涂料流变学性能_实用化的流变学

涂料流变学性能——实用化的流变学
刘金刚
（中国制浆造纸研究院 １０００２０）
摘 要：文章对涂料流变性能的基本类型、涂料流变性能的基本要求、涂料组分的流变性能作了论述，通过现有仪器的流变性能的测定，预测或模拟实际涂布的运行情况，完善涂料的流变性能，改进涂布运转性。

关键词：流变学 涂料 剪切速率 流变仪 流变性能
１　前言
在实际生产中，许多涂布运转性问题如涂布量难以控制、刮刀压力大、刮刀痕、刮刀涂料析出（翻料）等都可能是涂料流变性能不佳所致。

流变性能直接与涂料的涂布运转性相关联，并间接影响到涂布纸性能。

流变性能是涂料的一项重要性能，通过调整流变性能可以解决很多实际问题，但并不能把流变性能理解为一项单纯的性能指标。

虽然流变性能经常被提及，但由于晦涩难懂难以实用化。

流变学是研究流变性能的科学，简化流变学理论并从中提炼出有价值的结果用于指导实践将是很有意义的。

２　流变学定义
流变学是研究物质变形和流动规律的科学。

流变实际上是一个内涵更为广泛的术语，它不仅包括粘度，而且包括粘弹性和塑性。

当仅讨论流体流动规律时，可以近似地用粘度来理解流变学。

３　涂料流变性能的基本类型
按大类可以把流体分为牛顿型和非牛顿型。

非牛顿型流体又分为剪切速率依存型和时间依存型。

剪切速率依存型是指流体的流动行为随剪切速率的变化而变化，包括假塑型、胀流型和塑型。

时间依存型是指一定剪切速率下流体随时间而变化的流动特性，包括触变型和震凝型。

实际中的造纸涂料都是非牛顿型的。

涂料很难明确地分为剪切速率依存型和时间依存型，但偏重程度是有判别的。

剪切速率依存型和时间依存型流体的流动行为如图１～２所示。

４　涂料流变性能的基本要求
理想的涂料为带有一定触变性的假塑性即剪切稀化或粘度降低的流体，实际的流变性能是上述基本类型的组合。

涂料的运转性不仅指涂布机运转性，还涵盖了全范围涂布工艺过程。

涂料的流变性能要满足全方位包括泵送、过筛、上料、计量、回流和流平等工艺的要求。

正如图３所示，最佳的涂料性能应是一种平衡的结果。

如果涂料的流变性能达不到要求将会产生运转性障碍：
◆全剪切速率范围内的低粘度将引起保水问题；
◆低剪切速率下的高粘度将会产生泵送和启动障碍；
◆高剪切速率下的高粘度将产生过筛和上料障碍；
◆超高剪切速率下的高粘度将会引起：刮刀涂料析出和刮痕、涂布量控制困难和纸幅断头；
◆超高剪切速率下的低粘度将会产生不均匀
的涂布量分布。

图
１　剪切速率依存型流变性能改善流变性能的重要性在于好的流变性能可
能带来：
◆　更高的涂布车速、可获得降低涂布量的
可能性和降低刮刀负荷坏的流变性能可能带来：
◆刮刀涂料析出、条痕、不均匀的涂布量分
布、刮刀痕和高的刮刀负荷
改善流变性能不仅稳定生产过程而且可以获
得经济利益，一个具体的实例如图４所示。

实践中，国内经常采用粘浓度作为评价颜料
流变性能，并以此预测涂料流变性能。

粘浓度是
图４　改善流变性能获得效益的实例
指颜料泥浆粘度达到５００ｍＰａ．ｓ时对应的固含量。

作为流变性能上的考虑，粘浓度越高越好。

粘浓
度并不是流变性能的良好指标。

从测量方法上
看，粘浓度仅适合于常规瓷土，而对于重钙，难
以稳定地测定，而对于煅烧土和某些剥片土则不
适用；另一方面，粘浓度不能预测高剪切粘度，
例如美国Ｎｏ．１土（小于２μｍ占９６～１００％）比Ｎｏ．１
土（小于２μｍ占９２～９４％）的低剪切粘度大，但
它们的高剪切粘度则正好相反，再如有的报告给
出煅烧土的粘度有时可达到６８％左右，但这种泥
浆是无法制备的，因为这一固含量的泥浆显示出
明显的胀流性，即高剪切粘度高。

５　典型涂布工艺的剪切速率范围
通常可以把剪切速率范围分成三类：
◆低～中等剪切速率（０．１～１０００Ｓ－１）—典
型工艺为泵送和涂料制备，其特点是剪切作用时
间长，从几秒到几十分钟；
◆高剪切速率（１０００～１００　０００Ｓ－１）—典型
工艺为过筛、上料和刮棒、气刀涂布，其特点是
剪切作用时间短，可达几毫秒；◆超高剪切速率（１００　０００～２　０００　０００Ｓ－１）—典型工艺为纸上涂料经刮刀计量的瞬间，其特点是剪切作用时间极短，可达几微秒。

不同工艺过程的剪切速率范围如图５所示。

刮刀涂布机剪切速率的估算值如图６所示。

６　测定流变性能的仪器——流变仪最常见的流变仪是控制转速（剪切速率）测
图５　典型涂布工艺的剪切速率范围
图
６　实际生产中剪切速率的估算
定扭矩（应力）。

下面介绍三种典型的流变仪：
◆　Ｂｒｏｏｋｆｉｅｌｄ粘度计—价格便宜、使用方
便、可提供低剪切粘度，但剪切速率不确定、仅
能单点测定、不能预测高剪切粘度，适合于生产
稳定时的日常监控；
◆　Ｈｅｒｃｕｌｅｓ粘度计—剪切速率精确、可提
供完整的流变图及高剪切粘度，但对较低剪切速
率下的测定不敏感、有时只能提供定性信息而不
是定量的结果，适合于预测中到高剪切速率涂布
过程中的流变性能；
◆毛细管粘度计—剪切速率明确、可提供极
高剪切速率下的粘度，但需多次测定进行矫正，
适合于模拟高速涂布过程。

各种流变仪的剪切速率范围如图７所示。

显
然每一种流变仪都有一定的剪切速率范围。

把几
种流变仪的测定结果综合起来才能满足预测大部
分涂布工艺过程的要求。

用上述方法给出三种实
测宽剪切速率范围内的涂料流变性能，结果如图
８～１０所示。

７　涂料组分的流变性能除水之外，涂料有三大组分构成，即颜料、胶粘剂和各种助剂。

下面分别讨论涂料各种组分的流变性能及其对涂料流变性能的影响。

（１）颜料
无论按重量还是体积，颜料都是涂料中的最
大组分，对涂料流变性能有举足轻重的影响。

影
响颜料流变性能的因素主要有化学和／或物理因
素及流体动力学因素。

前者包括静电引力／斥
力、范德华力和空间位阻效应（如高分子物质利
用其长链分子形成空间阻碍，促使颜料粒子彼此
分离）；后者则包括粘度、粒度分布、粒子形
状、水相粘度和固体份额。

图１１给出了轻钙泥浆
的流变性能影响因素。

图１１　影响颜料流变性能的因素
在常规的应用条件下，一般颜料的化学组成
对流变性能影响不大。

某些颜料例如石膏在水中
有少量溶解，可能会对涂料流变性产生影响，表
１给出了一个例子。

表１　颜料化学组成对涂料粘度的影响
图１２　颜料粒子形状对流变性能的影响
图１３　颜料平均粒径对流变性能的影响
图１４　颜料粒度分布对流变性能的影响
在其它条件不变的条件下，一般颜料平均粒
（２）胶乳
胶乳是涂料的主要胶粘剂。

最有代表性的胶
乳是羧基丁苯，其粒径对涂料流变性能的影响如图
１５所示。

小的胶乳粒径对涂料高剪切流变性能有
利，但其低剪切粘度是增加的，结果如图１６所示。

（３）辅助胶粘剂（包括保水剂和增稠剂）
径越小流变性能越好。

图１３给出了一个例子。

虽然窄粒度分布颜料可以提高涂布纸光学性质和涂层覆盖性，但却损害了流变性能。

窄分布轻钙和
宽分布重钙流变性能比较如图１４所示。

图１５ 胶乳粒径对流变性能的影响
在某些情况下，辅助胶粘剂的主要作用可能不是体现在粘接强度上，但它对涂料流变性能的
图１７　
辅助胶粘剂品种对流变性能的影响
图１８　
剪切速率对最佳分散剂用量的影响
图１９　分散剂用量对流变性能的影响影响不可低估。

对于保水剂和增稠剂而言，它们
的核心作用就是调整涂料的保水性和流变性，所
以一般把这一类助剂统称为保水流变性改性剂。

涂料中常见的几种辅助胶粘剂包括保水剂和增稠
剂对流变性能的影响如图１７所示。

在所测定的剪
切速率范围内，ＣＭＣ表现出剪切稀化的流变性特
点，淀粉显示出胀流性，而聚乙烯醇则表现出明
显的胀流性。

剂用量对涂料流变性能的影响如图１９所示。

图中
结果显示，最佳分散剂用量可以显著降低较低剪
切速率下的增稠效应，从而改善了涂料的过筛性
能。

图２２显示出最新的研究结果，过量应用分散
剂可以显著降低刮刀痕的数量。

（４）分散剂
分散剂最佳用量通常是指最低低剪切粘度对
应的分散剂用量。

实际生产中的分散剂用量应该
‘过量’，这其中的一个原因正如图１８所显示８ 涂布运转性对涂料的基本要求
如上所述，涂料的流变性能对涂布运转性影
响显著，而涂料保水性能通过对固含量变化的控
制间接影响涂料流变性能。

良好涂料性能基本要
求可以概括如下：
◆充分的低剪切粘度—为了良好的涂料转
移、不漏涂应足够高；为了便于输送应足够低。

通常１０００～２０００ｍＰａ・ａ（Ｂｒｏｏｋｆｉｅｌｄ　１００ｒｐｍ）。

◆适宜的高剪切粘度—太低将获得不均匀的涂布量分布；太高将难以计量到预定的涂布量。

通常２５～７５ｍＰａ・ｓ（Ｈｅｒｃｕｌｅｓ）◆充分的保水性
９　流变仪测定的涂料流变性能和涂布机运转
性的相关性
为满足实际生产的需要，好的流变仪应能预
测和模拟工艺过程，避免上机后才发现问题而造
成不必要的损失。

随着人们认识的深入，正在接
近这一目标。

（１）不同剪切粘度和刮刀负荷间的相关性
刮刀负荷与刮刀下的涂料粘度密切相关，由
于毛细管粘度计可以获得与实际刮刀涂布接近的
剪切速率，其测定值与刮刀负荷有最好的相关图１６　胶乳粒径对低剪切粘度的影响
的，剪切速率增加，分散剂最佳用量增加。

分散
性：
◆Ｂｒｏｏｋｆｉｅｌｄ粘度与刮刀负荷没有相关性，相关系数０．０７
◆Ｈａａｋｅ粘度（４０　０００ｓ－１）与刮刀负荷有较好的相关性，相关系数０．８４
◆ＡＣＡＶ　Ａ２粘度（１００００００Ｓ－１）与刮刀负荷有最好的相关性，相关系数为０．９４
（２）不同剪切粘度对刮痕数量的影响
刮痕是刮刀涂布常见的问题，通过流变仪的测定可以对刮痕数量做出某些预测，不同类型的粘度计显示出不同的效果。

具体的结果如图２０～２２所示。

显然具有与实际刮刀涂布类似结构的狭
缝式粘度计给出最好的结果。

图２０　Ｈｅｒｃｕｌｅｓ粘度对刮痕数量的影响
图２１　
毛细管粘度对刮痕数量的影响
图２２　
狭缝“有效粘度”对刮痕数量的影响
图２３　涂料流变性能的剪切稳定性有时涂料的剪切稳定性不好可能会引起‘流变性’刮痕（指不是由刮刀塞料所造成的刮痕），而且这种刮痕会越来越严重。

图２３给出了一个例子。

１０ 结束语
流变学是一门深奥且复杂的学科，至今仍有很多理论问题没有搞清。

尽管如此，随着应用性研究的深入，已总结出一些实用规律用于指导实践。

通过现有仪器的流变性能的测定，可以在一定程度上预测或模拟实际涂布的运行情况。

完善涂料的流变性能，可以改进涂布运转性，并从中受益。

（３）流变性能剪切稳定性对刮痕的影响
The hydrokinetics of the coatings
——the applied technology
Liu Jigang
(China academe Pulp And Paper industry,100020)
Abstract: It was discoursed that the type of the coating's hydrokinetics, and the request of coating's the composition, based on laboratory measurement, which will be beneficial to improving the hydrokinetics performance and runnability of coatings.
Keyword: hydrokinetics, coating, cut rate, the hydrokinetics apparatus, hydrokinetics characteristics.。