新一代的着色粘度稳定剂
作者 Martin Kays，技术支持经理——销售和分销，BYK美国有限公司，肯塔基州，Louisville
为减少挥发性有机化合物（VOCs）而增加的立法和法规，继续推动涂料市场采用替代技术，并扩大水性涂料的使用，以帮助确保产品的合规性。然而，配制水性涂料，使其具备所需的美感和性能也有其独特的挑战。特别是，水性涂料的流动性很难建立和维持。在这篇文章中，我们回顾了在水性体系中开发最佳流变性所面临的挑战，以及如何使用非离子合成缔合增稠剂（NISATs）来解决这些问题。我们还讨论了NISATs的一个特定局限（着色粘度保持），以及我们新一代的着色
粘度稳定剂是如何帮助改善这一问题的。
涂料的流变性对其生产、稳定性、外观和性能表现的整体成功至关重要。在传统溶剂型配方中，树脂的高分子量有助于控制最终配方的流变行为，尤其是中剪切粘度和应用粘度。然而，在水性涂料中，粘合剂是乳液，它具有与水一样的整体流动行为，并且缺乏所需的流变性。图1显示了剪切速率增加时水性涂料的预期流变曲线（浅蓝色线）及其施涂后的相应恢复率（深蓝色线）。与涂料配方中使用的典型乳液的粘度分布进行比较时，很明显，使用正确的流变改性剂对于确保获得所需的特性和性能更为重要。
尽管有好几种流变改性剂可用于水性涂料，包括缔合型和非缔合型，但缔合增稠剂的使用，特别是NISATs，由于其整体流变特性可改善应用和成膜，同时也平衡了涂料的抗流挂性和流平性，通常成为首选。此外，非离子型在固化漆膜上提供了最好的耐水性，从而提高了耐用性、耐沾污性和防霉性。NISATs是一种水溶性聚合物，通常末端具有不溶于水的疏水基团。顾名思义，这些增稠剂通过疏水缔合性来发挥作用。聚合物的疏水部分将会彼此缔合，并与乳液颗粒的表面以及体系中存在的其他疏水材料缔合。一个可逆连接的疏水相互作用的三维网状结构便产生了，它将单个乳液颗粒连接在一起，增加了不流动性和粘度。
然而，缔合增稠剂的一个主要缺点是，当将溶剂或表面活性剂引入体系时，它们的增稠效率可能会降低（图2）。增稠剂分子上疏水基团的缔合是非特异性的，表面活性剂的存在会破坏乳液颗粒的预期网络结构。使用通用色浆进行着色，尤其是深基和中基涂料，在配方中大量添加这些成分，会使其难以保持性能。当与乳液颗粒进行缔合时，缔合型增稠剂的疏水基团与表面活性剂的疏水基团之间存在竞争。由于缔合型增稠剂疏水基团的解吸和溶合以及胶束形成的破坏，生成了较弱的缔合网络结构。
过去，人们使用各种方法来解决降粘问题，或使用HEC（羟乙基纤维素）或ASE（碱溶胀乳液）等非缔合增稠剂，或通过显著增加基础漆的粘度，来保持色漆粘度的施工性。然而，这些方法也有其缺点，包括流平性差、成本高、泵送和填充困难、水敏感性增加，以及随着着色颜色的变化，着色粘度值范围太大等等。
NISATs通常基于含有大量重复环氧乙烷单元的水溶性聚乙二醇（PEG）。然而，它们需要进一步的反应才能在聚合物上添加疏水基团，以便与乳液颗粒缔合。
NISAT最常见的类型是HEUR或称聚氨酯增稠剂，通常这类增稠剂在着色时粘度稳定性较差。该化学反应包括PEG与二异氰酸酯和疏水基团封端的反应。由于异氰酸酯是双官能团的，因此倾向于开发具有疏水封端的线性聚合物。这种线性结构限制了可加入聚合物中的支化量和疏水单元的数量，不适合开发着色粘度稳定剂（TVS）。
第一代着色粘度稳定剂
因此，基于最新开发的HEAT化学（图3），我们创建了第一代TVS。它使用氨基塑料交联剂代替异氰酸酯。氨基塑料提供了更多的功能，添加了更多的疏水性位点用于缔合，并增加了可用性，以产生更多的支化聚合物结构。
我们提出，支链结构和疏水浓度的增加通过两种机制来支持着色粘度的保持。首先，疏水基团的强度和数量使得表面活性剂不太可能从乳液表面解吸增稠剂或中断胶束的形成。其次，疏水基团的独特结构和分布产生了分子内吸引或自缔合，限制了其初始贡献，当添加色浆并破坏分子内吸引时，着色粘度的保持就完全实现了。这还有一个额外的好处，即限制了基础漆的初始流变作用，并允许在不显著增加基础漆粘度的情况下添加更多NISAT。支链的结合、疏水单元的增加和基料中潜在的增稠作用都对降低着色时的粘度损失方面发挥着作用。
尽管HEAT在着色时能有效地保持粘度，但它有两个缺点——第一个是监管方面的问题，这种化学物质确实会产生少量的甲醛，浓度为几十ppm，但仍足以引起零容忍配方制定者的关注。其次，与使用典型HEUR的配方相比，牺牲了一些流平性。我们所需要的是在不考虑监管的条件下，保持HEAT的粘度稳定，以及改善流挂与流动之间的平衡，这种平衡常见于聚氨酯增稠剂中。
新一代的着色粘度稳定剂
为了解决这些局限，我们新一代的着色粘度稳定剂采用了基于HEUR化学的增强分子结构，但保留了与第一代HEAT聚合物类似的高度疏水性位点（图4）。这些独特的疏水单元与乳液表面有多个接触点，一旦添加色浆，这种缔合就可以保持完整。通过使用这种疏水基团来平衡支链和更疏水的结构，我们可以有效防止粘度降低，并创建一个更平衡的流变曲线。与HEAT技术相比，新技术还改进了材料处理。新一代TVS不受高官能团交联的限制，因此它具有更高的活性水平，并且更容易掺入到水性涂料中。
尽管这两种技术在保持着色的粘度稳定性方面都非常出色，但新一代技术解决了HEAT技术固有的局限性，它也不含VOC、APEO和锡。新一代流变改性剂在涂料行业常见的各种乳液类型的多个深基体系中进行了评估，其性能结果被证实是一致的——粘度保持力强，抗流挂性相当，流动性和流平性也都得到了改善。下面我们重点介绍两种体系：100%丙烯酸乳液和中油醇酸乳液。每个体系都用12盎司的碳黑、酞青蓝和氧化铁红来着色。在使用传统HEUR的丙烯酸体系中，Stormer粘度平均下降为30 KU，而两代TVS的平均值均低于10 KU。在比较两代的抗流挂和流平性时，我们发现流挂结果（柱状）相当，而第二代流平性略好（点状）。在水性醇酸树脂中，与典型的HEUR（损失35 KU vs 7 KU）相比，着色粘度也得到了显著保护，新一代的化学技术也改善了流动/流挂的平衡性（图5）。
在水性涂料中，使用非离子缔合型增稠剂可实现水性涂料的最佳整体流变平衡。这些产品对水分的敏感性最低，耐久性最好。着色——尤其是深基和中基涂料——会破坏缔合网络结构，使涂料降粘，性能变差。然而，使用着色粘度稳定剂可以显著改善性能，而不会存在使用其他方法时出现的任何缺点。BYK使用两种类型的化学物质生产粘度稳定聚合物，有助于保持着色粘度，它们是第一代HEAT化学和基于HEUR专利技术的新化学。这种新的化学物质提供了相同的防止降粘的保护，也减少了监管法规方面担心的问题，并可以更好的进行处理，拥有更高的活性，改善的流挂/流平平衡性，以及更好的展色性和稳定性。
本文收录在《PCI中文版》杂志2021年9月刊中
