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添加剂介绍

添加剂介绍

时 间: 2022-03-07

访 问:11,304 次

摘 要: img{max-width:100%;} img{max-width:10…

作者 Mike Praw,高级应用科学家 – 油漆、涂料和油墨,Indorama Ventures:集成氧化物及其衍生物,德克萨斯州,The Woodlands

 

 

 

 

这将是关于添加剂介绍的四篇文章中的第一篇。本文将介绍添加剂,并详细介绍流变改性剂和悬浮剂。本系列的其他文章将涵盖消泡剂,表面张力改性剂,最后是表面活性剂和颜料分散剂。未来的文章还将包括溶剂、树脂、颜料和其他涂料原材料等内容。

 

 

涂料用添加剂

 

添加剂用量少,在涂料原材料中的单位成本最高。它们主要用于促进生产、改善湿涂层,或提高最终漆膜的某些性能。它们在涂料中是绝对必需的;然而,并非越多越好。事实上,许多添加剂若含量过高,则会影响涂层性能。

 

添加剂类型包括:

 

• 流变改性剂和悬浮剂;
• 消泡剂和空气释放剂;
• 流动和基材润湿剂;
• 催干剂和催化剂;
• 颜料分散剂;
• 杀菌剂:(杀菌剂、防霉剂、防腐剂等等);
• 表面滑爽/耐刮擦剂;
• 紫外线防护剂(紫外线吸收剂、受阻胺光稳定剂、纳米颗粒等);
• 非颜料防腐蚀剂(在介绍颜料的内容中,我们将介绍颜料类防腐蚀剂);
• 增塑剂(用于成膜的增塑剂将在溶剂的内容中进行介绍)。

 

一般的经验法则是,添加剂在涂料最终配方中所占比例应小于2%(按重量计算)。如果您的数值高于该值,最好重新评估您的配方。更重要的是一开始就选择正确的添加剂,而非添加更多的助剂来解决问题,这可能与添加剂公司给您的建议恰好相反。

 

一个常见的配方错误是使用添加剂来解决一个问题,这极可能会产生另一个问题。然后您再使用另一种添加剂,这又会产生一个不同的问题,循环继续,导致“添加剂问题螺旋式上升”。例如,添加一种基材润湿剂,它可以稳定大泡沫,添加一种消泡剂来消除这些大泡沫,就会得到表面缺陷。现在您可以为表面缺陷添加流平剂并稳定微泡沫,导致需要一个除气剂了。接下来,除气剂又会干扰流变剂,提高粘度,但又导致需要更多的基材润湿剂。如您所见,您必须了解这些助剂所有的相互作用,才能选择正确的助剂组合,使成本最小化,使性能最大化。涂料配方易陷入的最大陷阱即,有一个最喜欢的添加剂组合,并无处不在地使用它。在一个体系中作用较好的东西在另一个体系中可能起不到太大的作用。每个体系都是独特的,需要适合它自己的添加剂,否则您只会使用一种您已经配制好了的涂料。

 

 

流变改性剂和悬浮剂

 

流变改性剂

 

流变改性剂和悬浮剂通常属于同一类别,但有两个截然不同的用途。流变改性剂用于调整涂料的粘度、流动性、流平性和抗流挂性,以优化涂料的特定应用方法。它们会影响膜厚和外观、混合、成膜和沉降等。常见的水性流变改性剂包括纤维素、聚氨酯(HEUR)、碱膨胀(ASE、HASE)、粘土(高岭土、膨润土、凹凸棒土)、蜡和气相二氧化硅。它们以不同的方式工作:缔合(很大程度上取决于与表面活性剂或树脂的相互作用)、体积填充、卡屋结构等等。

 

流变学是研究物质流动的科学。粘度是流体对剪切、伸长或拉伸应力引起的变形的阻力,它只是流变学的一部分。涂料可以表现为牛顿流体、膨胀性流体或假塑性流体。在牛顿流体中,无论施加多大的剪切力,粘度都是不变的。在膨胀性或剪切增稠流体中,粘度随剪切力的增加而增加。在假塑性或剪切变稀流体中,粘度随剪切力的增大而减小。我将在本文后面讨论触变性,它是假塑性流体的一种特殊形式。

 

图1说明了施加不同剪切力时粘度的差异变化。请注意,流体的行为仅在指定的粘度范围内。所有假塑性涂料都具有一个无剪切的高粘度点。随着剪切速率的增加,粘度逐渐降低,直到达到高剪切平台,这是粘度应该记录的范围。一旦剪切增加超过高剪切平台,由于固体颗粒(树脂、颜料等)在非层流系统中的运动,粘度会增加,实际上变成膨胀。图2说明了这些特性。

 

 

 

 

 

 

 

 

在涂料配方中,假塑性行为是最常见的,但要避免有时在颜料分散体中观察到的膨胀行为。膨胀行为高度依赖于颗粒的浓度。在足够高的浓度下,几乎所有硬颗粒的分散体都会表现出膨胀行为。溶剂型涂料往往比水性涂料更具牛顿性(更少假塑性),因为溶剂挥发会增加涂料涂覆后的粘度,防止下垂和流挂产生。不可能存在真正的牛顿涂料体系。溶剂型清漆是近似牛顿流体的,但在高剪切时会表现出轻微的粘度降低。牛顿、膨胀性和假塑性行为见图1。

 

在涂料中,剪切变形最常用,可以在不同的范围内进行测量。喷涂施工是个例外,其拉伸变形决定了液滴的大小。滚涂飞溅是伸长率粘度,可以测量,但并不常见。粘度可以而且应该在不同的剪切速率下进行测量。虽然低、中、高剪切速率是主观的,但低剪切速率是评估沉降、流挂和流平的最佳方法。涂料的中等剪切速率测量适用于浸涂、浇涂和刷涂。高剪切测量最适合刷涂或辊涂。这些不同的剪切速率取决于正在制备的涂料体系。历史上,最早只能进行单点粘度测量,但后面出现了价格合理的流变仪,可以测量粘度范围内的剪切速率,改善了涂料的流变优化。当使用具有不同剪切速率依赖性的添加剂时,单点粘度测量可能产生巨大的潜在误差。两个涂料在一个点(即剪切速率)可能具有相同的粘度,但如果它们的假塑性行为有所不同,应用差异就会变得明显。

 

粘度杯(Zahn,Ford,DIN)用于低到中等剪切力的测量。粘度杯是底部有一个孔的容器,测量方法是通过计时杯子清空所需的时间来完成的。杯的形状和大小由类型决定,后面是一个数字表示孔的大小。它们用于低粘度液体,如传统的喷涂涂料或色漆。由于用户的不同,它们的使用结果具有较高的变化,并且它们只能准确地用于测量接近牛顿的流体。由于其低成本和易用性,使它们变得非常普遍。有些涂料是为了通过容器的塞孔而设计的,因此不需要取出样品。转子和桨叶粘度计(Brookfield,Stormer)用于中等剪切速率的测量。传统上,它们被用于中高粘度的涂料。转子粘度计的粘度范围比桨式粘度计更广,但在粘度较高的体系中,它们产生通道,会导致测量误差。旋转转子可使主轴上的层流一致,为了使转子粘度计能够准确、反复地测量粘度,我们要等体系平衡后再进行测量。如果粘度过高,特别是在假塑性流体中,新流体可能无法快速到达转子,无法取代层流所取代的流体,即层流被中断。因此,围绕转子的通道产生了不一致或不准确的读数。桨叶粘度计具有偏置桨,以最大限度地减少通道产生,最适合中到高粘度的涂料。这些类型的粘度计传统上被用于建筑涂料(桨叶)和工业涂料(转子)。

 

旋转粘度计(锥形板、平行板)可用于任何剪切速率,但通常用于高剪切力的测量。它们最适合于确定涂料在刷涂、辊涂或喷涂时的性能。
理想情况下,您希望涂料在低剪切力时具有高粘度,以防止颜料沉降或分层,在涂覆应用时具有低粘度,以帮助流动和流平,然后在去除剪切力时快速恢复到高粘度,以防止流挂。因此,涂料的假塑性行为是十分理想的。问题是涂料具有随时间而变化的特性。触变性是指假塑性流体被剪切后而不恢复到原来粘度的行为。液体的触变性越强,在低剪切或无剪切时粘度的变化就越大。这意味着,如果涂层是触变性的,它可能是不稳定的,如果它被剪切多次,它可能具有较低的粘度,这将影响沉降和施工(假塑性和触变性行为见图1)。假塑性和触变性经常交互使用,但不应互换。图3突出显示了普通涂料应用时的剪切速率。

 

 

 

 

 

悬浮剂

 

防沉降剂(通常称为沉降剂)或悬浮剂用于防止颜料或其他固体在涂料中沉降。斯托克斯定律表明,粘度只是影响沉降的因素之一(粒径、密度、形状和摩擦力也影响沉降速率)。防沉降剂的作用是防止固体从溶液中下沉。它们还可以帮助防止硬填料沉降,使颗粒容易被重新掺和在一起。

 

 

斯托克斯定律

 

Fd = 6πµRνs
Fd = 摩擦力或斯托克斯阻力
µ = 动态粘度(牛顿 秒/米2)
R = 颗粒半径
νs = 颗粒的沉降粘度
= 2x(颗粒密度 流体密度)x(重力)x(半径2)。
9 µ

 

了解流体和颗粒的密度是很重要的。如果颗粒密度小于流体,颗粒就会上升而不是沉降。中空玻璃球、聚合物颜料、蜡等可能比涂料中的液相密度低。流变改性剂或沉降剂的最后一个作用是防止涂层中的脱水或分层现象。这是由于密度不同,涂料中不同成分产生的分层。分层可以是任何东西,从溶剂(记住水也是溶剂)到容器底部的树脂等等。在极端情况下,树脂会与涂料中的水分离,并可通过聚结过程,形成固体。

流变性、粘度、抗沉降和抗分层改性剂在涂料配方中都极为重要,其效果比大多数其他添加剂更为显著。重要的是要记住,流变改性剂的设计是为了增加低剪切或整体牛顿粘度。

 

 

流变改性剂的类型

 

碱性增稠剂

 

碱溶胀(ASE)和疏水改性碱溶胀(HASE)增稠剂是用于水性体系中抗流挂和颜料悬浮的剪切稀化乳剂。它们还会影响涂料的应用粘度,改变流挂和流平性能。HASE增稠剂是ASE的疏水改性版本,通过添加疏水性的官能团,并由于其碱溶胀性和缔合性的结合,在使用相同添加量时,它会比ASE具有更大的粘度。这两种都是低粘度液体,当pH值升高到阈值以上时,会变稠,并大大增加粘度。ASE是非缔合的,HASE由于疏水性官能团的存在而倾向于缔合型。碱溶胀
增稠剂的缺点是,如果pH值偏离理想范围,其粘度会下降,性能将受到影响。

 

 

非离子合成增稠剂

 

疏水改性聚氨酯(HEUR)和疏水改性聚醚(HMPE)增稠剂的工作原理是使疏水区域与树脂相结合,建立一个三维的结合网络结构。由于这些添加剂的非离子性,与ASE和HASE相比,它们对通过漆膜的水汽传输的影响较小。它们在水相中缔合(聚集)在一起,并与树脂或其他疏水成分相缔合而起作用。其他添加剂或溶剂可增加或减少缔合型增稠剂的缔合性,导致功效的变化。它们的性能也比碱溶胀更不受pH值的影响。图4说明了它们的工作原理。

 

 

 

 

 

纤维素增稠剂

 

纤维素增稠剂不溶于水,有一个不灵活的聚合物主链,靠水来增稠。它们具有低剪切粘度,对高剪切粘度的影响很小,纤维素增稠剂的假塑性也十分理想。它们通常是羟乙基纤维素(HEC)或改性HEC,通过与水的氢键结合来提高粘度。作为一种增稠剂,它们赋予某些涂料理想的性能,并具有较好的抗流挂、抗沉降和抗分水性能。然而,纤维素增稠剂也增加了絮凝的可能性,会影响光泽度,耐擦洗和抗飞溅等性能,容易受到微生物的攻击,并且只适用于水性体系。疏水改性的羟乙基纤维素(HM-HEC),通过疏水改性可以实现缔合增稠,与标准的HEC增稠机制相同。

 

 

无机增稠剂(粘土和二氧化硅)

 

粘土是天然存在的水合硅酸铝,一般与其他增稠剂搭配,很少作为单一的增稠剂来使用,高岭土是最常用的粘土。在涂料中使用的其他粘土还包括凹凸棒土和膨润土。粘土可赋予触变性,防止分水和提高抗流挂性,但是,会降低光泽度。高岭土和凹凸棒土是不膨胀的,而膨润土被认为是膨胀型的。由于粘土的高长径比与电荷稳定(边缘和中心有不同电荷的极性性质)相结合,会建立具有稳定性的卡屋结构。粘土适用于水性、溶剂型和100%固体分涂料体系,但是需要一些极性性质来使颗粒膨胀并提供稳定性。

 

二氧化硅通过粒子间的氢键形成松散的网状结构。在静止时,网状结构是稳定的,但很容易被剪切力破坏,当恢复静止时,网状结构会还原。二氧化硅可以在进行亲水和疏水改性后,在所有涂料体系中工作。它们具有触变性、抗沉降和抗流挂性。它们不能作为单一的增稠剂使用,会降低涂层光泽,并可能对pH值敏感。表1显示了粘土和二氧化硅增稠剂的区别。

 

 

 

 

 

还有许多其他类型的流变改性剂,包括改性蓖麻油,聚酰胺等,但由于本文篇幅,仅撰述了它的主要类型。一般来说,您在配方中不会只使用一种类型的增稠剂,因为它们的组合使用可改善最终涂层的性能。常见的组合是粘土和纤维素的搭配,一般用于经济型的水性涂料;高性能水性涂料一般使用缔合型、粘土和纤维素增稠剂的搭配组合。对于溶剂型和100%固体分的体系,粘土和二氧化硅的组合效果最好。表2对一些常见的增稠剂进行了比较。

 

 

 

 

 

 

结论

 

总之,了解添加剂的使用和选择合适的添加剂组合,将对涂料的性能和成本产生重大影响。流变改性剂将有助于增加体系的稳定性,并最大限度地提高涂料的应用性能。本系列文章的下一期内容将具体介绍消泡剂。

 

 

作者简介

 

Mike在蒙特利尔出生并长大,现在住在休斯顿地区。他拥有34年的涂料配方经验,在涂料公司工作了18年,在原材料供应公司工作了16年,目前是Indorama Ventures公司集成氧化物及其衍生物部门油漆、涂料和油墨方面的高级应用科学家。他拥有分析化学和环境科学学位,以及工商管理硕士学位。Mike还曾是底特律涂料技术协会和皮埃蒙特涂料技术协会的前主席,并在芝加哥涂料技术协会董事会任过职。Mike是加拿大武装部队的老兵,曾在加拿大步兵部队服役15年。

 

 

 

 

 

本文所含的所有信息均按“原样”提供,不作任何明示或暗示,在任何情况下,作者或Indorama公司均不对因使用或依赖此类信息而造成的任何性质的损害负责。本出版物中的任何内容均不应被解释为任何实体的任何知识产权许可,或建议或授权采取任何可能侵犯任何专利的行为。“Indorama”一词仅为方便起见,指Indorama Ventures有限责任公司、其直接和间接附属公司及其雇员、高级职员和董事等。

 

 

 

 

本文收录在《PCI中文版》杂志2021年7月刊中

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