاهش دیسپرسیون پیگمنت و اندکی افزایش ویسکوزیته می شوند بنابراین در ظاهر کارایی غلظت دهندگی آن بهبود پیدا می کند. به تجربه ثابت شده است خاصیت شبه پلاستیکی متیل سلولز از هیدروکسی اتیل سلولز و اتیل هیدروکسی سلولز پایین تر است در نتیجه در نیروی برشی متوسط و زیاد ویسکوزیته بیشتری (ویسکوزیته بروکفلید استورمر) نسبت به مشتقات دیگر نشان می دهد و روی مکانیسم غلظت دهندگی محصول و ویسکوزیته کاربرد تأثیر مثبت می گذارد. تمام موارد فوق دلیلی بر بالاتر بودن ویسکوزیته ICI رنگهای متیل سلولزدار و مشتقات آن می باشد.

جدول 1 تأثیر نوع استخلاف سلولز اتر روی خواص رنگ

در اعمال با غلطک، یسکوزیته اعمال بالاتر روی قابلیت گسترش (ضخامت بیشتر) و عدم پاشش به اطراف اثر مثبت دارد و ویسکوزیته پایین تر در نیروی برشی کم، رئولوژی را اصلاح می کند اما روی شره رنگ در سطوح عمودی نتیجه منفی می گذارد.

قانون می گوید که بهترین انبارداری با هیدروکسی اتیل سلولز بدست می آید زیرا که این ماده واکنشی ملایم با پیگمنت، پرکننده و بایندر می دهد و در محدوده دمایی ^oC 0 تا 100 با وجود الکترولیت و گلیکول، در آب بخوبی حل می شود.

مقاومت در برابر آنزیم تخمین خوبی برای تعیین مقاومت در برابر میکرواورگانیسم ها که از منابع مختلف می توانند وارد رنگ شوند می باشد. بعضی از آنزیم های خاص می توانند زنجیر سلولز اتر را در اتم 1و4 بشکنند بنابراین طول زنجیر کاهش یافته و ویسکوزیته کاهش می یابد اما وقتی که انیدروگلوکز استخلاف داشته باشد ممانعت فضایی مانع حمله به اتم اکسیژن می شود و زنجیر سالم می ماند. اگر فرض کنیم که هر انیدروگلوکز یک استخلاف داشته باشد ماده 100% مقاوم می شود اما سلولز اترها 10 تا 20 درصد واحدهای منومر بدون استخلاف دارند و هنگامیکه آنزیم حمله می کند ویسکوزیته ساختاری تا حد زیادی تخریب می شود. امروزه هیدروکسی اتیل سلولزها کمتر از 3% واحدهای انیدروگلوکز استخلاف نشده دارند که مقاومت آنها در برابر آنزیم بیشتر میشود. افت ویسکوزیته در محلول های پلیمر با ویسکوزیته Ku 100 بعد از ورود آنزیم بررسی شده که کمترین میزان افت با سلولز هیدروکسی اتیل (HEC-B) biostable می باشد. بنابراین بدون اعمال فرایند دوباره می توان از رنگ استفاده کرد. وجود سلولز اترهای biostable به معنای عدم احتیاج به ماده نگهدارنده نیست بلکه به معنای ایمنی بیشتر است.

رنگ اعمالی روی سطوح متخلخل باید غلظت دهنده ای با ظرفیت حفظ آب بالا داشته باشد که سلولز اترها هیدروفولیک بهترین کارایی را دارند.

در رنگ های هیدروکسی اتیل سلولز دار تجمع پیگمنت های رنگی اتفاق نمی افتد بنابراین گسترش رنگی بندرت تحت تأثیر نیروی اعمال میباشد و در تست rub-out اختلاف بسیار کمی بین رنگ اعمالی با نیروی برشی و بدون آن وجود دارد. مشتقات متیل سلولز همانند اتیل هیدروکسی اتیل سلولز با پیگمنت های رنگی واکنش داده و اندکی تجمع اتفاق می افتد که با اعمال نیروی برشی از بین میرود.

خاصیت آنیونیک کربوکسی متیل سلولز مقاومت ماده در برابر آب، هوا و سایش را در مقایسه با مواد غیر یونی کاهش می دهد.

بطور خلاصه یک نوع سلولز اتر بهترین نتیجه را نمی  دهد و با اینکه HEC بیشترین مصرف را در بازارهای اروپا و امریکا دارد اما در آلمان به علت وجود تولید کننده های زیاد، متیل سلولز متداول است.

تأثیر وزن مولکولی

علاوه بر نوع استخلاف وزن مولکولی هم روی خواص نهایی رنگ اثر می گذارد. تأثیر وزن مولکولی در جدول 2 خلاصه وار بیان شده است که برای فهم آسان دو رنگ با 2% از دو نوع هیدروکسی اتیل سلولز در دو ویسکوزیته بروکفیلد 6000 mpa (20 rpm) و 100000 mpa مقایسه شده اند.

جدول 2 تأثیر وزن مولکولی سلولز اتر بر خواص رنگ

در هیدروکسی اتیل سلولز با MS=2.5 مقایسه بین مولکولی 650000 (گونه 6000) و وزن مولکولی 110000 (گونه 100000) است که در وزن مولکولی بالاتر، با اینکه ویسکوزیت و پاشش رنگ به اطراف بیشتر است اما هنگام اعمال با غلطک رئولوژی رنگ تا حدی بهتر می شود. شاید این دور از انتظار باشد که در وزن مولکولی پایین تر رنگ سریعتر خود را پیدا کند اما در عمل این اتفاق می افتد زیرا زنجیرهای بلند با اینکه بسیار الاستیک هستند اما مولکول های کوچک به هنگام کشیده شدن سریعتر به حالت اولیه بر می گردند.

شاید محصولات با وزن مولکولی پایین تر مقاومت شره بهتری داشته باشند اما چون ضخامت از 400 میکرون بالاتر نمی رود زیاد با هم فرقی نخواهند داشت. در کل برای مقایسه، بهتر است که ویسکوزیته ها با هم برابر باشند.

زمان باز نگهداشتن رنگ با مواد وزن مولکولی پایین بهتر و تابعی از درصد مولکول های پلیمری باشد. وزن مولکولی بالاتر بعلت ایجاد تجمع در پیگمنت، روی رنگ دهی تأثیر منفی دارد که با انتخاب پایدار کننده ضعیف مشهودتر است.

زنجیرهای کوچک زودتر از بزرگ در آب حل می شوند در نتیجه با وزن مولکولی پایین تر حساسیت به آب رنگ بیشتر می شود و با افزایش وزن مولکولی مقاومت سایشی رنگ افزایش می یابد. بنابراین نمیتوان گفت یک وزن مشخص بهترین نتیجه را دارد اما بعلت بهبود مقاومت پاششی رنگ، قدرت پوشش و زمان باز نگهداری معمولا از وزن مولکولی پایین استفاده می شود.

سلولز اترهای ترکیبی

رنگ های لاتکس با سلولز اترهای متداول خواص مناسب بسیاری دارند اما همیشه نیاز به بهبود، اصلاح و رسیدن به کیفیت بهتر در مواردی چون رئولوژی هست.

برای بالا بردن پوشش سیستم های تک پوشش، روش های مختلفی چون تنظیم درصد پیگمنت تیتان بهینه سازی مصرف پرکننده و توزیع اندازه ذرات مؤثر می باشد اما برای صرفه جویی بیشتر، افزابش ویسکوزیته ICI تا حد 200 mpa راهی مفید می باشد که با استفاده از سلولز اترهایی با وزن مولکولی خیلی پایین (300000) می توان به آن رسید اما با این روش تأثیر غلظت دهندگی ماده کاهش می یابد و باید درصد بیشتری استفاده نمود و باید مقادیر زیادی مواد هیدروفیلیک افزود که باعث حساسیت به آب می گردد که در نتیجه رنگ خیلی گران می شود.

در دهه هشتاد خواست عمومی به رنگهای با پاشش پایین به اطراف و رئولوژی بهتر بود که صنعت رنگ به سمت مواد کمتر شبیه پلاستیک حرکت کرد و غلظت دهنده های ترکیبی مثل آکریلیک های ترکیبی و پل اورتان ها معرفی شدند و سلولز اترهای ترکیبی گسترش یافتند.

پلیمر پایه می تواند هیدروکسی اتیل سلولز یا استیل هیدروکسی اتیل سلولز باشد که وزن مولکولی پلیمر خیلی کمتر از غلظت دهنده فاز مایع و در حدود 300000 دالتون می باشد که با گروه های آلکیل اریل یا آلکیل هیدروفوب برای واکنش با رزین و بهبود رفتار ویسکوزیته اصلاح می شود که درصد اصلاح بسیار کم و در حدود 2% می باشد بهمین دلیل خاصیت هیدروفوب سیستم تقریبا ً تغییر نمیکند.

ویسکوزیته در نیروهای برشی پایین کاهش و در نیروهای برشی بالاتر افزایش می یابد و سیستم رفتار نیوتنی کمتری از خود نشان می دهد. بنابراین به رئولوژی ایده آل با پوشش دهی مناسب و مقاومت پاشش خوب خواهیم رسید.

سلولز اترهای ترکیبی با دو مکانسیم غلظت دهندگی فاز آبی و ترکیبی، ویسکوزیته رنگ را افزایش می دهند. بنابراین غلظت دهندگی تا حدی به اجزا رنگ وابسته می باشد که این وابستگی در غلظت دهنده های پلی اورتان خیلی کم است و دانستن این رابطه ها هم زیاد مهم نیست.

مواد اولیه ذیل می توانند با غلظت دهنده ها ترکیب شوند:

-رزین

-پیگمنت و پرکننده

-مواد سطح فعال

غلظت دهندگی سلولز اترهای ترکیبی تابع نوع رزین می باشد که با داشتن دیسپرس کننده کافی، واکنش با فیلتر و تیتان محدود می شود و واکنش بیا مواد سطح فعال در صورتی مهم خواهد بود که از رزین فوق پایدار استفاده شود. در این بخش فقط تأثیر رزین روی این مواد بررسی شده است.

تحقیقات نشان می دهد که نیروهای هیدروفوب پیش برنده ی واکنش هستند و مکانیسم واکنش می تواند عناصر زیر بهبود یابد:

-کاهش اندازه ذرات بایندر

-کاهش مقدار مواد سطح فعال مثل امولسیون کننده / پایدار کننده

-انتخاب امولسی فایر با زنجیرهای اتیل اکساید کوچکتر

-کاهش مقدار مواد آکریلیک و اسید متاکریلیک

-افزایش خاصیت هیدروفوب ذرات پلیمر در لاتکس

بطور خلاصه، واکنش بین سلولز اترهای ترکیبی و بایندر با افزایش هیدروفوبی و بزرگ شدن سطوح آزاد ذرات بایندر، بیشتر می شود.

بنابراین در محیط هایی با دیسپرسیون های آکریلیک و استیرن آکریلات بیشترین تأثیر غلظت دهندگی مشاهده می شود که البته کوپلیمر وینیل اکریلات و وینیل استات بیشترین و هموپلیمر وینیل استات کمترین برهم کنش راخواهد داشت.

مزیت اصلی سیستم، استفاده از یک نوع سلولز اتر ترکیبی در محدوده وسیعی از رنگهای نیمه براق تا مات و داشتن خواص غلظت دهنده های سنتی بهمراه بهبود خواص رئولوژی، پوشش و پاشش به اطراف رنگ است.

محصولات تجاری

سلولز اترهای متداول

♦ کربوکسی متیل سلولز (CMC)

♦ هیدروکسی اتیل سلولز (HEC)

♦ متیل هیدروکسی اتیل سلولز (MHEC)

♦ متیل هیدروکسی پروپیل سلولز (MHPC)

♦ هیدروکسی پروپیل سلولز (HPC)

♦ اتیل هیدروکسی اتیل سلولز (EHEC)

سلولز اترهای ترکیبی

◄ هیدروکسی اتیل سلولز اصلاح شده هیدروفوب(HMHEC)  

◄ اتیل هیدروکسی سلولز اصلاح شده هیدروفوب (HMEHEC)

جدول 3 لیستی از کمپانی های مهم و محصولات آنها را می دهد.

تولید کننده های مختلف مدارک مختلفی به پیوست محصولات خود می دهند که این اطلاعات از تولید کننده ای به تولید کننده ی دیگر متفاوت است و اطلاعات مختلفی مثل اسم، ساختار شیمیایی، محدوده ی ویسکوزیته و همچنین فرمولاسیون اولیه دارند که با مراجعه به مراجع می توانید اطلاعات بهتری پیدا کنید.

غلظت دهنده های سلولزی