المواد الفعالة سطحياً في الطلاء

تؤثر المواد الفعالة سطحياً على مجموعة واسعة من الخصائص الفيزيائية في الدهانات. فهي تؤثر على سلوك الدهان ليس فقط خلال فترة بقاء الطبقة المتكونة، بل أيضاً على التكتل الأولي وتكوين طبقة الدهان. كما تُستخدم هذه المواد لتثبيت تشتت جزيئات البوليمر أثناء بلمرة المستحلب في الدهانات وغيرها من التطبيقات. وتتحسن الثبات الميكانيكي، ومقاومة التجمد والذوبان، وفترة صلاحية الدهانات بإضافة هذه المواد. كما تُسهّل إضافة المواد الفعالة سطحياً عملية تغطية السطح، لأنها تزيد من ترطيب المحلول. ^{[ 4 ]}

لا يُؤدي إضافة المواد الخافضة للتوتر السطحي دائمًا إلى تحسين جميع خصائص الطلاء. فقد تنخفض مقاومة الطلاء للماء عند إضافة هذه المواد، نظرًا لذوبانها العالي في الماء وسهولة غسلها من الطلاء. ^{[ 3 ]} وتُعدّ مشكلة مقاومة الرطوبة هذه شائعةً في مجال ترميم الأعمال الفنية، بالإضافة إلى مشاكل الالتصاق، وفقدان الشفافية البصرية، وتراكم الأوساخ الناتجة عن استخدام مواد البولي إيثر الخافضة للتوتر السطحي في مستحلبات الأكريليك الحديثة المستخدمة في الأعمال الفنية المطلية بالأكريليك. ^{[ 5 ]} وبينما يُحدد نوع وكمية المادة الخافضة للتوتر السطحي الخصائص المتأثرة، فإنّ المواد الكيميائية الأخرى في الطلاء قد تُغيّر التأثير الكلي لهذه المواد على الطلاء. ^{[ 6 ]} وقد وُجد أن مرونة طلاءات اللاتكس تزداد أو تنقص تبعًا لكمية ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO2 ₎ الموجودة فيها. ^{[ 3 ]}

دهانات اللاتكس (دهانات مستحلبة، لا ينبغي الخلط بينها وبين مطاط اللاتكس) عبارة عن مستحلب من جزيئات البوليمر المنتشرة في الماء. تكون المستحلبات الكبيرة في دهانات اللاتكس غير مستقرة بطبيعتها وتنفصل أطوارها، لذلك تُضاف مواد خافضة للتوتر السطحي لتقليل التوتر السطحي وتثبيت جزيئات البوليمر لمنع انفصال المستحلب. ^{[ 7 ]}

تُستخدم المواد الفعالة بالسطح الأنيونية، مثل دوديسيل كبريتات الصوديوم، بشكل شائع لتثبيت المستحلبات نظرًا لقدرتها على تكوين روابط هيدروجينية مع الوسط المائي. ونادرًا ما تُستخدم المواد الفعالة بالسطح غير الأيونية بمفردها نظرًا لكفاءتها المنخفضة في تكوين مستحلبات مستقرة مقارنةً بالمواد الأنيونية. ولذلك، تُستخدم المواد غير الأيونية عادةً بالتزامن مع المواد الأنيونية، مما يوفر طريقة ثانية لتثبيت الغرويات من خلال التداخل الفراغي لقوى فان دير فالس بين جزيئات البوليمر والصبغة. وتتطلب اللاتكسات التي تحتاج إلى استقرار ضمن نطاقات واسعة من الرقم الهيدروجيني نسبًا أعلى من المواد الفعالة بالسطح غير الأيونية إلى الأنيونية. أما المواد الفعالة بالسطح الكاتيونية فهي الأقل استخدامًا نظرًا لتكلفتها العالية، وقدرتها غير الفعالة على الاستحلاب، وتأثيراتها غير المرغوب فيها على تحلل المُحفز. ^{[ 8 ]} وقد يؤدي التطبيق عالي السرعة، والتخزين في درجات حرارة منخفضة، وإجهادات القص الناتجة عن الضخ، وغيرها من ظروف التخزين أو التطبيق القاسية، إلى فشل المادة الفعالة بالسطح في تثبيت تشتت الطلاء بشكل كافٍ.

التفسير الديناميكي الحراري لعملية فصل المستحلب هو الزيادة في طاقة جيبس ​​الحرة الناتجة عن تقليل المساحة الكلية لتفاعلات السطح عالية الطاقة.

${\displaystyle \Delta G_{\text{em}}=\gamma {3V\ \over R}}$

تعتمد الطاقة المكتسبة من عملية فصل المستحلب على المساحة الكلية للسطح البيني وتوتره السطحي. تعمل المواد الفعالة سطحياً على خفض التوتر السطحي (γ)، وبالتالي تُكتسب طاقة جيبس ​​من عملية فصل المستحلب. هذا يُبطئ عملية فصل المستحلب ويُثبّت طلاء اللاتكس.

يمكن نمذجة حجم قطرات البوليمر المنتشر في طلاء اللاتكس باستخدام المعادلة التالية:

${\displaystyle R={3L_{\text{s}}\phi _{\text{d}} \over \phi _{\text{s}}}}$

يعتمد نصف قطر القطرة في المستحلب على طول المادة الفعالة بالسطح، L _s ، والكسر الحجمي للطور المشتت، φ _d ، والكسر الحجمي للمادة الفعالة بالسطح، φ _s . ^{[ 7 ]}

يُحدد تصنيف المجموعة الرأسية للمادة الفعالة سطحياً بنوع أيون المجموعة الرأسية. تستمد المواد الفعالة سطحياً الأيونية خاصيتها المزدوجة المحبة للماء والدهون من مجموعة رأسية محبة للماء مشحونة، وتميل إلى أن تكون جزيئات صغيرة ذات وزن جزيئي منخفض. تعمل المواد الفعالة سطحياً الأيونية على تثبيت الجزيئات المعلقة في الطلاء عن طريق التنافر الكهروستاتيكي، كما يسهل امتصاصها وانفصالها عن السطح نظراً لصغر حجمها. ^{[ 6 ]}

تتميز المجموعات الرأسية الأنيونية بشحنة سالبة، وتُستخدم عادةً في منتجات التنظيف. توجد المواد الفعالة بالسطح الأنيونية في منتجات مثل الشامبو ومساحيق الغسيل والصابون لقدرتها على إزالة الأوساخ من الأسطح الناعمة كالأقمشة. تُعلق هذه المواد بسهولة في الماء نظرًا لقطبية المجموعة الرأسية المشحونة. مع ذلك، قد يؤدي الماء العسر إلى تعطيل الجزيء. من أكثر المجموعات الرأسية الأنيونية شيوعًا الكبريتات والإيثوكسيلات.

تتميز المجموعات الرأسية الكاتيونية بشحنة موجبة، وتُستخدم المواد الفعالة سطحياً الكاتيونية في تطبيقات متنوعة. من الاستخدامات الشائعة لها مُنعمات الأقمشة. كما تُضاف هذه المجموعات إلى مساحيق الغسيل مع المواد الفعالة سطحياً الأنيونية، لأنها تُحسّن من قدرتها على إزالة الأوساخ. وتُعزز المجموعات الرأسية الكاتيونية أيضاً من خصائص التطهير في المنظفات المنزلية. تشمل بعض المجموعات الرأسية الشائعة في المواد الفعالة سطحياً الكاتيونية الأمينات وأيونات الأمونيوم الرباعية . ومن بين أنواع المواد الفعالة سطحياً العديدة، تُعد المواد الفعالة سطحياً الكاتيونية مثبطات تآكل فعالة للغاية بفضل قدرتها الوقائية في الأوساط المتعادلة والحمضية. ^{[ 9 ]}

لا تحمل المجموعات الرأسية غير الأيونية شحنة كهربائية، وهي فعالة للغاية في إزالة الدهون. تُستخدم المواد الخافضة للتوتر السطحي غير الأيونية بشكل شائع في المنظفات والصابون ومنظفات المنازل. في محاليل الماء العسر، تُستخدم هذه المواد للحد من تعطيل المواد الخافضة للتوتر السطحي الأيونية الناتج عن أيونات الكالسيوم والمغنيسيوم. تشمل بعض المجموعات الرأسية الشائعة للمواد الخافضة للتوتر السطحي غير الأيونية الأحماض الدهنية والجليكولات .

السلاسل الهيدروكربونية هي سلاسل طويلة تتكون من هيكل كربوني وذرات هيدروجين، مما يجعلها شديدة الكراهية للماء. تشكل السلاسل الهيدروكربونية وحدها الشموع والزيوت، وتحتفظ بهذه الخصائص عند دمجها في المواد الفعالة سطحياً. ومن الأمثلة الجيدة على المواد الفعالة سطحياً التي تحتوي على سلسلة هيدروكربونية، الدهون التي تشكل أغشية الخلايا.

تتشابه سلاسل إيثرات الألكيل مع سلاسل الهيدروكربونات، باستثناء احتوائها على ذرات أكسجين بالإضافة إلى ذرات الكربون. يُستخدم نوعان من سلاسل الألكيل بشكل شائع في المواد الفعالة سطحياً: أكسيد البولي إيثيلين وأكسيد البولي بروبيلين. تحتوي سلاسل أكسيد البولي إيثيلين _{على وحدة متكررة من الأكسجين وذرتي كربون (-O- CH₂} - _CH₂- ) ، وتتميز بخاصية محبة للماء أعلى مقارنةً بالهيدروكربونات. أما أكسيد البولي بروبيلين، فيمتلك نفس بنية أكسيد البولي إيثيلين، ولكن مع وجود مجموعة ميثيل بديلة على إحدى ذرات الكربون، وتتميز هذه البنية بخاصية كارهة للماء تقع بين الهيدروكربونات وأكسيد البولي إيثيلين.

تتكون ذيول سلاسل الفلوروكربون من هيكل كربوني يحتوي على بدائل من الفلور بدلاً من الهيدروجين. تساعد مركبات الفلوروكربون على خفض التوتر السطحي للماء والمذيبات الأخرى بفضل طبيعتها الكارهة للدهون، حتى في الظروف القاسية مثل انخفاض الرقم الهيدروجيني. عند دمج مركبات الفلوروكربون في المواد الفعالة سطحياً، تُستخدم كمواد طاردة للبقع، كما تُدمج في الطلاءات لتقليل عيوب السطح.

تتكون سلاسل السيلوكسان من هيكل أساسي يحتوي على ذرات أكسجين وسيليكون بالتناوب. وقد وُجد أن المواد الفعالة بالسطح ذات ذيول السيلوكسان تقاوم التحلل المائي وتمنع تفكك سلاسل البوليمر التي قد تسبب تشقق الطلاء، ولذلك تُستخدم في منتجات مثل مستحضرات التجميل ومزيلات العرق ومضادات الرغوة والصابون. ^{[ 10 ]}

يمكن للمواد الفعالة سطحياً أن تُزعزع استقرار المركبات العضوية السامة في الدهانات، مما قد يؤدي إلى دخولها البيئة وتسبب آثاراً سلبية. ^{[ 4 ]} ويمكن للمواد الفعالة سطحياً القابلة للذوبان في الماء أن تُغسل من الدهانات الجافة وتتسرب إلى البيئة. بعض هذه المواد سامة بشكل مباشر للحيوانات والبيئة، كما أنها تزيد من قدرة الملوثات السامة الأخرى الموجودة على دخول البيئة. ^{[ 11 ]}

تعتمد تكلفة المواد الفعالة سطحياً جزئياً على سوق النفط الخام. وباعتبارها مكوناً أساسياً في إنتاج هذه المواد، فإن الدهانات التي تعتمد عليها بشكل كبير ستتأثر بهذا السوق. المواد الفعالة سطحياً الأكثر تعقيداً، ذات البنية الأكبر والأكثر صعوبة في التركيب، تكون أغلى ثمناً في الإنتاج، ولها تأثير أكبر على سعرها النهائي في السوق. ونتيجة لذلك، تُستخدم المواد الفعالة سطحياً البسيطة، سهلة الإنتاج، والصديقة للبيئة على نطاق أوسع. ^{[ 12 ]}