Всплывание и расслоение цвета (Flooding и Floating) в водно-дисперсионных красках и решения с использованием диспергаторов
В лакокрасочной промышленности наблюдается стремительный переход на водно-дисперсионные системы, обусловленный в первую очередь экологическими нормативами и целями устойчивого развития. Несмотря на то, что водно-дисперсионные краски отличаются низким содержанием ЛОС (летучих органических соединений) и экологичностью, на этапе рецептуры они обладают гораздо более сложной физико-химической динамикой по сравнению с органорастворимыми системами. Одним из наиболее критических следствий этой динамики являются дефекты цветового расслоения, возникающие особенно в системах с одновременным использованием нескольких пигментов (например, комбинаций диоксида титана с органическими цветными пигментами). Данные проблемы, обозначаемые в литературе как Flooding (флудинг) и Floating (флоатинг), представляют собой основные дефекты, которые полностью нивелируют эстетическую ценность краски, приводят к несоответствию цвета и претензиям со стороны потребителей. В данной технической статье мы рассмотрим термодинамические и кинетические причины проблем цветового расслоения при экспертной поддержке компании Ekvator Kimya и подробно опишем критическую роль правильных смачивающих и диспергирующих агентов в обеспечении стабильности системы.
Что такое всплывание цвета (Flooding) и цветовое расслоение (Floating)?
Хотя в промышленности эти термины часто используются взаимозаменяемо, flooding и floating на самом деле представляют собой два разных дефекта покрытия, основанных на различных физических механизмах. Для получения правильного решения разработчикам рецептур необходимо точно диагностировать оба этих феномена.
Floating (Горизонтальное цветовое расслоение и ячейки Бенара)
Floating — это видимые глазом цветовые флуктуации или ячеистые структуры, образующиеся на поверхности в процессе сушки лакокрасочной пленки. Когда нанесенная пленка краски начинает сохнуть, испарение воды и косольвентов (при их наличии) приводит к возникновению разницы температур и плотности между нижней и верхней частями слоя пленки. Эти перепады создают микроскопические вихри (конвекционные потоки) внутри лакокрасочной пленки. Эти вихри называются ячейками Бенара. Если подвижность (мобильность) различных пигментов в рецептуре (например, белого и синего) различается, то пигмент с более легкими или мелкими частицами увлекается к краям или центру этих ячеек, образуя на поверхности пестрый, мраморовидный рисунок. Floating представляет собой цветовое расслоение, происходящее в горизонтальной плоскости.
Flooding (Вертикальное цветовое расслоение и проблема Rub-Out)
Flooding представляет собой явление вертикального расслоения различных пигментов в процессе высыхания лакокрасочной пленки. В этом случае поверхность краски выглядит однородной, пестрая структура отсутствует; однако конечный цвет на поверхности полностью отличается от цвета внутри тарной емкости или от целевого оттенка. Один пигмент концентрируется в нижних слоях пленки, тогда как другой — на поверхности. Самым точным методом определения проблемы flooding является проведение теста Rub-Out (растирание пальцем). Вскоре после нанесения краски на поверхность (пока пленка еще не высохла) определенный участок слегка растирается пальцем круговыми движениями. Если между растеренной и нерастеренной зонами возникает заметная разница цветового тона (Delta E), это означает наличие в системе сильной флокуляции и проблемы flooding. Сила трения механически перераспределяет слабофлокулированные пигменты, позволяя проявиться истинному цвету.
Физико-химические причины, лежащие в основе дефектов цвета
Гомогенное и стабильное взвешенное состояние пигментов в лакокрасочных системах является термодинамически сложной задачей. Твердые частицы пигмента склонны к объединению (агломерации или флокуляции) с целью снижения свободной энергии системы. Основные причины дефектов цвета можно перечислить следующим образом:
1. Флокуляция пигментов
Поверхностная энергия и полярность различных пигментов различаются. В частности, когда диоксид титана (неорганический пигмент с высокой плотностью и полярной поверхностью) и такие пигменты, как фталоцианиновый синий или технический углерод (органические пигменты с низкой плотностью и неполярной поверхностью), используются в одной рецептуре без стабилизации подходящими диспергаторами, они образуют слабые связи между собой или друг с другом, подвергаясь флокуляции. Эффективный диаметр частиц флокулированных пигментов увеличивается, что драматически снижает их способность рассеивать свет (light scattering) и красящую способность (tinting strength). В тесте Rub-Out эти флокулы разрушаются при растирании, в результате чего цвет внезапно становится темнее или насыщеннее.
2. Различия в мобильности и плотности пигментов
Согласно закону Стокса, скорость осаждения или движения частицы в жидкости прямо пропорциональна квадрату радиуса частицы и разности плотностей между частицей и жидкостью, и обратно пропорциональна вязкости жидкости. Неорганический пигменты обычно имеют крупные частицы и большой вес (удельный вес диоксида титана составляет ~4,0 г/cm³). Органические пигменты имеют гораздо более мелкие частицы и меньший вес (их удельный вес составляет ~1,5 г/cm³). В конвекционных потоках при сушке эти различия в физических свойствах приводят к тому, что пигменты движутся с разной скоростью и, как следствие, расслаиваются.
3. Реологические несоответствия
Реология лакокрасочной системы напрямую влияет на движение пигментов в процессе сушки. Если краска имеет слишком низкую вязкость или время сушки слишком велико, создаются достаточные условия и время для расслоения пигментов. В этот момент ключевое значение приобретает использование правильных загустителей и реологический контроль. Тем не менее, реологические добавки не могут решить проблему всплывания цвета самостоятельно, они лишь кинетически замедляют процесс. Истинное решение заключается в диспергаторах, обеспечивающих термодинамическую стабилизацию.
Критическая роль смачивающих и диспергирующих агентов
Перманентное решение проблем расслоения цвета и эффекта rub-out достигается путем безупречного управления тремя основными стадиями процесса диспергирования пигментов (смачивание, измельчение, стабилизация). Главными действующими лицами, управляющими этим процессом, являются смачивающие агенты (wetting agents) и диспергаторы.
Стадия смачивания (Wetting)
Пигменты обычно находятся в агрегированном (агломерированном) состоянии, а их поверхность покрыта воздухом и влагой. В водно-дисперсионных системах поверхностное натяжение воды достаточно велико (~72 мН/м). Тот факт, что органические пигменты обладают низкой поверхностной энергией, препятствует смачиванию поверхности пигмента водой. Смачивающие агенты (поверхностно-активные вещества) снижают поверхностное натяжение воды, позволяя жидкости заместить воздух между частицами пигмента. Без эффективного смачивания процесс механического измельчения будет неэффективным, а диспергаторы не смогут адсорбироваться на поверхности пигмента.
Стадия стабилизации: стерическое и электростатическое препятствие
После того как агломераты уменьшены до размеров первичных частиц с использованием механической энергии (диссольвера или бисерной мельницы), необходимо предотвратить их повторное соединение (флокуляцию). В этот момент в дело вступают высокоэффективные полимерные диспергаторы. Диспергаторы работают главным образом посредством двух механизмов:
- Электростатическая стабилизация: Молекулы диспергатора адсорбируются на поверхности пигмента и придают частице электрический заряд (обычно анионный). Заряженные одинаковым знаком частицы пигмента удерживаются на расстоянии друг от друга благодаря силам электростатического отталкивания (дзета-потенциал). Однако в водно-дисперсионных системах, особенно при наличии в системе растворенных солей или ионов (например, ионов кальция), электрический двойной слой (слой Гельмгольца) может подавляться, и эта стабилизация может ослабевать.
- Стерическая стабилизация: Современные высокомолекулярные (HMW) полимерные диспергаторы имеют «якорные» группы, связывающиеся с поверхностью пигмента в точках крепления, и длинные полимерные цепи, вытянутые в сторону растворителя (воды). Эти полимерные цепи физически (в виде стерического препятствия) делают невозможным сближение частиц. Наивысшая цветопередача и устойчивость к флокуляции в водно-дисперсионных красках обычно достигаются с помощью диспергаторов, обеспечивающих одновременно как электростатическую, так и стерическую стабилизацию (электростерическая стабилизация).
Выбор правильного диспергатора и стратегии рецептур
В рецептурах красок невозможно дать универсальный рецепт для решения проблем rub-out и всплывания цвета, поскольку специфическая площадь поверхности (BET), поверхностная химия и взаимодействие с пленкообразователем у каждого пигмента различны. Тем не менее, основные стратегии, которым должны следовать разработчики рецептур, заключаются в следующем:
1. Выбор диспергатора в соответствии с сродством к пигменту
Якорные группы используемого диспергатора должны быть совместимы с поверхностными характеристиками пигмента. Например, для неорганических пигментов хорошо работают диспергаторы, содержащие кислые группы (карбоновая кислота или сложные эфиры фосфорной кислоты), в то время как для органических пигментов предпочтительны полимерные диспергаторы, содержащие аминогруппы или специальные ароматические якорные группы. В системах совместного помола (co-grinding) следует выбирать диспергаторы с широкой совместимостью, способные одновременно стабилизировать различные пигменты.
2. Расчет оптимальной дозировки диспергатора
Недостаточное использование диспергатора приводит к неполному покрытию поверхности пигмента и флокуляции. Чрезмерное же его использование не только увеличивает стоимость, но и приводит к тому, что оставшиеся свободными молекулы диспергатора нарушают вязкость системы, вызывают проблемы с пенообразованием и даже провоцируют флокуляцию в результате осмотического шока. Идеальная дозировка должна рассчитываться исходя из удельной площади поверхности пигмента и подтверждаться лабораторными тестами с использованием градиента дозировок (ladder study).
3. Использование ко-диспергаторов и вспомогательных смачивающих агентов
Особенно в процессе колерования базовых красок (base paint) сложными цветными пигментными пастами (тинтометрическая система), весьма распространенным и эффективным методом является использование вспомогательных смачивающих агентов и ко-диспергаторов, которые могут быть добавлены в рецептуру на поздних этапах для повышения цветовосприятия (color acceptance) базовой краски. Эти агенты обеспечивают мгновенную интеграцию пигментов в систему и минимизируют дефект rub-out.
Усильте ваши рецептуры вместе с Ekvator Kimya
Как компания Ekvator Kimya, мы предлагаем инновационные решения для самых сложных технических задач производителей красок за счет поставок качественной продукции, превосходящей промышленные стандарты. Правильный выбор сырья имеет жизненно важное значение для преодоления таких проблем, как всплывание цвета, флокуляция, оседание или низкая интенсивность цвета, с которыми вы сталкиваетесь в своих рецептурах. Вы можете посетить нашу категорию красочное сырье, чтобы ознакомиться с нашими высокоэффективными смачивающими и диспергирующими агентами, связующими и другими добавками, и подобрать оптимальные решения для вашей системы.
Для достижения стабильного качества на ваших производственных линиях, снижения процента брака и производства красок с безупречным внешним видом пленки вы можете ознакомиться с нашим широким портфелем продукции и получить информацию о технических деталях и спецификациях.
Заключение и техническая поддержка
Дефекты всплывания цвета (flooding/floating) и rub-out в водно-дисперсионных красках являются не просто визуальной проблемой, но и наиболее наглядным свидетельством слабой внутренней стабильности рецептуры. Основными источниками этих проблем являются размер частиц пигмента, разница плотностей, градиенты поверхностного натяжения и тенденция к флокуляции. Самым надежным способом преодоления этих термодинамических дисбалансов является использование правильных технологий диспергаторов, которые прочно адсорбируются на поверхности пигмента и обеспечивают достаточный стерический/электростатический барьер.
Каждая рецептура краски уникальна и требует индивидуальных технических подходов вместо шаблонных дозировок. Наш квалифицированный технический персонал всегда готов оказать вам содействие в правильном выборе диспергатора, определении оптимальных пропорций ввода и решении проблем цветовых дефектов в лабораторных масштабах в процессе разработки рецептур. Вы можете связаться с нами для максимизации эффективности вашей продукции и получения технической поддержки.
