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【双塔漆知识分享】流变剂作用原理及应用

日期:2016-01-20

一、流变剂的作用

流变剂是涂料中的关键成分,它可以控制流体产品的精密特性和特征,没有这些介质就会像水一样“流来流去”,油漆在涂布过程中就会四处飞溅,覆盖能力变小,而且保存期限也会缩短。可采用流变助剂调整油漆的流动性,减少在辊涂或刷涂过程中发生的滴落和飞溅,油漆粘度快速且受控地增加,从而改善了抗流挂性。在涂料运输或储存过程中,流变助剂可防止配方中颜料沉降,确保了最终产品的一致性,耐久性和良好的涂布特性之间达到理性的平衡。

二、流变术语和定义

如果某种物质的粘度可在不同的剪切速率下保持不变,我们称之为表现出理想粘度或“牛顿粘度”,牛顿流体一般仅出现在低分子量的液体中,例如水、溶剂和矿物油。较为复杂的体系通常具有依赖于剪切速率的流动特性。如果粘度随着剪切速率的增加而减小,这种流动特性称为剪切稀释或假塑性。大多数涂料和聚合物溶液都表现出假塑特性。

触变性流体在施加剪切力后,表现出时间依赖性粘度重建。一旦停止施加剪切力,粘度就会逐渐恢复。触变性的程度通常以所谓的滞后面积表示。触变特性对于涂布到垂直表面上的油漆是有利的,因为在垂直表面上,在刷子或辊筒的剪切下粘度下降,实现了流平,然后再逐渐恢复以防止流挂。如果材料的粘度随着剪切速率的增大而上升,则为胀流型(剪切增稠)。例如,固含量或聚合物浓度较高的粘合剂体系会表现出胀流特性。在工业实践中,胀流特性通常是不可取的,因为它可能会在涉及泵送或搅拌的工艺中造成一些问题。在油漆或涂料的整个生命周期(例如生产、搅拌、填装、储存、涂布、刷涂、喷涂)中,可能涉及不同的剪切速率和流变需求,如下图:

粘度—尤其是非牛顿粘度特征—是一种重要的材料特征,它构成了流体的性能。由于油漆被赋予了假塑性,因此其在储存过程中表现出高稳定性。他还可以在低剪切速率下进行。油漆或涂料通常在相对较高的剪切条件(刷涂,喷涂)下被涂布。此时粘度比较有利。

通常,油漆在涂布后需要进行一定程度的流平,因此粘度恢复过快是不可取的。但如果恢复过慢则会导致流挂和滴落。而部分体系又可能需要较为快速地恢复粘度。在这种情况下,全面了解不同流变助剂可赋予的流动特性有助于针对所需的应用选择最适合的产品。

一、流变助剂的种类

在涂料技术中,流变改性剂主要用来提供假塑或触变特性。流变特性由涂料配方中成分的组成和浓度决定,涂料配方由粘合剂(聚合物、低聚物、活性稀释剂)、溶剂(有机、水)、颜料(有机、无机)、填充剂和助剂(稳定剂、引发剂、催化剂等)构成。因此,并不存在适合所有涂料的通用解决方案,而是有很多种不同的技术和产品,它们有着或多或少明确的应用限制。最突出的一点是,从生产工艺到运输、储存,以及最终的(工业)应用过程,涂料配方在其使用周期中的流变特性可能千差万别,现有的所有流变改性剂可以划分为无机和有机化学品两大类:

(1)无机流变助剂—最常见的改性和未改性无机流变改性剂包括绿坡缕石粘土、膨润土、有机粘土以及经处理和未处理的合成二氧化硅。大多数无机增稠剂和流变改性剂都以粉末形式提供。如果将它们适当地分散于涂料中,通常能够起到悬浮剂或胶凝剂的作用,部分还有颜料增量剂等次要用途。无机流变改性剂往往拥有较高的塑变值,并具有触变胶特征,有时会被作为次要增稠剂添加到水性配方中,用于改善涂料的抗流挂、抗沉降、抗脱水收缩和抗飞溅特性

(2)有机流变改性剂的类型比无机流变改性剂更加丰富多样。它们可以细分为基于天然原材料的产品,如纤维素或黄原胶,以及基于合成有机化学物质的产品,如聚丙烯酸酯或聚氨酯。此外,合成产品可以进一步细分为缔合型和非缔合型流变改性剂:

非缔合型流变助剂,通过可溶性、高分子量聚合物链的缠结而发挥作用(“流体动力学增稠”)。非缔合型增稠剂的功效主要受聚合物的分子量控制;以非缔合方式增稠的配方具有假塑性流变能力和高弹性。即使在用于厚浆型涂料时,这种配方也能产生良好的抗沉降稳定性和低流挂性,非缔合型增稠体系通常表现出有限的流动性。聚合物的高分子量有时可引起兼容性问题,例如絮凝。

缔合型流变助剂,缔合型流变改性剂通过增稠剂分子的疏水性端基与自身和涂料成分之间的非特异性相互作用增稠,可形成一种所谓的“物理网状物”,在恒定的剪切条件下,配方的粘度通常随着时间的推移而下降,这是因为它的凝胶结构会被分解。如果移除剪切作用,涂料将会逐渐恢复至其初始粘度。特定等级或矿物质类型对于增稠水性体系十分有效,其他类型则适合于溶剂基涂料。在一种介质或其他介质中的应用主要取决于增稠剂的颗粒表面,该颗粒表面可经过有机改性而使增稠剂具有疏水性,以适用于溶剂基涂料。

四、常用流变助剂分类及特性

(1)非离子缔合型流变助剂(聚氨酯、聚醚)

对于配方来说主要优点:广泛的流变特性、在多种树脂体系中非常有效、非PH依赖性、改善耐擦洗性、对吸水量和耐水白影响较小、出色的流平性、减少飞溅;局限性:其他成分(表面活性剂、溶剂、聚合物分散体、颜料、)可能会影响增稠性能。与其他常用增稠剂相比,聚氨酯和聚醚缔合型流变改性剂具有一系列优点:①可形成多种流变特性;在多种树脂类型中有效;②易于辊涂和喷涂;③改善了涂布特性;④优化了流动性、流平性和抗流挂性;

(2)丙烯酸流变助剂

对于配方来说的主要优点: 较强的剪切稀释作用(假塑性)、 抗沉降和抗流挂、杰出的喷涂特性、良好的着色后粘度稳定性、易于操作;低粘度;局限性:pH 敏感性、Ca 离子敏感性、有限的防水性和耐擦洗性、易水白;

(3))绿坡缕石—水合硅酸铝镁

绿坡缕石流变改性剂可在多种液体体系中提供广泛的性能优势,采用特殊加工的绿坡缕石(一种水合硅酸铝镁)和粘土矿物漂白土系列的主要产品制成,是一种超细的矿物质,含有亚微米颗粒束。当亚微米颗粒束均匀分散到液体体系中时,胶体颗粒相互作用形成网状物,可捕获液体和更小的颗粒,并使较大的颗粒悬浮,是一种极其有效的可在广泛的液体体系中提供一致的性能。制造商用它来完全或部分替代较为昂贵的流变剂,以期在产品的生命周期中获得它所带胶凝剂、触变胶和悬浮剂来的各种优势。相比其他常用增稠剂和悬浮剂,绿坡缕石流变改性剂产品具有明显的优势:①在配制过程中,Attagel 胶体粘土易于分散在水基和溶剂基体系中;②在配制中提供了广泛的宽容度,因为它们本质上具有惰性,而且与大多数助剂兼容,可耐受大多数物理和化学环境;③无需特殊溶剂、活化剂或改性剂,除了在建议使用表面活性剂的溶剂基体中;④在最终应用中,可辅助脱水收缩控制、抗流挂、成膜、流平、防飞溅、铺展性、拉丝、着色强度和覆盖;⑤储存期间产品可减少液体分离(脱水收缩),不膨胀,在广泛的 pH 值和温度范围内保持稳定,不溶于有机液体,并且通常能够抗沉降;

(4)基于羟化蓖麻油的有机触变胶—适用于溶剂体系的流变助剂

为了控制溶剂基涂料的流变能力或增加其粘度,使用了许多不同的有机和无机活性物质的氢化蓖麻油可以在不同的涂料体系中提供稳定的增稠作用。同时,这些产品还具有高触变性,因此可以应用较大的膜厚度。垂直表面上厚膜的流挂得以有效预防,并且还改善了工作和流动特性。颜料沉降也大大减少都是经过微粒化的粉末。特点:①基于氢化蓖麻油的有机触变胶,适用于非水性配方:②在不同涂料体系中提供稳定的增稠作用,还具有高触变性;③流挂得以有效预防,同时改善了工作和流动特性,颜料沉降大大减少;④需要足够的剪切力来确保 粉末充分分散。优选在添加颜料前于高速碾磨机中制备预凝胶;⑤必须遵守特定的温度限制。

五、测量流变作用的方法

(1)Brookfield 粘度计 — 适用于低到中剪切范围;

(2)Krebs Stormer 粘度计(KU) — 适用于中剪切范围;

(3)ICI 锥板粘度计 (ICI) — 适用于高剪切范围;

(4)流变仪 — 通用,低到高剪切范围;

Brookfield 和 Krebs Stormer 粘度计均为常用工具,它们操作简单,常被用作质量控制工具,在给定温度和特定剪切条件下测量粘度。Brookfield粘度计可测量在一种流体中旋转转子所需的转矩。在给定的粘度下,粘滞曳力或流动阻力(以弹簧卷绕的程度表示)与转子的旋转速度成正比,并且与转子的大小和形状相关。通过改变速度或更换转子,可以测量多种粘度范围。

若要全面了解体系的流变特性,需要使用流变仪,因为它可以在广泛的剪切范围内进行多次测量。使用较先进的流变仪可以精确测量低、中和高剪切速率的粘度。这种流变仪可以在多种模式下工作(例如,受控的剪切应力模式、受控的剪切速率模式或震荡模式)。通过连续或递增测量,这类仪器可以追踪流动参数的变化,准确地测量各种条件下的剪切速率、剪切应力和粘度。

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