HEC в красках на водной основе: руководство по загустителям и стабилизаторам

HEC в водоэмульсионных красках является основным загустителем в лакокрасочной промышленности, обеспечивающим псевдопластичность, устойчивость к стеканию и стабилизацию пигментов, необходимые для латексных красок, за счет одного-единственного неионного полимера. В данном руководстве объясняется механизм загущения гидроксиэтилцеллюлозы, сравниваются её реологические свойства с акриловыми загустителями, а также описывается, как выбрать класс вязкости и дозировку для латексных красок внутреннего и наружного применения, которые проходят испытания на нанесение кистью, самовыравнивание и стойкость к истиранию.

Введение

Гидроксиэтилцеллюлоза (HEC) используется для загущения латексных красок с 1960-х годов и по-прежнему остается эталонным стандартом по одной простой причине: он справляется со своей задачей без побочных эффектов. В краске на водной основе HEC растворяется в водной фазе и образует трехмерную полимерную сеть, которая повышает вязкость при низком сдвиге, удерживает пигменты и наполнители во взвешенном состоянии, предотвращает оседание при хранении, предотвращает стекание с вертикальных поверхностей и придает краске плотность, благодаря чему кисть или валик наносят равномерный мокрый слой.

Гидроксиэтилцеллюлоза (HEC) в красках на водной основе ценится за свои свойства на молекулярном уровне. Полимер является неионным, поэтому на его вязкость практически не влияют ни pH, ни соли, ни поверхностно-активные вещества и диспергаторы, которые всегда присутствуют в составе латексных красок. Он загущает саму водную фазу, а не полимерные частицы латекса, что не нарушает химический процесс образования пленки. Это делает HEC самым универсальным из доступных загустителей: он подходит для акриловых, стирол-акриловых, винил-акриловых и чисто акриловых связующих веществ, а также для матовых, с эффектом «яичной скорлупы», сатиновых и полуглянцевых красок.

Компания TENESSY Chemical производит HEC из высококачественной щелочной целлюлозы, полученной из хлопка, на технологическом оборудовании немецкого производства. Вязкость наших марок, предназначенных для строительства и нанесения покрытий, колеблется от 15 000 до 100 000 мПа·с (раствор 2%, Brookfield, 20 °C), а вкрай низковязкие растворы для лакокрасочных работ имеют вязкость до 5 000–6 000 мПа·с. Поскольку вязкость готовой краски является важнейшим параметром контроля качества на предприятии по производству лакокрасочных материалов, мы строго контролируем вязкость продукта (как правило, с погрешностью ±10%) и предоставляем технические данные по реологии, влажности и зольности, чтобы разработчики рецептур могли воспроизводить заданные значения по шкалам Стормера и Брукфилда из партии в партию.

Как происходит загустение HEC: механизм и реология

Механизм загущения

Когда Гидроксиэтилцеллюлоза (HEC) Когда порошок гидратируется в воде, полимерные цепи расширяются и занимают большой гидродинамический объём. Цепи образуют водородные связи с молекулами воды и, благодаря своей длине и гибкости, переплетаются друг с другом. В состоянии покоя эти переплетения образуют гелеобразную сеть с высокой кажущейся вязкостью. Механизм действия является чисто гидродинамическим — без реакции с частицами латекса, без влияния pH и без взаимодействия с мицеллами поверхностно-активных веществ. Именно поэтому HEC называют “загустителем водной фазы” в отличие от ассоциативных загустителей, которые присоединяются к поверхностям латекса и пигментов.

Практическим следствием этого является предсказуемое поведение. Поскольку сеть носит физический, а не химический характер, HEC придает краскам ярко выраженную псевдопластическую (сдвигоразжижающуюся) реологию. Под воздействием высокого сдвига при нанесении кистью или валиком (10 000–40 000 с⁻¹) переплетения разрываются, и вязкость падает до низкого значения, благодаря чему краска легко растекается. Когда сдвиг прекращается, сеть восстанавливается, вязкость возвращается к прежнему значению, и влажная пленка не провисает и не стекает. Время восстановления составляет от десятков миллисекунд до нескольких секунд, в зависимости от молекулярной массы.

Псевдопластичность и кривая вязкости

Типичная краска, загущенная HEC, демонстрирует падение вязкости примерно на три–четыре десятикратных порядка при переходе от низкого сдвига (0,1 с⁻¹) к высокому сдвигу (10 000 с⁻¹). Точная форма кривой зависит от молекулярной массы:

• HEC с низкой молекулярной массой (например, марки с вязкостью 15 000–30 000 мПа·с): более короткие цепи, менее плотная сеть, более ньютоновское поведение, лучшее выравнивание, меньшая устойчивость к провисанию, требуется более высокая дозировка.
• HEC с высокой молекулярной массой (например, марки с вязкостью 50 000–100 000 мПа·с): длинные цепи, сильное переплетение, выраженное сдвиговое разжижение, превосходная устойчивость к стеканию и плотность, однако более сильное сопротивление при нанесении кистью и меньшая способность к выравниванию.

Разработчик рецептуры уравновешивает эти показатели путем смешивания различных марок или корректировки дозировки. Типичная матовая краска для внутренних работ содержит 0,25–0,45% HEC (от общей массы краски в состоянии поставки); в краске для наружных работ с высокой долей наполнителя может использоваться 0,30–0,50%. Целевыми показателями обычно являются вязкость по шкале Стормера (KU) в диапазоне 90–110 KU и показатель по шкале Брукфилда (LVF, 60 об/мин) в диапазоне 1 000–2 500 мПа·с, в зависимости от типа краски и метода нанесения.

HEC и акриловые (ассоциативные) загустители

Акриловые загустители — как щелочно-набухающие эмульсии (ASE), так и гидрофобно-модифицированные щелочно-набухающие эмульсии (HASE) — загущаются совершенно по-разному. Частицы ASE при нейтрализации набухают, увеличивая объем дисперсии. HASE образуют гидрофобные ассоциации, которые связывают частицы между собой. Сравнение с HEC:

Основной компромисс: HEC обеспечивает прочную структуру при низких значениях сдвига (стойкость к стеканию, суспензия пигмента) при слабой структуре при средних значениях сдвига; HASE обеспечивает более ровную реологию с лучшей реакцией при высоких значениях сдвига (при нанесении кистью), но требует точного контроля pH и обеспечивает меньшую стойкость к стеканию. Во многих коммерческих красках используются оба компонента — HEC для придания структуры и предотвращения оседания, а HASE или небольшое количество HEUR — для выравнивания и обеспечения устойчивости к разбрызгиванию. Такая гибридная формула является передовой практикой, которую мы рекомендуем производителям красок, сталкивающимся с проблемами выравнивания или сопротивления кисти.

HEC в красках для внутренних и наружных стен

Интерьерные краски

Эмульсионные краски для внутренних работ — это краски на водной основе, разработанные для быстрого нанесения, простоты очистки и обеспечения однородного внешнего вида на больших участках стен. Технология HEC обеспечивает три измеримых свойства:

• Суспензия пигмента и наполнителя. Краска с содержанием пигмента 30–45% и наполнителей в виде твердых частиц будет сильно оседать, если вязкость при низком сдвиге слишком низкая. HEC создает предел текучести, который удерживает TiO₂, карбонат кальция и тальк во взвешенном состоянии в течение нескольких месяцев. Предел текучести также предотвращает синерезис — образование слоя воды, который в противном случае скапливается на поверхности банки.
• Регулировка провисания. При расходе 7–10 м²/л толщина мокрой пленки матовой краски для внутренних работ составляет примерно 100–150 мкм. Без достаточной структуры, устойчивой к низкому сдвигу, пленка растекается и провисает в течение нескольких минут. Дозировка HEC обычно подбирается таким образом, чтобы краска прошла испытание на стекание (стекающий стержень Ленета, клин 75–250 мкм) без образования стеканий выше заданной толщины мокрого слоя.
• Впечатления от использования приложения. “Консистенция” краски при нанесении кистью и валиком — то сопротивление, которое ощущает маляр — в значительной степени определяется вязкостью в диапазоне средних скоростей сдвига (1–100 с⁻¹). Технология HEC обеспечивает ту консистенцию, которую маляры описывают как “маслянистую”, а также снижает образование тумана и брызг при нанесении валиком благодаря когезионным свойствам пленки.

Одно предупреждение относительно краски для внутренних работ: HEC чувствителен к воздействию воды, а остатки водорастворимого полимера в сухой пленке снижают стойкость к влажной очистке при превышении дозировки. Стандартным решением является поддержание содержания HEC на минимальном уровне, при котором соблюдаются технические требования к стекаемости и оседанию, а также разработка рецептуры с испытанием на стойкость к истиранию (ASTM D2486, ISO 11998) в качестве заключительного контрольного этапа. При содержании HEC 0,25–0,40% качественная стирол-акриловая или акриловая матовая краска по-прежнему выдерживает 300–500 циклов очистки до разрушения, что значительно превышает порог “моющейся” краски.

Краски для наружных работ

Краски для наружной кладки и фасадов подвергаются воздействию ультрафиолета, дождя, термических циклов и щелочности, исходящей от свежей цементной штукатурки. Гидроксиэтилцеллюлоза (HEC) здесь используется с тремя изменениями:

• Более высокая дозировка HEC (0,30–0,501 TP3T) для обеспечения образования плотной и равномерной влажной пленки на шероховатых пористых основаниях, таких как штукатурка и бетонные блоки. Сеть в водной фазе также замедляет проникновение воды во влажную пленку, улучшая покрытие на впитывающих поверхностях.
• Совместимость фунгицидов и средств против плесени. Благодаря своей неионной природе HEC не вызывает потери эффективности консервантов пленки и не образует комплексов с соединениями цинка или меди, используемыми в составах для наружных работ.
• Технологии обеспечения водонепроницаемости. Поскольку фасадные пленки должны служить долгие годы, содержание водорастворимых компонентов в высохшей пленке имеет большое значение. Ведущие производители фасадных красок решают эту проблему путем замены части HEC на систему совместных загустителей (см. ниже), при этом доля полимеров в водной фазе не превышает 0,3–0,41 TP3T от общего количества.

Гибридный подход: HEC + ассоциативный загуститель

Самым полезным усовершенствованием для разработчика лакокрасочных составов, использующих HEC, является его смешивание с гидрофобно-модифицированным ассоциативным загустителем. Типичная исходная система:

Сайт Гидроксиэтилцеллюлоза (HEC) обеспечивает стабильность при хранении, устойчивость к стеканию и предотвращает оседание; ассоциативный загуститель восстанавливает вязкость при средних и высоких скоростях сдвига, улучшая тягу кисти, распределение краски валиком и выравнивание. Данная комбинация является стандартным в отрасли способом получения краски, которая одновременно проходит испытание на стекание и испытание на выравнивание (испытание на выравнивание по методу Ленеты, ASTM D4062) — чего HEC в одиночку с трудом удаётся достичь при высоких наполнительных нагрузках.

Рекомендуемые классы вязкости и дозировка

Правила отбора:

• Более высокое содержание пигмента/наполнителя (свыше 35% твердого вещества) → более высокая дозировка; следует поддерживать умеренную молекулярную массу, чтобы избежать чрезмерного загустения и появления гелевых полос.
• Более высокое содержание TiO₂ (лучшая кроющая способность, более высокая стоимость) → требуется меньшее количество HEC, поскольку TiO₂ само по себе придает густоту; необходимо обеспечить его хорошую дисперсию.
• Нанесение распылением → следует использовать краски с более низкой вязкостью и уменьшить дозировку, чтобы краска оставалась распыляемой.
• Только машинная нанесение кистью/валиком → подойдут марки средней вязкости; для нанесения кельмой или создания фактурной поверхности требуются марки с высокой вязкостью.

Всегда измеряйте вязкость после полного гидратирования (для HEC требуется 20–60 минут перемешивания или времени отстаивания; для быстрого гидратирования в производственных условиях можно использовать марки с обработанной поверхностью, обеспечивающие быстрое диспергирование). Затем проверьте результаты с помощью испытаний на провисание, выравнивание и очистку, поскольку показатели KU и Брукфилда не позволяют в полной мере предсказать поведение влажной пленки.

Как выбрать HEC для вашей краски и проверить её характеристики

Выбор следует начинать с типа краски и требований к контролю качества, а не с технического паспорта. Действуйте в следующей последовательности:

1. Определите цели. Серия Stormer KU, вязкость по Брукфилду, значение провисания, саморазлив (ASTM D4062) и стойкость к истиранию (ASTM D2486 или ISO 11998) для того сорта краски, который вы изготавливаете.
2. Выберите класс HEC. Возьмите приведенную выше таблицу за отправную точку. Если причиной неисправности является оседание или провисание, сначала увеличьте молекулярную массу (для усиления переплетения), а затем — дозировку. Если причиной неисправности является выравнивание или сопротивление щетки, уменьшите молекулярную массу или добавьте ассоциативный созагуститель.
3. Обеспечьте оптимальное увлажнение. В процессе производства добавляйте HEC в измельченный материал или разбавленную смесь при перемешивании; марки с поверхностной обработкой (полугранулированные, быстро смачивающиеся) диспергируются за 5–10 минут и устраняют “рыбьи глазки”. Нерастворенный HEC является наиболее распространённой причиной жалоб на «песок» и гелевые полосы — проверьте разбавленную смесь с помощью щупа Хегмана.
4. Запустить полный набор тестов контроля качества, включая стабильность при хранении (4 недели при 50 °C) и циклы замораживания-оттаивания, если краска будет поставляться в холодные регионы. HEC не защищает эмульсию от повреждений при замерзании, но его сеть обеспечивает однородность краски после оттаивания.
5. Проверьте совместимость со всем пакетом — красители, пеногасители, коалесценты и биоциды. Неионогенный HEC совместим со всеми стандартными добавками для красок; единственной типичной ошибкой является добавление катионных биоцидов или смачивающих веществ, которые могут вызывать флокуляцию анионного латекса, что является проблемой самого латекса, а не HEC.

Компания TENESSY поставляет HEC с вязкостью 15 000–100 000 мПа·с и различными вариантами поверхностной обработки, а также предоставляет полные технические паспорта и услуги по анализу рецептур. Мы предлагаем бесплатные образцы весом 500–3000 г — этого достаточно для изготовления и испытания 500–1000 кг краски при типичной дозировке — а наша команда по исследованиям и разработкам порекомендует марку продукта и начальную дозировку для вашей конкретной рецептуры.

ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ

Вопрос 1: Как HEC загущает краску на водной основе?

A: Цепочки HEC растворяются в водной фазе и физически переплетаются, образуя сеть, которая повышает вязкость при низких сдвиговых нагрузках — это чисто гидродинамический механизм. Под действием сдвига переплетения разрываются (краска разжижается и растекается); в состоянии покоя они восстанавливаются (краска не стекает и не оседает). Поскольку полимер является неионным, этот механизм не зависит от pH и содержания солей, что обеспечивает стабильность вязкости HEC во всем диапазоне составов красок.

Вопрос 2: Какова типичная дозировка HEC в латексной краске?

A: Для большинства латексных красок для внутренних и наружных работ рабочий диапазон составляет 0,25–0,50% HEC от общей массы краски. Для матовых красок для внутренних работ с содержанием твердых веществ 30–35% обычно требуется 0,25–0,40%; для сильно наполненных красок для наружной отделки кирпичной кладки — 0,30–0,50%; для текстурных покрытий — 0,40–0,60%. Точное количество определяется заданной вязкостью по методу Стормера (обычно 90–110 KU) и подтверждается испытаниями на стекание, оседание и стойкость к истиранию.

Вопрос 3: Является ли HEC лучшим загустителем для красок, чем акриловые загустители?

A: Они выполняют разные функции. HEC не имеет себе равных в обеспечении структуры при низких значениях сдвига — устойчивости к стеканию, суспендировании пигментов, предотвращении осаждения — и нечувствителен к pH и соли. Акриловые (HASE/ASE) загустители обеспечивают вязкость при среднем и высоком сдвиге, что улучшает ощущения при нанесении кистью и выравнивание, но требуют контроля pH и обеспечивают менее эффективную защиту от стекания. Лучшая практика в современном производстве красок заключается в совместном использовании HEC и небольшого количества HASE или HEUR, что позволяет сочетать структуру с выравниванием.

Вопрос 4: Влияет ли HEC на стойкость лакокрасочной пленки к истиранию?

A: HEC сохраняется в сухой пленке в виде водорастворимого полимера, поэтому его избыточное добавление может привести к размягчению пленки и снижению стойкости к влажной очистке. На практике поддержание дозировки HEC на минимальном уровне, при котором соблюдаются требования к стекаемости и оседанию (обычно ≤ 0,45%), позволяет сохранить стойкость к истиранию: качественные акриловые краски при такой дозировке по-прежнему выдерживают 300–500 и более циклов влажного истирания в соответствии со стандартом ASTM D2486. Для обеспечения максимальной стойкости к истиранию заменить часть HEC ассоциативным созагустителем.

Вопрос 5: Почему в моей краске, загущенной HEC, полно комочков или песка?

A: Это почти всегда связано с нерастворившимся порошком, а не с качеством продукта. HEC необходимо медленно всыпать в тщательно перемешанную воду (или разбавленный раствор), чтобы каждая частица гидратировалась отдельно; для стандартных марок требуется 20–60 минут перемешивания. Если требуется быстрая гидратация в производственных условиях, используйте марку HEC с поверхностной обработкой и быстрой диспергируемостью, которая смачивается за секунды и полностью гидратируется за 5–10 минут. Всегда проверяйте полное растворение с помощью измерителя Хегмана или контроля вязкости фильтрата.

Заключение

HEC в красках на водной основе обеспечивает три качества, в отношении которых производитель красок не может идти на компромисс: стабильность при хранении без осаждения, нанесение на вертикальные поверхности без стекания и воспроизводимую вязкость от партии к партии. Его неионогенный механизм загущения в водной фазе совместим со всеми основными латексными связующими и стандартными добавками для красок, а его псевдопластические текучестные характеристики идеально подходят для нанесения кистью, валиком или распылителем. С диапазоном вязкости от 15 000 до 100 000 мПа·с и дозировкой 0,25–0,50%, HEC подходит для матовых красок для внутренних работ, фасадных красок для кирпичной кладки, грунтовок и текстурных покрытий — и идеально смешивается с ассоциативными загустителями, когда требуется усилить выравнивающие свойства.

Компания TENESSY Chemical является ведущим китайским производителем HEC, обслуживающим более 10 000 клиентов в более чем 40 странах; производство осуществляется на немецком оборудовании с тщательным контролем вязкости. Закажите бесплатный образец весом 500–3000 г, рекомендацию по выбору марки или анализ рецептуры у нашей команды по исследованиям и разработкам в области лакокрасочных материалов — срок изготовления составляет всего 7–14 дней.

Рекомендуемые товары: ГЭК (гидроксиэтилцеллюлоза) Рекомендуемые материалы: HEC против HPMC: выбор подходящего эфира целлюлозы для покрытий | HPMC для моющих средств: загуститель и суспендирующий агент в бытовой химии | CMC (карбоксиметилцеллюлоза): Руководство по промышленному применению