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增稠剂在乳胶漆行业中的推广应用及其产业发展  

2008-01-19 21:04:57|  分类: 助剂学 |  标签: |举报 |字号 订阅

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      乳胶漆是颜料、填料的分散体和聚合物分散体的混合物,必须使用助剂来调节其粘度,使之分别具有生产、储存和施工各阶段所需要的流变性能。这类助剂一般称为增稠剂,是能够增大涂料粘度,改善涂料流变性能的一类助剂,因而也称为流变增稠剂。就乳胶漆流变性能的要求来说,在储存阶段,应有较高的粘度以利于防止分层或沉淀;在施工阶段,乳胶漆受到高剪切速率的外力,要求有较低的粘度,刷涂时不拖刷,喷涂时雾化良好,辊涂时无拉溅。涂布后剪切消除,粘度虽恢复但不应太快,使之具有足够的流平时间。

  各种不同的增稠剂虽然都能够提高涂料的粘度,但由于涂料在生产、储存和施工各个阶段所受到的外加剪切速率不同,并要求涂料表现出相应的性能,因而需要的粘度也就不同。这样就需要使用不同性能的增稠剂以满足涂料在不同阶段所需要的粘度。

  增稠剂一般按其化学组成情况分成有机和无机等类别。目前应用的无机类增稠剂主要是膨润土;有机类增稠剂主要是纤维素类,丙烯酸类和聚氨酯类等。下面仅介绍常用流变增稠剂的主要特性及其在乳胶漆中的应用情况。

  1膨润土

  膨润土的主要矿物成分为蒙脱石,蒙脱石层间带负电荷,像一个带负电的大阴离子,可以吸附阳离子、水和有机极性分子。膨润土的吸水性很强,能够吸附本身质量5倍的水;吸附水后体积增大,能够膨胀至干体积的几倍至十几倍,并形成凝胶状物质。膨润土在水中能够释放出带电微粒而起到分散剂的功能,可改善水性涂料的悬浮性,增强储存稳定性。聚乙烯醇、丙烯酸、羟乙基纤维素等有机分子中的—OH、—COOH、—CCOH等极性基团能够被蒙脱石的层间负电荷所吸引,使极性基团的一端插人层间,形成蒙脱石-有机复合物,这种复合物一旦形成,便具有不可逆性,脱水后则形成疏水物。因而,膨润土作为增稠剂不但不会影响涂料的耐水性,还能够使耐水性有所提高;蒙脱石与有机物相互交联,形成网状立体结构,提高涂料的悬浮性;其干燥后留在涂膜中能够起到填料的作用而提高遮盖力。

  由于膨润土的白度较低以及对涂料流平性的不良影响,在涂料中的应用受到限制,只能在中、低档内、外墙涂料和厚浆型乳胶漆中应用。在外墙涂料中,膨润土的使用有利于涂膜的耐水性且价格低,因而适量的使用具有较好的技术经济效益。膨胀土在颜料体积浓度高于临界颜料体积浓度的经济型内墙乳胶漆、普通外墙乳胶漆和厚浆型乳胶漆中有较多的应用;在低颜料体积浓度的有光或半光乳胶漆中几乎没有应用。有鉴于膨润土会影响涂料的流平性以及对颜色产生不良影响,故其使用就受到了限制。

  2纤维素类增稠剂

  可应用于涂料的纤维素类材料有甲基纤维素、羟乙基纤维素和羟丙基甲基纤维素等。纤维素类增稠剂的最大特征是增稠效果显著,并赋予涂料一定的保水作用,在某种程度上能够延缓涂料涂装时的干燥时间。纤维素类增稠剂还会使涂料具有一定的触变性,防止涂料储存中沉淀分层。但是,这类增稠剂同样会给涂料带来流平性不良的缺点,当使用高粘度型号的产品时尤其如此。纤维素属于微生物的营养物质,因而使用时应加强防霉措施。纤维素类增稠剂只能对水相增稠,对水性涂料中其他组分则无增稠作用,也不能使涂料中的颜料和乳液颗粒产生明显的相互作用,因而无法调节涂料的流变性。纤维素类增稠剂一般也只能提高涂料在低剪切速率和中等剪切速率下的粘度(一般称为KU粘度)。

  2.1羟乙基纤维素

  羟乙基纤维素产品的规格、型号主要是根据取代度和粘度区分。我国的无锡三友化工公司、石家庄金华纤维素公司、泸州天普精细化工厂、美国阿克隆公司(Agualon)、陶氏化学(Dow Chemica1)公司等都有各种粘度型号和取代度的羟乙基纤维素供应市场。羟乙基纤维素的品种除粘度的差别外,通过生产过程中的改性,还可以分正常溶解型,快速分散型和生物稳定型。就使用方法来说,羟乙基纤维素可在涂料生产过程中的不同阶段加入。快速分散型的可以干粉形态直接加人,但加人前体系的pH值应小于7,主要是利用羟乙基纤维素在低pH值下溶解较慢,有充分的时间使水能够浸润至颗粒内部,其后再将pH值提高,使之迅速溶解。也可以采用相应的步骤配制成一定浓度的胶液加人涂料体系中。

  2.2羟丙基甲基纤维素

  羟丙基甲基纤维素的增稠作用和羟乙基纤维素的基本相同,即提高涂料在低剪切速率和中等剪切速率下的粘度。羟丙基甲基纤维素具有抗酶降解性,但水溶性不如羟乙基纤维素,有受热会胶凝的缺点。对于经表面处理的羟丙基甲基纤维素,使用时可以直接加人水中,搅拌分散后,加人氨水等碱性物质,调节pH值为8~9,搅拌至充分溶解。对于未经表面处理的羟丙基甲基纤维素,使用时可以先用85℃以上的热水浸泡溶胀,待冷却至室温后再加冷水或冰水搅拌使之充分溶解。

  2.3甲基纤维素

  甲基纤维素的性能与羟丙基甲基纤维素相似,但随温度变化的粘度稳定性次之。

  羟乙基纤维素是乳胶漆中应用最广泛的增稠剂,在高、中、低档乳胶漆和厚浆型乳胶漆中均有应用。广泛用于普通乳胶漆、灰钙粉乳胶漆等的增稠。其次是羟丙基甲基纤维素,由于生产厂商的推动,也有一定的用量。甲基纤维素在乳胶漆中几乎没有应用,但在粉状内、外墙腻子中却得到大量应用,其原因是能够速溶,保水性好。高粘度的甲基纤维素可赋予腻子突出的触变性、保水性,使之具有良好的批刮性。

  3合成高分子类增稠剂

  合成高分子类增稠剂得到较多应用的是丙烯酸和聚氨酯两类。

  3.1丙烯酸类

本稿由中国化工网www.chemnet.com.cn整理 

  丙烯酸类增稠剂包括聚丙烯酸盐和丙烯酸酯共聚物(碱溶胀型)两类。丙烯酸酯类增稠剂的增稠机理之一是其微粒能够吸附在涂料中的乳胶粒子表面,碱溶胀后形成包覆层,增大乳胶粒子的体积,使粒子的布朗运动受阻而导致涂料体系的粘度提高;二是增稠剂溶胀增大,增加水相的粘度。在pH值为8~l0的水中,羧基离解,呈溶胀状态;当pH值大于10时则溶于水而失去增稠作用,因而增稠作用对pH值很敏感。

  和纤维素醚类增稠剂一样,碱溶胀丙烯酸类增稠剂对涂料中其他组分也无增稠作用,且不能使涂料中的颜料和乳液的颗粒产生明显的相互作用,因而无法调节涂料的流变性。这类增稠剂的特征是增稠效果显著,成本低,但对涂料的流平性和涂膜的耐水性都有不良影响,其提高的也只是低至中剪切速率的粘度,并相应提高涂料的抗流挂和抗沉降性能。

  丙烯酸酯类增稠剂的使用会影响涂膜的耐水性能;由于带给涂料较强的触变性而使涂料的流平性变差。因而,这类增稠剂一般只在低档的内墙乳胶漆中使用,或者作为中档内墙乳胶漆的辅助增稠剂,在外墙涂料中的应用很少。但是,在中、低档内墙乳胶漆中,丙烯酸酯类增稠剂几乎是必用的材料组分,这主要是因为其成本低,增稠效果显著。

  随着对流变增稠剂合成及应用技术研究的深入,现在的丙烯酸酯类增稠剂中,有的商品经过改性处理,也能够提高涂料的高剪切速率的粘度,并且能够赋予涂料良好的流变性能。

  3.2聚氨酯类

  聚氨酯类增稠剂的增稠机理之一在于其分子可以水合溶胀而使水相增稠,其二是具有表面活性剂分子的性质,其分子是线性亲水链两端接有亲油基的高分子化合物,即在结构中具有亲水和疏水基团。这样,在它的水溶液浓度超过一定值时就形成胶束。胶束能够与乳液的聚合物粒子、已吸附有分散剂的颜料颗粒相互缔合形成空间网状结构,互相连结缠绕而使体系粘度增加。因而,聚氨酯类增稠剂也称为缔合型增稠剂。

  聚氨酯类增稠剂在涂料中形成的缔合结构在高剪切速率下会脱开,在低剪切速率下又重新恢复缔合,处于动态平衡状态,因而能够调节涂料的流变性,使涂料具有流平性。此外,由于一个分子带有几个胶束,这种结构可降低水分的迁移趋向,因而对防止涂料储存过程中的分层、沉淀效果明显。这类增稠剂具有疏水性能,对涂膜的耐水性几乎没有影响。

  这类增稠剂的相对分子质量低,因而在水相中的分子间缠绕有限,对水相的增稠效果不显著。此外,在低剪切速率范围内分子之间缔合转换多于分子间的缔合破坏,整个体系保持固有悬浮分散状态,粘度接近分散介质(水)的粘度。因而,它使乳胶漆体系在低剪切速率区时表现出较低的表观粘度;又由于这类增稠剂因在分散相粒子间的缔合而提高了分子间的势能,这样,在高剪切速率下为打破分子间的缔合就需要更多的能量,要达到同样的剪切应变需要的剪切力也更大,使体系在高剪切速率下呈现出较高的表观粘度。换言之,聚氨酯类增稠剂提高涂料在高剪切速率下的粘度(一般称为ICI粘度)非常显著,并相应提高涂料的流平性能。不过,随着材料科学的进展,现在有些聚氨酯类增稠剂也能够显著提高涂料低、中剪切速率的粘度。

  与丙烯酸酯类和纤维素类增稠剂相比,聚氨酯类增稠剂主要应用于外墙乳胶漆和中、高档的内墙乳胶漆。较高的高剪切粘度和较低的低剪切粘度则正好可以弥补普通增稠剂(例如丙烯酸类和纤维素类)在涂料流变性能方面存在的不足,即可以将两种增稠剂复合使用来调节乳胶漆的流变性能,达到涂装成厚膜和涂膜流平等的综合要求。

  值得指出的是,对于一个好的涂料配方,绝对不会使用一种增稠剂来提高涂料的粘度,一种增稠剂也不能够满足涂料的多种性能要求。因而,最好的方法是使用几种增稠剂来提高涂料在不同剪切速率下的粘度。例如,使用羟乙基纤维素或缔合型增稠剂(如罗门哈斯公司的DR- 72)提高涂料的KU粘度,使用聚氨酯类增稠剂提高ICI粘度和赋予涂料更好的流变性能等。这里只是从概念上说明不同增稠剂在涂料中的配合使用,至于如何协调搭配,需要根据试验以及与所使用的分散剂的相容性等具体情况确定。

  4流变增稠剂的发展与展望

  4.1流变增稠剂的发展

  流变增稠剂作为乳胶漆的一种组分,必然是伴随着乳胶漆的发展而发展的。由于流变增稠剂能够改善涂料的流变性能,因而流变增稠剂品种与应用技术的发展使乳胶漆具有更为完善的性能,反过来促进其应用与发展。

  我国在以合成树脂乳液建筑涂料为主导品种以前,水性涂料使用的增稠剂品种基本上局限于膨润土、纤维素等,应用量也很小。近年来,增稠剂在获得大量应用的同时,品种、质量和应用技术研究等都相应得到重视。品种增多,用量也快速增长。现在应用的碱溶胀增稠剂、缔合型增稠剂等大都是近年来发展起来的或经过性能改进的新型品种。特别是缔合型增稠剂,能够改善乳胶漆的流平性、抗沉降性、容器中状态、遮盖力和涂膜手感等,使外墙涂料和高性能的内墙涂料具有更满意的效果。由于具有较好的效果,对其应用技术的研究亦受到重视。增稠剂近年来的另一进展是开发全新概念的流变增稠剂,例如现在市场上作为涂料助剂销售的和有些厂家自行研制开发并应用于涂料生产的称之为“改性胶体”的流变改性剂,即属于新型的流变增稠剂品种。另一方面,我国是矿产资源丰富的国家,利用天然矿产品作为增稠流变剂也是研究课题之一,例如对膨润土的深化研究、对海泡石作为增稠流变剂的研究等,也是近年来增稠剂的新进展。

  除了开发新品种以外,还对已有增稠剂进行陛能上的改进,使之符合新的要求。例如,羟乙基纤维素和羟丙基甲基纤维素都是传统使用的产品,不但没有遭到淘汰,其用量反而越来越大,原因之一是制造商不断改进、提高这类增稠剂的性能,使之满足新的要求。例如开发易分散、速溶型、抗生物降解型和使之在较宽的温度范围内有更好的粘度稳定性的产品等。

  4.2发展展望

  乳胶漆的流变性能是个很复杂的问题,业内多数人员对其性能的认识、与在涂料中应用技术的掌握还很不够,更好的在涂料中应用则更是值得研究、普及和提高的问题。一些名牌商品的低端产品,在价格不高的情况下具有很好的容器中状态、开罐效果、涂装流平性和涂膜手感等优异性能,其技术要点之一就是流变增稠剂的应用技术问题。因而,随着涂料性能的需要,增稠剂的应用技术将会更加受到重视并得到相应的发展。

  在现有品种上通过性能的改进并进而衍生新的增稠剂品种将是增稠剂的又一发展方向,这是因为现在得到应用的增稠剂的种类很多,但都存在着这样或那样的性能缺陷,根据其对涂料性能的改善和使用的方便性等要求进行改进有一定的发展空间。此外,开发满足不断增长着的涂料性能要求和使用方便性的新型增稠剂,也将是人们谋求技术进步和经济利益不懈追求的目标。

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