عملکردهای اصلی یک پوشش، محافظت و تزئین است و کیفیت زیباییشناختی آن با سطحی صاف و بدون نقص تعریف میشود. اغلب یکنواختی سطح به عنوان شاخص اصلی کیفیت برای کاربر نهایی عمل میکند، به ویژه در بازارهای با ارزش بالا مانند صنعت خودرو. همترازی (Leveling) بهینه نه تنها ظاهر را بهبود میبخشد، بلکه میتواند کاربرد لایههای نازکتر و کارآمدتر را نیز ممکن سازد که منجر به صرفهجویی در مواد میشود. بنابراین، توانایی یک پوشش برای جاری شدن و از بین بردن نواقص سطحی پس از اعمال، یک ویژگی عملکردی کلیدی است.
هدف اصلی این مقاله، بررسی تخصصی عوامل همتراز کننده (Leveling Agents) به عنوان افزودنیهای کلیدی برای دستیابی به یک سطح صاف، یکنواخت و بینقص است.
عامل همتراز کننده چیست و چگونه از بروز عیوب سطحی جلوگیری میکند؟
پس از اعمال رنگ، یک عامل همتراز کننده (Leveling Agents) با قرار گرفتن در دو سطح مشترک کلیدی، عملکرد خود را آغاز میکند:
- سطح مشترک پوشش/زیرآیند (Liquid/Solid): جایی که رنگ با سطح در تماس است.
- سطح مشترک پوشش/هوا (Liquid/Air): سطح نهایی فیلم رنگ.
مشکلات رایج سطح پوشش عمدتاً به دلیل گرادیان (اختلاف) کشش سطحی در فیلم رنگِ در حال خشک شدن رخ میدهند. در ادامه به مهمترین دلایل بروز این عیوب میپردازیم.
- ترشوندگی ضعیف زیرآیند: اگر کشش سطحی رنگ مایع بالاتر از کشش سطحی بحرانی بستر باشد، رنگ نمیتواند به خوبی روی سطح پخش شود و عیوبی مانند چشم ماهی (Fish Eyes) و حفرههای انقباضی شکل میگیرد.
- گردابهای بنارد (Benard Cells): تبخیر حلال باعث ایجاد اختلاف دما، چگالی و کشش سطحی بین لایه رویی و داخلی رنگ میشود. این اختلاف، حرکتی آشفته و گردابی در فیلم رنگ ایجاد میکند که نتیجه آن عیب پوست پرتقالی (Orange Peel) است. در رنگهای چند-پیگمنتی، این پدیده میتواند باعث شناوری رنگدانه (Floating) و در سطوح عمودی باعث رگههای ابریشمی (Silking) شود.
- ذرات نامحلول: تشکیل ذرات کلوئیدی نامحلول در حین خشک شدن (مثلاً در سیستمهای پخت شبکهای با چند رزین)، گرادیان کشش سطحی ایجاد کرده و منجر به حفره میشود.
- آلایندههای خارجی: روغن، گرد و غبار، غبار رنگ یا آلودگی ابزارها، از دلایل اصلی ایجاد چشم ماهی و حفره هستند.
- خواص ذاتی رنگ: ویسکوزیته بیش از حد بالا یا زمان خشک شدن بسیار کوتاه، مانع از جریان یافتن و همتراز شدن مناسب رنگ میشود.
عامل همتراز کننده (Leveling Agents) با کنترل و یکنواختسازی کشش سطحی در کل فیلم رنگ، این نیروهای مخرب را مدیریت کرده و به پوشش اجازه میدهد تا قبل از خشک شدن کامل، به سطحی صاف و آینهای برسد.
نکته کلیدی: کیفیت یک عامل همتراز کننده(Leveling Agents) به توانایی آن در ایجاد کشش سطحی یکنواخت بستگی دارد، نه لزوماً کاهش شدید آن. یکنواختی کلید موفقیت است.
دستهبندی انواع عوامل همتراز کننده
مبتنی بر سیلیکون (پلیسیلوکسانها)
- شیمی هسته:
- ستون فقرات این افزودنیها پلیدیمتیلسیلوکسان n(PDMS) است؛ پلیمری با کشش سطحی فوقالعاده پایین و انعطافپذیری زنجیرهای بالا. PDMS خالص اغلب به دلیل ناسازگاری بیش از حد، منجر به ایجاد نقص میشود.
- نقش اصلاحات: برای بهبود سازگاری و تنظیم عملکرد، ستون فقرات PDMS با زنجیرههای جانبی آلی اصلاح میشود.
- اصلاح با پلیاتر (PEO/PO): رایجترین نوع است که با ایجاد خاصیت آمفیفیلیک، سیلوکسان آبگریز را با زنجیرههای اتر آبدوست متعادل میکند. نسبت اکسید اتیلن (EO) به اکسید پروپیلن (PO) حلالیت را در سیستمهای آبپایه در مقابل حلالپایه کنترل میکند. این اصلاح سازگاری را بهبود میبخشد اما میتواند پایداری حرارتی را کاهش داده و پایداری کف را افزایش دهد.
- اصلاح با پلیاستر: پایداری حرارتی را افزایش میدهد و آنها را برای سیستمهای پخت در دمای بالا که پلیاترها در آن تخریب میشوند، مناسب میسازد.
- اصلاح با آرالکیل/فنیل: سازگاری با رزینهای آروماتیک را افزایش داده و مقاومت حرارتی را بهبود میبخشد.
- مکانیسم عملکرد: افزودنیهای سیلیکونی بسیار فعال سطحی هستند و به سرعت به فصل مشترک مایع-هوا مهاجرت میکنند. آنها یک لایه سطحی یکنواخت با انرژی پایین تشکیل میدهند که کشش سطحی کلی پوشش را به شدت کاهش میدهد (معمولاً به محدوده 20-25 mN/m). این کاهش قدرتمند بر گرادیانهای موضعی غلبه کرده، از ایجاد حفره و سلولهای بنارد (Bénard cells) جلوگیری میکند و ترشوندگی عالی بستر و لغزندگی سطح را فراهم میآورد.
مبتنی بر آکریلات (پلیآکریلاتها)
- شیمی هسته: کوپلیمرهای استرهای اکریلیک اسید، مانند پلی(بوتیل آکریلات) یا پلی(2-اتیلهگزیل آکریلات). عملکرد به شدت به وزن مولکولی (MW) و معماری پلیمر وابسته است.
- تأثیر وزن مولکولی:
- MW پایین: سازگاری بهتر، ریسک کمتر ایجاد مه (haze)، اما ممکن است سختی فیلم را کاهش دهد.
- MW بالا: در همترازی و خروج هوا مؤثرتر است، اما ریسک بالاتری از ناسازگاری، مه و کاهش براقیت دارد.
- مکانیسم عملکرد: برخلاف سیلیکونها، پلیآکریلاتها تأثیر حداقلی بر کشش سطحی کلی پوشش دارند. آنها دارای یک ناسازگاری کنترلشده و محدود با سیستم بایندر هستند. این افزودنیها به شدت به سطح مهاجرت نمیکنند، بلکه در سراسر فیلم جهتگیری کرده تا تفاوتهای کشش سطحی موضعی (گرادیانها) ناشی از تبخیر حلال یا عوامل دیگر را هماهنگ سازند. این امر از تلاطمهای میکرو جلوگیری کرده و به فیلم اجازه میدهد تا به آرامی همتراز شود.
مبتنی بر فلوئوروکربن
- شیمی هسته: سورفکتانتهای فلوئورینه اصلاحشده، که اغلب زنجیرههای پرفلوئوروآلکیل به ستون فقرات پلیمری دیگری (مانند پلیآکریلاتهای اصلاحشده با فلوئوروکربن) متصل شدهاند. فلوئوروکربنهای خالص بیش از حد قوی هستند و میتوانند باعث ایجاد نقص شوند.
- مکانیسم عملکرد: این افزودنیها قویترین عوامل کاهشدهنده کشش سطحی موجود هستند و قادرند کشش سطحی پوشش را به محدوده 15-20 mN/m کاهش دهند. مکانیسم آنها شبیه به سیلیکونها است—مهاجرت به سطح برای تشکیل یک لایه با انرژی بسیار پایین—اما با کارایی بیشتر. این ویژگی آنها را برای تر کردن بسترهای با انرژی بسیار پایین (مانند پلاستیکها) یا غلبه بر آلودگیهای شدید، فوقالعاده مؤثر میسازد.
فناوریهای نوین
- کوپلیمرهای سیلیکون-آکریلات: این ترکیبات یک هیبریداسیون استراتژیک را نشان میدهند که هدف آن ترکیب مزایای هر دو شیمی است. محصولاتی مانند BYK-3550 و MODAFLOW® Lambda کاهش کشش سطحی و لغزندگی سیلیکونها را با سازگاری و قابلیت پوششدهی مجدد بهتر مرتبط با آکریلاتها ارائه میدهند. این یک حوزه نوآوری کلیدی است.
- پلیآکریلاتهای اصلاحشده با فلوئوروکربن: این هیبریدها، مانند Levelol 839 ، تعادلی را فراهم میکنند که کشش سطحی را مؤثرتر از آکریلاتهای خالص کاهش میدهد اما با کنترل و سازگاری بهتر نسبت به سورفکتانتهای فلوئورینه خالص. آنها به ویژه در کاربردهای سخت مانند پوششهای کویل (coil coatings) مؤثر هستند.
انتخاب شیمی عامل همترازکننده، استراتژی بنیادی برای دستیابی به یک سطح بینقص را تعیین میکند. یا از طریق “نیروی زیاد” (کاهش شدید کشش سطحی کلی با سیلیکونها/فلوئوروکربنها) یا از طریق “ظرافت” (هماهنگسازی گرادیانهای موضعی با پلیآکریلاتها). تکامل به سمت پلیمرهای هیبریدی نشاندهنده شناخت صنعت از این واقعیت است که هیچ یک از این استراتژیها به تنهایی به طور جهانی بهینه نیست. در صورت علاقه مندی به تکمیل اطلاعات خود در این زمینه به شما توصیه می کنیم با مطالعه سری مقالات “بررسی جامع لولینگ ایجنت های اکریلیک” و “بررسی جامع Leveling Agent های سیلیکونی” با ماران تجارت همراه باشید.
عملکرد همترازکننده:
علاوه برای این افزودنیها را می توان بر اساس عملکرد به دو گروه اصلی تقسیم کرد:
- همتراز کنندههای موج کوتاه (Short-wave Leveling Agents): این مواد روی عیوب کوچک و موضعی تمرکز دارند و به رفع مشکلاتی مانند پوست پرتقالی خفیف یا اثر قلممو کمک میکنند.
- همتراز کنندههای موج بلند (Long-wave Leveling Agents): این مواد جریانپذیری کلی (Flow) پوشش را در مقیاس بزرگ بهبود میبخشند و از ایجاد موج یا ناهمواریهای گسترده در سطح جلوگیری میکنند.
| ویژگی عملکرد | پلیآکریلاتهای اصلاحشده | سیلیکونهای اصلاحشده | فلوئوروکربنهای اصلاحشده | پلیمرهای هیبریدی (سیلیکون-آکریلات) |
| کاهش کشش سطحی | کم (⭐) | بسیار زیاد (⭐⭐⭐⭐⭐) | شدید (⭐⭐⭐⭐⭐) | متوسط تا زیاد (⭐⭐⭐) |
| همترازی موج بلند (جریان) | عالی (⭐⭐⭐⭐⭐) | خوب (⭐⭐) | خوب (⭐⭐⭐) | بسیار خوب (⭐⭐⭐⭐) |
| همترازی موج کوتاه (ضد پوست پرتقالی) | خوب (⭐⭐) | عالی (⭐⭐⭐⭐⭐) | بسیار خوب (⭐⭐⭐⭐) | عالی (⭐⭐⭐⭐⭐) |
| ضد حفره | ضعیف (⭐) | عالی (⭐⭐⭐⭐⭐) | بسیار خوب (⭐⭐⭐⭐) | بسیار خوب (⭐⭐⭐⭐) |
| ترشوندگی بستر | ضعیف (⭐) | بسیار خوب (⭐⭐⭐⭐) | عالی (⭐⭐⭐⭐⭐) | خوب (⭐⭐⭐) |
| لغزندگی/مقاومت به خراش | بدون اثر (0) | عالی (⭐⭐⭐⭐⭐) | خوب (⭐⭐⭐) | بسیار خوب (⭐⭐⭐⭐) |
| ریسک چسبندگی بین لایهای | بدون ریسک | بالا | متوسط | کم |
| پایداری کف | بدون اثر | تمایل به پایداری | تمایل به پایداری | متغیر |
| هزینه نسبی | پایین | متوسط | بالا | متوسط تا بالا |
کاربرد تخصصی عوامل همتراز کننده در سیستمهای مختلف
انتخاب افزودنی مناسب به فرمولاسیون سیستم پوششی شما بستگی دارد.
۱. سیستمهای پوششی حلالی (Solvent-Borne)
- پرایمر و پوشش میانی: همتراز کنندههای آکریلیکی به دلیل بهبود گاززدایی و ترشوندگی بستر، انتخاب رایجی هستند. برای افزایش ترشوندگی، میتوان از همتراز کنندههای سیلیکونی یا آکریلیکهای اصلاحشده (مانند فلوئور یا استر فسفات) استفاده کرد.
- پوشش نهایی و کلر (Topcoat & Clearcoat): در این لایهها که ظاهر اهمیت بالایی دارد، همتراز کنندههای آکریلیکی با وزن مولکولی کم بهترین نتیجه را میدهند. برای افزایش لغزندگی و مقاومت به خراش، ترکیب یک عامل آکریلیکی با یک عامل همتراز کننده سیلیکونی ضروری است.
- نکته مهم: در رنگهای متالیک، از افزودنیهای سیلیکونی باید با احتیاط استفاده شود، زیرا ممکن است جهتگیری پیگمنتهای آلومینیومی را مختل کنند.
۲. سیستمهای پوشش پودری (Powder Coating)
فرآیند همترازی در پوشش پودری شامل دو مرحله ذوب و جریان یافتن ذرات است و عمدتاً به ترشوندگی بستر بستگی دارد.
- همتراز کنندههای آکریلیکی رایجترین گزینه هستند. این مواد به دو شکل عرضه میشوند: مایع (که باید به مستربچ تبدیل شود) یا پودری (جذب شده روی حاملهایی مانند سیلیس).
- برای دستیابی به لغزندگی و مقاومت به خراش، افزودنیهای سیلیکونی (که به فرم پودری نیز موجودند) به فرمولاسیون اضافه میشوند، اما باید مراقب ریسک ایجاد حفره بود.
۳. سیستمهای پوششی آبپایه (Water-Borne)
- سیستمهای محلول در آب (Water-Soluble): این سیستمها به دلیل کشش سطحی بالای آب، نیازمند کاهش شدید آن هستند. همتراز کنندههای سیلیکونی و فلوئوروکربنی بهترین عملکرد را در این زمینه دارند. برای دستیابی به سطحی کاملاً صاف، استفاده از همتراز کنندههای آکریلیکی مخصوص سیستمهای آبپایه نیز ضروری است.
- سیستمهای لاتکس (Latex Systems): در این سیستمها که مکانیسم تشکیل فیلم متفاوتی دارند، عوامل همتراز کننده عمدتاً به بهبود ترشوندگی بستر کمک میکنند. با این حال، کنترل اصلی جریان و رئولوژی توسط غلیظکنندهها (Rheology Modifiers) انجام میشود.
