PUR增稠剂的作用机理及在水性涂料中的应用

PUR增稠剂的作用机理及在水性涂料中的应用

报告编号：7.01E 概况

水性涂料都采用增稠剂，为系统提供理想的流变性能。除了传统的增稠剂，如高分子量纤维素醚、多糖和无机增稠剂以外，人们开始使用越来越多的聚氨酯增稠剂。PUR增稠剂具有极强的牛顿流动特性，其流平性能、一次刷涂厚度和耐擦洗性都是最佳的。PUR增稠剂的增稠作用机理为分子里内含的疏水和亲水成分。

1.介绍

水稀释涂料的出现已经有几十年了。50年以前，乳胶漆在涂料工业中起着重要作用。越来越多的人有兴趣将乳胶漆用于各种广泛的应用，如替代含有机溶剂的醇酸树脂涂料，这个数量明显增加。其中，最重要的原因是这种水性涂料更环保。作为高光泽、易于施工、具有良好流平性能的醇酸树脂涂料的替代品，这种水性涂料会出现大量问题，如润湿性能、泡沫的形成、干燥性能、流平差、刷涂性、成膜性能，等等。最后3个性能受流变性的影响尤其明显。通常，通过纤维素增稠剂的辅助作用，来调节常规乳胶漆的流变性。这种涂料的流变性能与传统醇酸树脂涂料不同。

该乳胶漆的粘度曲线（流变性）表现出粘度与剪切速率的一种非线性相关关系。剪切速率的增加将引起粘度（结构粘度）的减少。至于醇酸树脂涂料，当粘度出现少量减少时，涂料的结构粘度即降低。这种流变性的不同说明了乳胶漆和醇酸树脂涂料在流动性能和涂层厚度上的不同。而聚氨酯或PUR增稠剂是流变助剂领域中一个最重要的成果。

这种缔合型增稠剂用于水性涂料配方，这些涂料的流变性能与醇酸树脂涂料一致。该文将详细说明这种PUR增稠剂系列的性能和用途，并与传统增稠剂相比较。

2.流变学

流变学是研究物质流动性能的一门科学。

2.1流动行为和流动

液体流动分为层流和湍流。如果人们将平行、无限薄的几个液体层（我们可以将它看作液体的组成）相对移动到另一层，没有出现液体层混合，这种液体流动为层流。如果液体层出现混合，这种流动即为扩散流动。当引入的大量能量（用于引起液体流动）消失并且不用于实

际流动目的时，即产生紊流。在层流中，液体层不相互混合。因此层流较容易用数学数语解释。在涂料的生产和应用中，层流是最主要的液体流动方式。

2.2剪切应力、剪切力和粘度

让我们假定包含无限数量液体层的一定体积的液体，现在在最上层施加力，力的方向与各层界面并行。

力的大小为K（牛顿）

层的表面面积为O（m2）

在此情况下，作用于m2力

这种应力为剪切应力，用τ表示。该剪切应力是引起相邻两层液体相对移动的力。

τ＝K／O（牛顿／m2）

由于全部体积液体的最上层施加的剪应力，推动该层按照力的方向流动。由于相邻液层通过剪应力承受该液层，该液层不能自由流动。反过来，该液层通过剪应力支持相邻液层。等等。至于最底层液体，由于受到平坦的液体涂刷表面的限制，该层牢固地粘附在此表面，不会移动。根据其距离，划分流速差值，得到剪切速率D（即剪切力梯度和剪切力速度）。如果指定最上层的流速为V，各层的总共厚度为Y，得到以下公式：

D=剪切速率

V/Y = m／sec·1／m = sec-1

τ与D之间的商数为粘度系数η，简称为“粘度”。

η＝τ／D ＝牛顿·sec／m２或帕斯卡·sec (Pa.s)

粘度是流动阻力的度量，通过流动阻力，防止液体变形。

2.3流变行为的测量仪器

如果在使用前搅动典型涂料，其剪切速率通常在10到100sec-1之间。在此范围，通过用两种广泛用于涂料工业的粘度计，即Brookfield和Stormer粘度计进行测量。

然而在大多数常规使用方法，如喷涂、滚筒覆盖和涂刷中，剪切速率在10,000到40,000sec－１之间变化。由于涂料通常显示出假塑性流动特性，粘度计不适合测量高剪切速率范围（1,000sec－１以上），因而不能提供涂料在施工中的有关粘度性能的数据。能够在较广剪力范围进行测量的仪器有Haake Rotovisco，Ferranti-Shirley粘度仪和Contraves Rheomat.

可以通过使用一种测量中度范围的粘度计（如Brookfield，Stormer）和一种测量较高范围的设施（如ICI Cone和平板粘度计）来达到一种折中方案。

3.用于涂料的增稠剂

以下为用于水性涂料的增稠剂：

●纤维素增稠剂

●多糖

●碱溶性丙烯酸增稠剂

●聚氨酯增稠剂

3.1纤维素增稠剂

50年来，纤维素增稠剂是一种最重要的水性涂料流变助剂。尽管纤维素不溶于水，但通过化学反应，它可以溶于水。最有名的纤维素增稠剂包括：

羟乙基纤维素：HEC

羟丙基甲基纤维素：HPMC

羧甲基纤维素：CMC

乙基羟乙基纤维素：EHEC

纤维素分子是一种高分子链，包括多个脱水葡萄糖单元。

通过分子间的和分子内氢键的形成，以及水合作用（图3）和分子链的链缠结，增加粘度。换句话说，纤维素增稠剂增稠水相，该增稠作用不受连结料、颜料和助剂的影响。

这种分子链较长、有分支，部分呈卷曲状。在其余情况下，分子链处于理想的无序状态（高粘度）。随着剪切速率的增加，分了逐渐与流动方向平行，这使一个分子到另一个分子之间的滑动更为容易，即低粘度（参考文献2）。因而，这种纤维素增稠剂表现出假塑性和结构粘度。通过高分子量的纤维素醚，可获得明显的假塑流动性能。现将纤维素增稠剂的正面影响和负面影响总结如下：

纤维素增稠剂

正面影响

●通用

●流动性

负面影响

●流平

●假塑性

●喷涂

●涂层的形成

●覆盖力

●水敏感性

●生物稳定性

3.2多糖

多糖族包括黄原酸增稠剂和瓜尔胶增稠剂，都是高分子量的天然产品。这些产品的使用会带来高结构粘度，比纤维素增稠剂还高。与纤维素相比，对多糖的正面影响和负面影响的总结如下：

多糖

正面影响

●生物稳定性

负面影响

●重复性差

●价格

●流平

在实践中，这些增稠剂在涂料工业中没有起着重要作用。

3.3丙烯酸酯

丙烯酸酯是第一种完全由人工合成的增稠剂，用于乳胶漆。通常，丙烯酸增稠剂为丙烯酸或异丁烯酸（含有异丁烯酸甲酯、丙烯酸乙酯）的共聚物和三元共聚物。

这些增稠剂为浓度约为40%的溶液和酸性乳液。通过中和作用溶解聚合链。由于该作用和相同分子内聚合物基团的静电排斥作用，溶液的粘度增加。与纤维素增稠剂相反，因为通过分子链的盘屈来增加粘度，并且分子量比较低，所以粘度的增加程度较小。与纤维素增稠剂相比，丙烯酸增稠剂的结构粘度较低。其缺点在于中和反应后丙烯酸分子的高亲水性，因此对涂层的耐水溶胀性产生了影响，并且导致颜料的絮凝。最后，大量羧酸基吸附在常规颜料表面，如二氧化钛。多种羧基出现在同一分子里，长分子链可以形成桥键，其距离足以连接两个单独的颜料颗粒。聚丙烯酸酯增稠剂的正面影响和负面影响总结如下：

丙烯酸增稠剂

正面影响

●流平

●生物稳定性

●涂层厚度

●与颜料浆的兼容性