Fattori che influenzano l'efficienza di essiccazione delle vernici poliuretaniche a base acquosa

Le vernici poliuretaniche a base acquosa (WPU) stanno gradualmente sostituendo le tradizionali vernici a base di solventi a causa delle preoccupazioni ambientali. A differenza delle vernici a base di solventi organici, le vernici a base acquosa utilizzano l'acqua come agente disperdente e diluente. Tuttavia, a causa della volatilità significativamente inferiore dell'acqua rispetto ai solventi organici, l'essiccazione delle vernici all'acqua richiede il riscaldamento durante la produzione industriale. Solo alcuni impianti di grandi dimensioni che non sono in grado di essiccare a caldo o produttori con requisiti di efficienza produttiva inferiori optano per l'essiccazione ad aria naturale. Quali sono i fattori intrinseci che influenzano l'efficienza di essiccazione delle vernici poliuretaniche a base acquosa? Oggi approfondiremo questo argomento concentrandoci sul poliuretano a base acquosa.

Il poliuretano a base acquosa, noto anche come poliuretano idrodispersibile o poliuretano a base acquosa, sostituisce i solventi organici con l'acqua come mezzo disperdente. Offre vantaggi quali atossicità, sicurezza, eccellenti proprietà meccaniche, buona compatibilità e facilità di modifica. Il poliuretano (PU) è un composto polimerico contenente legami uretanici nella sua catena principale. Il poliuretano a base acquosa (WPU) si riferisce alle emulsioni di PU disciolte o disperse in acqua. Grazie alla sua natura acquosa, il WPU è atossico, non infiammabile e rispettoso dell'ambiente, il che lo rende adatto ad applicazioni nei settori tessile, della pelle, della carta, della gomma, dell'automobile e dell'arredamento per scopi decorativi e protettivi. Ha gradualmente sostituito le vernici PU a base di solventi.

Nelle vernici poliuretaniche a base acquosa, le molecole d'acqua esistono in tre forme: acqua libera, acqua legata e acqua gel. Rispetto alle vernici PU a base di solventi, il processo di essiccazione WPU è caratterizzato da un punto di temperatura iniziale più elevato per l'evaporazione dell'acqua. In ambienti con una certa umidità, la pressione del vapore dell'acqua all'interno del film di vernice deve superare la pressione del vapore ambientale perché si verifichi l'evaporazione. Queste caratteristiche contribuiscono a rallentare i tassi di essiccazione delle vernici poliuretaniche a base acquosa rispetto alle controparti a base di solvente, il che ha in parte ostacolato la loro più ampia adozione. Pertanto, il miglioramento del tasso di essiccazione delle vernici a base acquosa è essenziale per l'espansione del mercato e richiede ulteriori ricerche.

1. Effetto del contenuto solido: Il contenuto di acqua libera è strettamente correlato al contenuto solido. Un contenuto solido più elevato nell'emulsione riduce il contenuto di acqua libera, accorciando così il tempo di evaporazione e migliorando il tasso di essiccazione delle WPU. Gli studi hanno dimostrato che i tassi di essiccazione delle WPU possono eguagliare quelli dei PU convenzionali a base di solventi quando il contenuto solido supera i 50% e il riscaldamento con elementi riscaldanti in fibra di carbonio porta la temperatura ambiente a 40°C-60°C. Il controllo del contenuto solido attraverso la formulazione della vernice è fondamentale nella produzione.
2. Impatto del contenuto di gruppi idrofili: Per migliorare la dispersione del WPU, spesso vengono introdotti gruppi ionici idrofili nella catena molecolare del PU. Tuttavia, l'aumento del contenuto di gruppi idrofili complica l'essiccazione e riduce i tassi di essiccazione. L'acqua legata che si forma attraverso il legame idrogeno e le forze intermolecolari con i gruppi idrofili del PU evapora a una velocità molto inferiore rispetto all'acqua libera. Pertanto, un contenuto più elevato di gruppi idrofili determina un aumento dell'acqua legata nell'emulsione, ostacolandone l'evaporazione. Per garantire la stabilità dell'emulsione, è importante ridurre al minimo i gruppi idrofili.
3. Influenza del contenuto del segmento duro: L'aumento del contenuto di segmenti duri accelera i tassi di essiccazione migliorando la compatibilità tra segmenti morbidi e duri, facilitando lo spostamento delle molecole d'acqua durante il movimento della catena molecolare. Tuttavia, un contenuto eccessivo di segmenti duri (circa 46%) può portare alla formazione di una pelle superficiale durante l'essiccazione, creando una barriera che rallenta l'evaporazione dell'umidità e può causare difetti come la buccia d'arancia o una scarsa adesione.
4. Effetto del grado di neutralizzazione: I gruppi dell'acido carbossilico presentano una debole idrofilia, mentre gli anioni dell'acido carbossilico formati attraverso la neutralizzazione possiedono una maggiore idrofilia. Un grado di neutralizzazione più elevato aumenta l'idrofilia delle catene molecolari, incrementando il contenuto di acqua legata e quindi influenzando i tassi di essiccazione delle WPU. Inoltre, un grado di neutralizzazione più elevato aumenta la viscosità della vernice, favorendo la formazione di una pelle superficiale e ostacolando l'evaporazione dell'umidità interna, incidendo così sulla velocità di essiccazione e sulla qualità del prodotto.
5. Influenza del substrato sulla formazione del film: Le proprietà superficiali dei substrati influenzano in modo significativo le forze intermolecolari tra le molecole d'acqua, influenzando così i tassi di essiccazione della vernice. Ad esempio, la vernice WPU si asciuga più rapidamente se applicata su substrati di vetro rispetto ai pannelli compositi, a causa delle differenze nella tensione superficiale e nell'interazione tra emulsione e substrato. I substrati con una tensione superficiale più bassa, come il legno, presentano un'interazione più forte con l'acqua, rendendo più difficile l'evaporazione dell'umidità.

Dopo aver esplorato i fattori intrinseci che influenzano l'efficienza di essiccazione delle vernici poliuretaniche a base acquosa, è evidente che l'ottimizzazione di questi fattori attraverso la modifica della formulazione della vernice è fondamentale per ottenere un'elevata efficienza produttiva e la redditività economica di queste vernici innovative. Le prossime discussioni riguarderanno i fattori esterni che influenzano i tassi di essiccazione delle vernici poliuretaniche a base acquosa.

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