浅析乳胶漆的流变性

1 前言
乳胶漆的质量品质,不论从外观表象到内在性能,还是从生产、贮存到施工、成膜,都与乳胶漆的流变性有密切的关系。质量品质优异的乳胶漆,外观呈奶油状,贮存期内不分水、分层;在较高剪切力作用下有很好的流动性和涂刷性,而在低剪切力作用下易于倾倒和搅拌,在无剪切力的作用下又恢复原来的状态,流动性消失而防止流挂。因此,正确认识乳胶漆的流变性并能很好地控制它,对于提高乳胶漆的质量品质有极其重要的意义。

1.1 乳胶漆的流变性
乳胶漆的流变性描述乳胶漆在不同剪切力的作用下所表现出来的流动性能的变化。乳胶漆是典型的假塑性流体,其粘度随着剪切速率的增加而下降。当剪切速率上升时,流变结构遭到破坏,粘度下降;反之,重新形成结构,粘度又上升。在任何给定的剪切速率下,其粘度是恒定的。
1.2 影响乳胶漆流变性的因素
(1)乳液的影响
合成乳液是一种复杂的胶态分散体系,它的表观粘度与聚合物的分子量无关,与粒径、保护胶体的粘度及用量有关。在乳胶漆中,乳胶粒子吸附在颜填料表面以微弱的键形成絮状结构,这种结构比较容易受剪切力的作用而破坏;同时乳胶粒子的膨胀现象要比它在颜料表面上的吸附作用表现的更突出。
(2)颜填料的影响
颜填料对乳胶漆粘度的影响主要是影响颜料体积浓度(PV C)。颜料的表面活性剂也影响乳胶漆粘度,如二氧化硅的表面与溶剂之间会形成氢键而使粘度升高。颜料的可水溶性组分也会改变乳胶漆粘度,如碳酸钙被解离的钙离子会引起乳液絮凝,长期贮存,粘度大幅升高,最后导致絮凝。
(3)乳胶漆助剂的影响
乳胶漆中的润湿剂、分散剂能使各种颜填料分散开来,有效降低浆料粘度,使乳胶漆不产生絮凝和沉淀分层;增塑剂的加入减弱了大分子链间的相互牵制,减小链段间的摩擦而降低粘度,同时也使成膜温度降低。而增稠剂对调整乳胶漆的流变性作用最大。
(4)温度的影响
由于乳胶漆中的乳液等有机高分子聚合物的粘度随温度发生变化,因此温度的变化影响乳胶漆的流变性。
1.3 乳胶漆中的增稠剂
乳胶漆中的增稠剂可以控制乳胶漆的流变性,常用的增稠剂有:纤维素醚类、碱溶胀聚丙烯酸乳液类、非离子缔合型聚氨酯类等[2] 。

2 实验部分
高PV C乳胶漆在低成本的工程漆中占有较大份额,乳胶漆中颜填料用量较高,常超过45%,乳液用量在10- 15%,P V C 高达80%。下面以高PVC(PVC = 78%)乳胶漆为例,通过实验来解析乳胶漆的流变性。
2.1 原材料的选择
分散剂选用分散效率高的聚羧酸盐(5040),颜填料选取价格低廉立德粉、轻钙、重钙、高岭土、滑石粉等,乳液选用普通苯丙乳液,增稠剂选用羟乙基纤维素(H E C)、T CP -007(普通碱溶胀型,北京金源公司)、DR - 72、DR - 73(缔合碱溶胀型,东方罗门哈斯公司)、T h ickleveling 632(非离子聚氨酯缔合型,科宁公司)。
2.2 配方设计
根据高PVC乳胶漆的特点,设计如下三个配方(见表1)。按照乳胶漆的生产工艺要求,制取不同配方的乳胶漆样品。

2.3 性能指标及评价(见表2)
表2 不同流变体系高PVC(78%)乳胶漆性能指标及评价

3 结果和讨论
3.1 乳胶漆流变性的调整
乳胶漆流变性的调整,一要控制好低剪切粘度,即贮存粘度。涂料贮存过程中,颜填料会由于重力作用而下沉。如果沉降速度过快,就会导致涂料出现分水、沉底等不良后果,从而影响开罐效果。颜填料颗粒的沉降速度V可用斯托克斯定律来表示:
V(沉降速度)=218r2(ρ-ρ 1)/η
式中,V为颜料颗粒沉降速度;r为颜料颗粒半径;ρ为液体颗粒密度;ρ1为液体密度;η为液体粘度。
从上式可以看出,液体的粘度η越大,沉降速度V越小。如果液体的粘度η足够大,就可以保证沉降速度减慢到使涂料渡过一定的贮存期。颜填料由于重力作用下沉而产生的剪切应力τ约为1Pa,剪切速率v约为10-3 ~10-1s -1,根据η = τ/υ式,可计算出粘度η约为10~103Pa.s,即乳胶漆的贮存粘度控制在10~103Pa.s左右,可以有效防止沉降,从而从粘度方面保证良好的开罐质量。在配方1、2、3中的H E C、T CP - 007和DR -72可提高低剪切粘度,B rookfield(6rpm,mPa.s)粘度值都在10000以上,保证乳胶漆在贮存期内不分层、不返粗,防止颜填料絮凝和沉降。
二要控制好中、高剪粘度,在上述配方中的DR - 73和T h ickleveling 632可提供良好的中、高剪切粘度,其中配方1未添加DR - 73和T h ickleveling 632,具有较高的触变指数,高剪切粘度偏低,因而它的流平性、刷涂性、抗飞溅性差; 配方2加入了DR - 73,DR - 73是疏水改性碱溶胀阴离子缔合型增稠剂,不仅显著提高了低剪切粘度,而且部分提高中、高剪切粘度,因而性能有所改善; 而配方3添加非离子聚氨酯缔合型增稠剂T h ickleveling 632,它既能提供适宜的中、高剪切粘度,又能提供低剪切下良好的流动性,因而配方3具有理想的中、高剪切粘度和适当的触变指数,因而具有优良的流平性、刷涂性、抗飞溅性以及较高的丰满度。
选择乳胶漆的流变体系通常采用如下的步骤:(1)根据乳胶漆配方中PV C的要求,选择数个增稠剂品种,测定其表观粘度;(2)根据配方要求数量加入增稠剂,用旋转粘度计测定在不同剪切率下的表观粘度及流动性,并绘制出相应的剪切速率与表观粘度的关系图,判定该增稠剂组合是否符合配方所要求的粘度指标和流变性,重复以上过程,直至选出最佳增稠剂品种和用量;(3)将乳胶漆进行加速热稳定性贮存、冻融稳定性贮存和分水性试验,同时进行施工性能试验,比较其刷涂性、流平性、均涂性、抗流挂性、抗飞溅性,从中选择出最佳流变体系配方。
3.2 结论
乳胶漆的流变性是关系到乳胶漆质量品质的重要指标,控制好高、中、低剪粘度,才能保证乳胶漆具有良好的流动性、流平性、抗飞溅性、防流挂性、防沉性和刷涂性。因此,在设计乳胶漆配方时,要充分考虑影响乳胶漆流变性的诸多因素,选择好最适合自己配方要求的流变体系,从而保证生产出品质优异的乳胶漆。

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