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| 增稠劑在乳膠漆行業中的推廣應用及其產業發展 |
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| 2007-3-27 中國聚合物網 |
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乳膠漆是顏料、填料的分散體和聚合物分散體的混合物，必須使用助劑來調節其粘度，使之分別具有生產、儲存和施工各階段所需要的流變性能。這類助劑一般稱為增稠劑，是能夠增大涂料粘度，改善涂料流變性能的一類助劑，因而也稱為流變增稠劑。就乳膠漆流變性能的要求來說，在儲存階段，應有較高的粘度以利于防止分層或沉淀；在施工階段，乳膠漆受到高剪切速率的外力，要求有較低的粘度，刷涂時不拖刷，噴涂時霧化良好，輥涂時無拉濺。涂布后剪切消除，粘度雖恢復但不應太快，使之具有足夠的流平時間。
各種不同的增稠劑雖然都能夠提高涂料的粘度，但由于涂料在生產、儲存和施工各個階段所受到的外加剪切速率不同，并要求涂料表現出相應的性能，因而需要的粘度也就不同。這樣就需要使用不同性能的增稠劑以滿足涂料在不同階段所需要的粘度。
增稠劑一般按其化學組成情況分成有機和無機等類別。目前應用的無機類增稠劑主要是膨潤土；有機類增稠劑主要是纖維素類，丙烯酸類和聚氨酯類等。下面僅介紹常用流變增稠劑的主要特性及其在乳膠漆中的應用情況。
1膨潤土
膨潤土的主要礦物成分為蒙脫石，蒙脫石層間帶負電荷，像一個帶負電的大陰離子，可以吸附陽離子、水和有機極性分子。膨潤土的吸水性很強，能夠吸附本身質量5倍的水；吸附水后體積增大，能夠膨脹至干體積的幾倍至十幾倍，并形成凝膠狀物質。膨潤土在水中能夠釋放出帶電微粒而起到分散劑的功能，可改善水性涂料的懸浮性，增強儲存穩定性。聚乙烯醇、丙烯酸、羥乙基纖維素等有機分子中的—OH、—COOH、—CCOH等極性基團能夠被蒙脫石的層間負電荷所吸引，使極性基團的一端插人層間，形成蒙脫石-有機復合物，這種復合物一旦形成，便具有不可逆性，脫水后則形成疏水物。因而，膨潤土作為增稠劑不但不會影響涂料的耐水性，還能夠使耐水性有所提高；蒙脫石與有機物相互交聯，形成網狀立體結構，提高涂料的懸浮性；其干燥后留在涂膜中能夠起到填料的作用而提高遮蓋力。
由于膨潤土的白度較低以及對涂料流平性的不良影響，在涂料中的應用受到限制，只能在中、低檔內、外墻涂料和厚漿型乳膠漆中應用。在外墻涂料中，膨潤土的使用有利于涂膜的耐水性且價格低，因而適量的使用具有較好的技術經濟效益。膨脹土在顏料體積濃度高于臨界顏料體積濃度的經濟型內墻乳膠漆、普通外墻乳膠漆和厚漿型乳膠漆中有較多的應用；在低顏料體積濃度的有光或半光乳膠漆中幾乎沒有應用。有鑒于膨潤土會影響涂料的流平性以及對顏色產生不良影響，故其使用就受到了限制。
2纖維素類增稠劑
可應用于涂料的纖維素類材料有甲基纖維素、羥乙基纖維素和羥丙基甲基纖維素等。纖維素類增稠劑的最大特征是增稠效果顯著，并賦予涂料一定的保水作用，在某種程度上能夠延緩涂料涂裝時的干燥時間。纖維素類增稠劑還會使涂料具有一定的觸變性，防止涂料儲存中沉淀分層。但是，這類增稠劑同樣會給涂料帶來流平性不良的缺點，當使用高粘度型號的產品時尤其如此。纖維素屬于微生物的營養物質，因而使用時應加強防霉措施。纖維素類增稠劑只能對水相增稠，對水性涂料中其他組分則無增稠作用，也不能使涂料中的顏料和乳液顆粒產生明顯的相互作用，因而無法調節涂料的流變性。纖維素類增稠劑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(一般稱為KU粘度)。
2.1羥乙基纖維素
羥乙基纖維素產品的規格、型號主要是根據取代度和粘度區分。我國的無錫三友化工公司、石家莊金華纖維素公司、瀘州天普精細化工廠、美國阿克隆公司(Agualon)、陶氏化學(Dow Chemica1)公司等都有各種粘度型號和取代度的羥乙基纖維素供應市場。羥乙基纖維素的品種除粘度的差別外，通過生產過程中的改性，還可以分正常溶解型，快速分散型和生物穩定型。就使用方法來說，羥乙基纖維素可在涂料生產過程中的不同階段加入。快速分散型的可以干粉形態直接加人，但加人前體系的pH值應小于7，主要是利用羥乙基纖維素在低pH值下溶解較慢，有充分的時間使水能夠浸潤至顆粒內部，其后再將pH值提高，使之迅速溶解。也可以采用相應的步驟配制成一定濃度的膠液加人涂料體系中。
2.2羥丙基甲基纖維素
羥丙基甲基纖維素的增稠作用和羥乙基纖維素的基本相同，即提高涂料在低剪切速率和中等剪切速率下的粘度。羥丙基甲基纖維素具有抗酶降解性，但水溶性不如羥乙基纖維素，有受熱會膠凝的缺點。對于經表面處理的羥丙基甲基纖維素，使用時可以直接加人水中，攪拌分散后，加人氨水等堿性物質，調節pH值為8～9，攪拌至充分溶解。對于未經表面處理的羥丙基甲基纖維素，使用時可以先用85℃以上的熱水浸泡溶脹，待冷卻至室溫后再加冷水或冰水攪拌使之充分溶解。
2.3甲基纖維素
甲基纖維素的性能與羥丙基甲基纖維素相似，但隨溫度變化的粘度穩定性次之。
羥乙基纖維素是乳膠漆中應用最廣泛的增稠劑，在高、中、低檔乳膠漆和厚漿型乳膠漆中均有應用。廣泛用于普通乳膠漆、灰鈣粉乳膠漆等的增稠。其次是羥丙基甲基纖維素，由于生產廠商的推動，也有一定的用量。甲基纖維素在乳膠漆中幾乎沒有應用，但在粉狀內、外墻膩子中卻得到大量應用，其原因是能夠速溶，保水性好。高粘度的甲基纖維素可賦予膩子突出的觸變性、保水性，使之具有良好的批刮性。
3合成高分子類增稠劑
合成高分子類增稠劑得到較多應用的是丙烯酸和聚氨酯兩類。
3.1丙烯酸類
丙烯酸類增稠劑包括聚丙烯酸鹽和丙烯酸酯共聚物(堿溶脹型)兩類。丙烯酸酯類增稠劑的增稠機理之一是其微粒能夠吸附在涂料中的乳膠粒子表面，堿溶脹后形成包覆層，增大乳膠粒子的體積，使粒子的布朗運動受阻而導致涂料體系的粘度提高；二是增稠劑溶脹增大，增加水相的粘度。在pH值為8～l0的水中，羧基離解，呈溶脹狀態；當pH值大于10時則溶于水而失去增稠作用，因而增稠作用對pH值很敏感。
和纖維素醚類增稠劑一樣，堿溶脹丙烯酸類增稠劑對涂料中其他組分也無增稠作用，且不能使涂料中的顏料和乳液的顆粒產生明顯的相互作用，因而無法調節涂料的流變性。這類增稠劑的特征是增稠效果顯著，成本低，但對涂料的流平性和涂膜的耐水性都有不良影響，其提高的也只是低至中剪切速率的粘度，并相應提高涂料的抗流掛和抗沉降性能。
丙烯酸酯類增稠劑的使用會影響涂膜的耐水性能；由于帶給涂料較強的觸變性而使涂料的流平性變差。因而，這類增稠劑一般只在低檔的內墻乳膠漆中使用，或者作為中檔內墻乳膠漆的輔助增稠劑，在外墻涂料中的應用很少。但是，在中、低檔內墻乳膠漆中，丙烯酸酯類增稠劑幾乎是必用的材料組分，這主要是因為其成本低，增稠效果顯著。
隨著對流變增稠劑合成及應用技術研究的深入，現在的丙烯酸酯類增稠劑中，有的商品經過改性處理，也能夠提高涂料的高剪切速率的粘度，并且能夠賦予涂料良好的流變性能。
3.2聚氨酯類
聚氨酯類增稠劑的增稠機理之一在于其分子可以水合溶脹而使水相增稠，其二是具有表面活性劑分子的性質，其分子是線性親水鏈兩端接有親油基的高分子化合物，即在結構中具有親水和疏水基團。這樣，在它的水溶液濃度超過一定值時就形成膠束。膠束能夠與乳液的聚合物粒子、已吸附有分散劑的顏料顆粒相互締合形成空間網狀結構，互相連結纏繞而使體系粘度增加。因而，聚氨酯類增稠劑也稱為締合型增稠劑。
聚氨酯類增稠劑在涂料中形成的締合結構在高剪切速率下會脫開，在低剪切速率下又重新恢復締合，處于動態平衡狀態，因而能夠調節涂料的流變性，使涂料具有流平性。此外，由于一個分子帶有幾個膠束，這種結構可降低水分的遷移趨向，因而對防止涂料儲存過程中的分層、沉淀效果明顯。這類增稠劑具有疏水性能，對涂膜的耐水性幾乎沒有影響。
這類增稠劑的相對分子質量低，因而在水相中的分子間纏繞有限，對水相的增稠效果不顯著。此外，在低剪切速率范圍內分子之間締合轉換多于分子間的締合破壞，整個體系保持固有懸浮分散狀態，粘度接近分散介質(水)的粘度。因而，它使乳膠漆體系在低剪切速率區時表現出較低的表觀粘度；又由于這類增稠劑因在分散相粒子間的締合而提高了分子間的勢能，這樣，在高剪切速率下為打破分子間的締合就需要更多的能量，要達到同樣的剪切應變需要的剪切力也更大，使體系在高剪切速率下呈現出較高的表觀粘度。換言之，聚氨酯類增稠劑提高涂料在高剪切速率下的粘度(一般稱為ICI粘度)非常顯著，并相應提高涂料的流平性能。不過，隨著材料科學的進展，現在有些聚氨酯類增稠劑也能夠顯著提高涂料低、中剪切速率的粘度。
與丙烯酸酯類和纖維素類增稠劑相比，聚氨酯類增稠劑主要應用于外墻乳膠漆和中、高檔的內墻乳膠漆。較高的高剪切粘度和較低的低剪切粘度則正好可以彌補普通增稠劑(例如丙烯酸類和纖維素類)在涂料流變性能方面存在的不足，即可以將兩種增稠劑復合使用來調節乳膠漆的流變性能，達到涂裝成厚膜和涂膜流平等的綜合要求。
值得指出的是，對于一個好的涂料配方，絕對不會使用一種增稠劑來提高涂料的粘度，一種增稠劑也不能夠滿足涂料的多種性能要求。因而，最好的方法是使用幾種增稠劑來提高涂料在不同剪切速率下的粘度。例如，使用羥乙基纖維素或締合型增稠劑(如羅門哈斯公司的DR- 72)提高涂料的KU粘度，使用聚氨酯類增稠劑提高ICI粘度和賦予涂料更好的流變性能等。這里只是從概念上說明不同增稠劑在涂料中的配合使用，至于如何協調搭配，需要根據試驗以及與所使用的分散劑的相容性等具體情況確定。
4流變增稠劑的發展與展望
4.1流變增稠劑的發展
流變增稠劑作為乳膠漆的一種組分，必然是伴隨著乳膠漆的發展而發展的。由于流變增稠劑能夠改善涂料的流變性能，因而流變增稠劑品種與應用技術的發展使乳膠漆具有更為完善的性能，反過來促進其應用與發展。
我國在以合成樹脂乳液建筑涂料為主導品種以前，水性涂料使用的增稠劑品種基本上局限于膨潤土、纖維素等，應用量也很小。近年來，增稠劑在獲得大量應用的同時，品種、質量和應用技術研究等都相應得到重視。品種增多，用量也快速增長。現在應用的堿溶脹增稠劑、締合型增稠劑等大都是近年來發展起來的或經過性能改進的新型品種。特別是締合型增稠劑，能夠改善乳膠漆的流平性、抗沉降性、容器中狀態、遮蓋力和涂膜手感等，使外墻涂料和高性能的內墻涂料具有更滿意的效果。由于具有較好的效果，對其應用技術的研究亦受到重視。增稠劑近年來的另一進展是開發全新概念的流變增稠劑，例如現在市場上作為涂料助劑銷售的和有些廠家自行研制開發并應用于涂料生產的稱之為“改性膠體”的流變改性劑，即屬于新型的流變增稠劑品種。另一方面，我國是礦產資源豐富的國家，利用天然礦產品作為增稠流變劑也是研究課題之一，例如對膨潤土的深化研究、對海泡石作為增稠流變劑的研究等，也是近年來增稠劑的新進展。
除了開發新品種以外，還對已有增稠劑進行陛能上的改進，使之符合新的要求。例如，羥乙基纖維素和羥丙基甲基纖維素都是傳統使用的產品，不但沒有遭到淘汰，其用量反而越來越大，原因之一是制造商不斷改進、提高這類增稠劑的性能，使之滿足新的要求。例如開發易分散、速溶型、抗生物降解型和使之在較寬的溫度范圍內有更好的粘度穩定性的產品等。
4.2發展展望
乳膠漆的流變性能是個很復雜的問題，業內多數人員對其性能的認識、與在涂料中應用技術的掌握還很不夠，更好的在涂料中應用則更是值得研究、普及和提高的問題。一些名牌商品的低端產品，在價格不高的情況下具有很好的容器中狀態、開罐效果、涂裝流平性和涂膜手感等優異性能，其技術要點之一就是流變增稠劑的應用技術問題。因而，隨著涂料性能的需要，增稠劑的應用技術將會更加受到重視并得到相應的發展。
在現有品種上通過性能的改進并進而衍生新的增稠劑品種將是增稠劑的又一發展方向，這是因為現在得到應用的增稠劑的種類很多，但都存在著這樣或那樣的性能缺陷，根據其對涂料性能的改善和使用的方便性等要求進行改進有一定的發展空間。此外，開發滿足不斷增長著的涂料性能要求和使用方便性的新型增稠劑，也將是人們謀求技術進步和經濟利益不懈追求的目標。
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| （責任編輯：曉靖） |
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