水性涂料用添加剂第2讲增稠剂

O 引 言
在环境适应型涂料领域,诺普科助剂有限公司特别注重水性涂料用消泡剂、增稠剂和分散剂等多种功能性添加剂的开发与研究,并以丰富的商品群和精湛的技术及服务居于同行业前列。
涂料的主要功能是装饰及保护被涂物。决定涂膜功能的主要因素是构成涂料的树脂、颜料、溶剂和助剂的性质及其相互间的作用,其对涂料的稳定性、品质、涂装作业及工程的影响非常重要。在涂装过程中对粘度的控制,是涂料设计中重要的技术课题。在涂装过程中,常采用刷涂、辊涂、喷涂、幕涂等方法,涂装时的剪切速度为102 ~10 4s-1,涂装后剪切速度为10-2~1 s-1,范围较大对成膜过程的流挂和流平性有影响。增稠剂就是在此较大的剪切速度范围内,为了提高涂膜的性能,在涂装过程中能自由添加、控制涂膜性能的重要添加剂。
增稠剂的主要作用是增加涂料的贮存稳定性,提高涂装后涂膜的(流挂、流平)粘度。但要求经常相悖,即在贮存时提高涂料粘度,抑制涂料的分离,而在高速涂装时又要降低粘度,涂装后,还要提高粘度,防止流挂现象的发生等等。

1 增稠剂的种类
作为水性涂料用增稠剂,可分为无机、纤维素衍生物、天然产物、改性聚丙烯酸盐及聚酯类衍生物等。以前,为了达到涂料的增稠目的,纤维素类衍生物HEC(羟乙基纤维素衍生物)、MC(甲基纤维素衍生物)等触变性强的增稠剂曾是增稠剂的主流。但是,纤维素类衍生物一般为粉体,因此在加入涂料前,必须制成水溶液。因其有腐败性,会降低涂膜的耐水性。为了克服这些问题,开始使用改性聚丙烯酸盐等增稠剂。另一方面,为了提高涂膜的外观,依照各种涂膜需要,辊式涂装机的出现对速度的高要求,需要改进涂料的粘度,使之接近于溶剂型涂料,有必要对涂料的粘性进行微妙的调整。也就是说,不仅要求有触变性强的增稠剂,也需要接近中性的富有流动性的增稠剂,因此,聚酯类衍生物增稠剂就应运而生。这类增稠剂协同使用,可以使涂料达到最佳的粘度。表1列举了增稠剂的种类及其主要组成。

2 增稠剂的作用机理
水分散涂料一般是由树脂的乳液粒子、颜料悬浮体粒子的分散体,通过粒子间的相互作用力(范德华力、氢键等)而形成的。涂料的粘度是这些粒子相互作用力的表征。但是,这些作用力较弱,增稠剂的作用就是增加粒子间的相互作用,形成网络结构。增稠剂分高分子型和缔合型2种,其网状构造的作用机理不同,如图1所示。

2.1 高分子型
高分子型增稠剂像图1(a)那样吸附在乳液粒子表面的若干点上。吸附高分子的末端和其他的粒子相遇后,吸附该粒子,并在粒子间交联,形成像图1(b)一样的网状结构,提高粘度。

2.2 缔合型
缔合型增稠剂是像图l(c)那样的两末端带有疏水性基团的活性剂,吸附粒子的一端与其他的粒子或其他的疏水性末端相遇后,形成新的吸附。如有数量足够的活性剂存在,就会形成像图l(d)那样的分子团,形成整体的网状构造。

3 增稠剂的特性
屈服值:高分子型的网络是线型分子的相互键合,要将其破坏增加流动性,需要较大的力,因此出现了屈服值。缔合型增稠剂通过吸附形成网络,只需较小的作用力即可破坏,形成流动性,屈服值较小。
低速流动时的粘度:与屈服值基于同样的理由,与高分子型增稠剂相比,缔合型增稠剂在低速范围内显示低粘度。
流挂和流平:在低速流动时涂料粘性会出现问题。为了防止流挂,需提高屈服值以增大粘度,而为了保持流平性,则要求降低屈服值以降低粘度为佳。缔合型增稠剂,因其低速流动时有粘性,可以得到流平性良好的涂料。
热敏性:缔合型增稠剂因其聚酯部分与水分子有氢键作用,溶于水中仍能保持其粘度。温度升高后,水聚合能力下降,亲水性降低,粘度下降。与高分子型增稠剂相比,缔合型增稠剂的热敏性较大,应充分掌握其性能才能正确使用,这一点非常重要。

4 增稠剂的种类及特性
诺普科助剂有限公司生产具有低、高增稠性及接近中等流动性、触变性的系列助剂。产品包括改性聚丙烯酸盐类高分子型和聚酯类衍生物的缔合型水性涂料用增稠剂,图2所示为该公司增稠剂的产品类型及特性。

5 水性涂料中增稠剂的适应性
5.1 屈服值
笔者对高分子型和缔合型增稠剂单独使用时的屈服值进行了测定,结果如表2所示。

由表2可见,在单独使用时,高分子型增稠剂的屈服值高,而缔合型增稠剂的屈服值低。即使在高分子型增稠剂中,改性聚丙烯酸盐类的疏水基的一部分因吸附乳液粒子,与HEC相比屈服值有所降低。另外,HEC和缔合型聚酯类衍生物增稠剂拼用(缔合型增稠剂的比例为25%)时,屈服值大幅度降低(图3)。因为,拼用缔合型聚酯类衍生物增稠剂时破坏了HEC的网络构造,涂料经年日久后,会发生粘度降低与浮起的问题,调整屈服值较为困难。但是,高分子型改性聚丙烯酸盐类增稠剂和缔合型聚酯类衍生物增稠剂拼用时屈服值不会大幅度下降,通过调整其比例,可以得心应手地控制屈服值。

5.2 增稠剂的适应性
从涂料生产到成膜过程中,剪切速度的改变如图4所示。从图4可看出,各个过程中涂料的剪切速度从10~ 一10 s~,范围极广,因此,对于各个过程必须考虑到其特有的流变学特性来进行设计。

图5为添加了诺普科助剂公司具有代表性的增稠剂的涂料的剪切速度和粘度的关系。涂料从生产到成膜过程中,粘度调整、沉淀、涂装过程、流挂、流平等各个阶段的剪切速度各有不同。对于沉淀为10 -2— 10 -1S-1、对于流挂和流平为10-2~1 S-1、对于粘度调整、搅拌、堆积、运输为1—102 S-1、对于涂装为103 一104 S-1。各种各样的剪切速度范围对应的最佳粘度也不同,在一般情况下,为了制备符合目标性能的涂料,需同时使用2种以上的增稠剂进行调整。


6 结语
诺普科公司基于顾客之需,并凭借多年积累的界面活性剂技术开发出水性涂料用增稠剂,并根据客户的需要,不断改进产品的性能,向新产品的研发与生产迈进。表3所列为诺普科公司的增稠剂系列产品。

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