مقاومت و براقیت رنگ‌های اکریلیک آب‌پایه با استفاده از کامپوزیت‌های نانوسیلیکا با استفاده از روش تجربی – بخش اول

رنگ‌های اکریلیک نوین به‌طور گسترده‌ای در حوزه‌های گوناگون کاربردی (از لاک‌های براق تا رنگ‌های داخلی با مقاومت سایشی بالا) بکار می‌روند. یک ویژگی کاربردی مهم برای یک رزین مورد استفاده در رنگ‌های داخلی با غلظت حجمی پیگمنت بالا، قابلیت پیگمنت‌خوری آن است که به‌صورت «مقاومت سایشی»، «قابلیت سایش» و یا «قابلیت شستشویی» نمایان می‌شود. محققین گوناگون ویژگی‌های بنیادی فیلم‌های رنگی نانوکامپوزیتی را از لحاظ براقیت، سختی سطح و مقاومت حلالی مورد بررسی قرار دادند و آن‌ها را با رنگ‌های اکریلیک امولسیونی و همچنین رنگ‌های حاوی سیلیکا (که به‌سادگی با اختلاط امولسیون اکریلیکی با محلول‌های سیلیکایی به‌دست می‌آمدند) بدون درنظر گرفتن قابلیت مقاومت سایشیِ تر و چگونگی بهبود آن‌ها مقایسه کردند. در تحقیقی دیگر، ویژگی‌های کلوئیدی و پلیمری با ترکیب مونومری، میزان شبکه‌ای‌شدن و وزن مولکولی پلیمر، سامانه‌ی عامل فعّال‌سطحی و آغازگرها توسّط فرآیند پلیمریزاسیون تعیین شد. امّا تأثیر این ویژگی‌ها بر مقاومت سایشیِ تر مشخّص نشد. در همین حال، بررسی مقاومت سایشیِ تر متیل‌اتیل کتون (MEK) و انعطاف‌پذیری آن نشان داد که پلی‌یورتان‌های آب‌پایه‌ی تابش‌پز فرابنفش اصلاح‌شده می‌توانند هر دو ویژگی مقاومت شیمیایی خوب و انعطاف‌پذیری را از خود نشان دهند. غلظت حجمی پیگمنت با استفاده از ویژگی‌های کاربردی نظیر براقیت، مقاومت سایشی، مقاومت کششی و غیره به‌خوبی قابل‌اندازه‌گیری است. با این وجود، در مطالعات اخیر نقش کوپلیمر و نانوذرّات در مقاومت سایشیِ تر لاتکس‌های برپایه‌ی نانوسیلیکا به‌خوبی گزارش نشده است.

نانوکامپوزیت‌ها عموماً با پلیمریزاسیون مونومرهای مناسب در حضور ذرّات غیرآلی با انواع فرآیندهای سوسپانسیونی، دیسپرسیونی، امولسیونی و مینی‌امولسیونی به‌دست می‌آیند. مقاومت سایشیِ تر به‌عنوان مهم‌ترین ویژگی کاربردی برای رنگ‌های داخلی حاوی پیگمنت مورد ارزیابی قرار گرفته‌اند. سازوکار سه‌روش مستقل به‌منظور تحقیق برای مقاومت سایشیِ تر برای رنگ‌های با میزان پیگمنت بالا بکار گرفته شده و سازوکارهای سایشی برای روش‌های گوناگون سایش ارزیابی شده و به‌عنوان تابعی از غلظت حجمی پیگمنت مقایسه شده است. در این مقاله، این روش‌های استاندارد گسترش یافت و برای پوشش‌های آب‌پایه‌ی نانوکامپوزیتی مورد ارزیابی قرار گرفت. همچنین باپِلمَن (Buppelmann) یک بررسی اجمالی را مورد بحث قرار داد و روش‌های استاندارد DIN و ISO را برای مقاومت سایشیِ تر مقایسه نمود. دالیس (Dallies) روش آزمون دیگری را برای مقاومت سایشیِ تر ارزیابی کرد که برپایه‌ی تریبولوژی بود و در قابل مقایسه با آزمون‌های ISO، سریع‌تر و قابل‌اعتمادتر بود. اولویت روش تریبولوژی بر روش آزمون ISO، سهولت تهیّه‌ی نمونه‌ها و همچنین سرعت و سهولت ارزیابی داده‌ها بود. عامل‌های اصلی تأثیرگذار بر نتایج سایشِ تر، ضخامت فیلم خشک رنگ، زمان خشک‌شدن و شرایط تشکیل فیلم است. چندین مطالعه ارتباط میان ترکیب، ساختار و ویژگی‌های فیلم خشک را بررسی کرده‌اند. با این وجود، تعداد اندکی از آن‌ها فرآیندهای منجر به‌تشکیل فیلم خشک را مورد بررسی قرار داده‌اند. به‌منظور اجتناب از نقش زمان و شرایط خشک‌شدن و ضخامت فیلم رنگ، این عامل‌ها در تحقیق حاضر برای تمامی نمونه‌ها تغییر داده نشده‌است.

تأثیر عامل فعّال‌سطحی در تهیّه و استفاده‌ی آن‌ها در ساخت رزین مورد استفاده در رنگ‌های لاتکسی گسترش یافته است و مقاومت سایشی رنگ‌ها با استفاده از روش‌های سایش (که در آن‌ها از یک بُرِس ساینده که با یک نرخ ثابت به‌ابتدا و انتهای نمونه می‌رود و به‌زیرآیند نیرو وارد می‌کند) ارزیابی می‌شود. نوع عامل فعّال‌سطحی مورد استفاده به‌منظور پایدارسازی ذرّات رزین بر چسبندگی رنگ به‌زیرآیندها مؤثّر است. با این وجود، محققین دیگر، نقش کوپلیمرها و محتوای نانوسیلیکا را در این لاتکس‌ها ارزیابی نکرده‌اند. براقیت تابعی از چگونگی پخش پیگمنت در رزین و از این‌رو، چگونگی واکنش اجزای سامانه‌ی رنگ با این مادّه‌ی پخش‌شونده است. تأثیر زبری زیرآیند در براقیت فیلم رنگ توسّط بِران (Braun) و همکارانش شرح داده شده است. با این وجود، آن‌ها هیچ‌گونه کاربرد عملی در ارتباط با براقیت یا مقاومت سایشی تر با در نظر گرفتن نقش محتوای سیلیکا و کسر مولی مونومری نانوکامپوزیت را گزارش ندادند. اکثر مشکل‌ها با دیگر مطالعات در تولید لاتکس‌های نانوکامپوزیتی مربوط به‌تشکیل تَرَک‌ها بر روی سطح نمونه‌ها به‌دلیل محتوای بالای سیلیکا و ترکیب مونومری نادرست بود. در این مقاله، این مشکل‌ها با استفاده از کاهش محتوای نانوسیلیکا در امولسیون‌ها، تغییر عامل فعّال‌سطحی و تهیّه‌ی روش‌ها و همچنین استفاده از محدوده‌ی وسیعی از ترکیب مونومری و تهیّه‌ی نمونه‌های عاری از تَرَک سطحی برطرف شد. عامل‌های فعّال‌سطحی غیریونی و آنیونی گوناگون با شارژ بار الکتریکی مخالف با ذرّات سیلیکا مورد استفاده قرار گرفت. به‌نظر می‌رسد که عامل‌های فعّال‌سطحی جذب‌شده بر سطح نانوسیلیکاها سبب بهبود تمایل به‌مونومرهای آلی می‌شود. حوزه‌ی کاربردی دمای گذار شیشه‌ای (T_g) برای رنگ‌های تزئینی بین 10 تا 40 درجه‌ی سانتی‌گراد است و رنگ‌هایی با این دمای گذار شیشه‌ای استفاده و تنظیم شدند. لاتکس‌های امولسیونی نانوکامپوزیتی دارای مشخّصات مناسبی به‌عنوان رنگ‌های نوع امولسیونی هستند. نتایج مقاومت سایشیِ تر بهینه‌ی بهبودیافته و براقیّت، مربوط به‌ساختار کوپلیمر و محتوای سیلیکا در رزین است و گروه‌های تحقیقاتی دیگر این موضوع را گزارش نکرده‌اند. این نتایج می‌توانند فرمولاسیون‌های آغازین پوشش‌های اکریلیکی آب‌پایه را با بهبود ویژگی‌های آن در رنگ‌های تجاری توسعه دهند.

کارهای عملی (به‌منظور بررسی جزئیات آن، به‌اصل مقاله رجوع شود)

در تحقیق حاضر، چندین دیسپرسیون رزینی تهیّه و در ساخت رنگ اکریلیکی آب‌پایه به‌کار گرفته شد. روش‌های استاندارد DIN و ISO به‌منظور بررسی مقاومت سایشیِ تر برای مقایسه‌ی تأثیر محتوای نانوسیلیکا و ترکیب مونومری بر نتایج سایش و همچنین افزودن کارکردهای مناسب به‌لاتکس‌ها مورد استفاده قرار گرفت. براقیّت رنگ‌ها در زاویه‌های 20، 60 و 85 درجه‌ی سانتی‌گراد اندازه‌گیری شد و نتایج بهینه شناسایی شدند. مقاومت سایشیِ تر بهینه در کسر مولی 56/0 متیل‌متاکریلات و محتوای سیلیکای 90 گرمی بدست آمد و براقیت بهینه نیز در نمونه‌های عاری از نانوسیلیکا بدست آمد. همچنین تأثیر دمای گذار شیشه‌ای بر این نتایج تعریف شد.

نتایج و بحث

در این تحقیق، تشکیل امولسیون‌های نانوکامپوزیتی و مراحل افزایش اندازه و توزیع‌های اندازه در خِلال پَسابسپارش (post polymerization) مورد ارزیابی قرار گرفت. درجه‌ی دیسپرسیون ذرّات سیلیکا در آب با استفاده از لرزش فراصوت (ultrasonic) و استفاده از عامل‌های فعّال‌سطحی مناسب بهبود یافت. علاوه‌بر این، این موضوع با استفاده از دو روش آزمون متفاوت ارزیابی شد و به‌منظور یافتن مقاومت سایشیِ تر بهینه توسّط افزودن کسر مولی متیل‌متاکریلات و محتوای سیلیکا مقایسه شد. نتیجه گرفته شد که افزایش محتوای سیلیکا سبب افزایش دمای گذار شیشه‌ای کوپلیمر بیش‌تر از مقادیر تئوری پیش‌بیی‌شده گردید. مقاله‌ی حاضر، یک روش مناسب برای تهیّه‌ی دیسپرسیون‌های نانوکامپوزیتی با استفاده از ذرّات سیلیکای صنعتی و ذرّات بدست‌آمده از آن‌ها را پیشنهاد داد. بدیهی است که استفاده از نانوذرّات با خلوص صنعتی، سبب کاهش چشمگیر هزینه‌ی مواد اوّلیّه‌ی مصرفی در مقایسه با مواد و روش‌های آزمایشگاهی می‌شود. محتوای بهیه‌ی سیلیکا و کسر مولی متیل‌متاکریلات برای بالاترین میزان مقاومت سایشی تر اندازه‌گیری شد و نتایج گزارش‌شده با دو روش استاندارد مورد استفاده (DIN و ISO) کاملاً مطابقت داشت. با استفاده از این دو روش استاندارد، مقاومت سایشی تر بهینه در کسرمولی 56/0 متیل‌متاکریلات و محتوای سیلیکای 90 گرم بدست آمد و دمای گذار شیشه‌ای این نمونه‌ها مناسب برای رنگ‌های خارجی بود. این دو روش استاندارد مقاومت سایشی تر به‌صورت بالقوّه متفاوت هستند. زیرا آن‌ها بر دو نوع متفاوت از شکست تأکید دارند. با این وجود، نتایج بدست‌آمده از هر دو روش کاملاً با یک‌دیگر تطابق داشت. یک ارتباط مستقیم میان براقیت سطح پوشش و محتوای سیلیکای آن‌ها برقرار بود. به‌طوری‌که ذرّات سیلیکا سبب کاهش صافیِ سطح می‌شود و یکنواختی نوری و براقیت پوشش‌ها کاهش می‌یابد. بنابراین، براقیّت بهینه در نمونه‌های عاری از نانوسیلیکا مشاهده می‌شود. محتوای سیلیکا و کسر مولی متیل‌متاکریلات تأثیر معکوس بر دمای گذار شیشه‌ای، چسبندگی و براقیت نمونه‌ها دارد.

دو مقدار بهینه‌ی براقیت در کسر مولی متیل‌متاکریلات 4/0 و 56/0 بدست آمد. تمامی رنگ‌های تقویت‌شده با نانوسیلیکا دارای مقادیر پایین براقیت در مقایسه با لاتکس‌ها عاری از نانوسیلیکا بودند. صافی سطوح لاتکس‌ها با افزودن ذرّات نانوسیلیکا کاهش می‌یابد. با افزایش کسر مولی متیل‌متاکریلات، دمای گذار شیشه‌ای رنگ افزایش می‌یابد. امّا در این شرایط، افزایش براقیت به‌صورت نامحدود خواهد بود و تحت تأثیر اثر متقابل میان ذرّات نانوسیلیکا و کوپلیمر قرار خواهد گرفت.

کلیدواژه‌ها: رنگ‌های اکریلیک آب‌پایه، کامپوزیت‌های نانوسیلیکا، رنگ‌های اکریلیک نوین، لاک‌های براق، رنگ‌های داخلی، مقاومت سایشی، رزین، غلظت حجمی پیگمنت، قابلیت پیگمنت‌خوری، مقاومت سایشی، قابلیت سایش، قابلیت شستشویی، فیلم‌های رنگی نانوکامپوزیتی، براقیت، سختی سطح، مقاومت حلالی، رنگ‌های اکریلیک امولسیونی، رنگ‌های حاوی سیلیکا، اختلاط امولسیون اکریلیکی، محلول‌های سیلیکایی، مقاومت سایشیِ تر، ویژگی‌های کلوئیدی، ویژگی‌های پلیمری، ترکیب مونومری، میزان شبکه‌ای‌شدن، وزن مولکولی پلیمر، سامانه‌ی عامل فعّال‌سطحی، آغازگرها، فرآیند پلیمریزاسیون، متیل‌اتیل کتون (MEK)، انعطاف‌پذیری، پلی‌یورتان‌های آب‌پایه‌ی تابش‌پز فرابنفش اصلاح‌شده، مقاومت شیمیایی، مقاومت کششی، لاتکس‌های برپایه‌ی نانوسیلیکا، ذرّات غیرآلی، فرآیندهای سوسپانسیونی، فرآیندهای دیسپرسیونی، فرآیندهای امولسیونی، فرآیندهای مینی‌امولسیونی، سازوکارهای سایشی، پوشش‌های آب‌پایه‌ی نانوکامپوزیتی، تریبولوژی، ضخامت فیلم خشک رنگ، زمان خشک‌شدن، شرایط تشکیل فیلم، عامل فعّال‌سطحی، پایدارسازی ذرّات رزین، چسبندگی رنگ، کوپلیمرها، محتوای نانوسیلیکا، چگونگی پخش پیگمنت، زبری زیرآیند، کسر مولی مونومری نانوکامپوزیت، تَرَک سطحی، عامل‌های فعّال‌سطحی غیریونی و آنیونی، شارژ بار الکتریکی مخالف، مونومرهای آلی، دمای گذار شیشه‌ای، رنگ‌های تزئینی، مقاومت سایشیِ تر بهینه‌ی بهبودیافته، فرمولاسیون‌های آغازین، رنگ‌های تجاری، دیسپرسیون رزینی، متیل‌متاکریلات، توزیع اندازه‌ی ذرات، پَسابسپارش (post polymerization)، لرزش فراصوت (ultrasonic)، دیسپرسیون‌های نانوکامپوزیتی، ذرّات سیلیکای صنعتی، مواد اوّلیّه‌ی مصرفی، روش‌های آزمایشگاهی، رنگ‌های خارجی، لاتکس‌ها عاری از نانوسیلیکا، اثر متقابل میان ذرّات نانوسیلیکا و کوپلیمر.

بخوانید: چسبندگی فلزی و مقاومت خوردگی در رزین های پایه آب استایرن اکریلیک که به‌طور مستقیم بر روی سطح فلزی اعمال می‌شوند- بخش 6

مرجع

Dashtizadeh, A., Abdouss, M., Mahdavi, H., & Khorassani, M. (2012). Optimization of Wet Scrub Resistance and Glossiness of Water-Based Acrylic Paints Using Silica Nano-Composites by Experimental Method. International Journal of Polymeric Materials, 61(14), 1176-1189.