非水性工业涂料体系用-高效有机流变助剂

作者 Chris Sieto，区域市场经理，海名斯全球公司，新泽西州，East Windsor

海洋和防护涂料通常对抗流挂性有很高的要求，该涂料体系通常一次喷涂的厚度约在1000µm（甚至更厚）的涂层厚度，这种体系的高要求限制了流变改性剂的选择。

有机流变助剂提供了满足这一特定需求的性能。然而，这种技术在混合和活化方面有着较复杂的要求，尤其是那些老的技术。为了实现最佳性能，根据基于多种粘合剂化学成分和各种溶剂成分的体系，需要在指定范围内增加温度，并结合规定的高剪切时间（图1）。

从工艺角度来看，通常采用逐批技术。外部加热或冷却设备通常不可用，因此在工艺过程中的主动温度控制要么不可能，要么仅在实验室规模上可用。在这种情况下，获得和调整活化温度所需的能量通常由分散过程中的摩擦产生。最终温度取决于分散器的速度和颜料/填料的添加水平等参数，并对整个工艺时间有很大影响。因此，适合在更宽温度范围内使用的流变改性剂将具有显著的优势。

产品类别比较

有机流变助剂在非水性体系中具有优异的低剪切粘度，和很强的触变性。如图2所示，与气相二氧化硅相比，低剪切粘度要高得多。就实际关系而言，这意味着有机流变助剂可以提供最好的成膜性能。另一方面，气相二氧化硅在高剪切速率下具有更高的粘度。这种效应通常会对喷涂产生不利影响，尤其是在使用过程中的雾化效果方面。

有机粘土在这一细分市场中使用较少，它可以很好地帮助流平，并具有较好的抗流挂性能。

为了活化，基于二酰胺的流变改性剂需要在规定的时间内暴露在机械力和特定温度的作用下。上述活化温度需要符合相关的溶解能力。

产品的化学性

活化后，流变结构由相互定向的分子形成，由于酰胺官能的性质，形成纤维状结构，如图3所示。这个过程的驱动力是分子间的相互作用，如氢键和范德华力。

氢化蓖麻油是最古老的有机流变助剂，它也需要进行类似的处理，但对体系的溶解力和工艺温度的变化更为敏感。此外，它们不能涵盖整个溶剂范围，还有着更高的某些副作用风险，如晶粒和假体等。

THIXATROL® PM和THIXATROL AS系列中最新的二酰胺流变改性剂可以在广泛的应用温度范围内进行适当的活化，使配方设计师在经常发生温度变化的实际条件下（例如夏季和冬季）进行稳定和可预测的处理。

此外，这些产品的适用温度明显低于基于类似化学成分的传统等级。这在活化温度通常很高的无溶剂体系中尤其重要。这种低温活化的主要优点是在生产过程中可以节省能源和成本。这个过程可以在没有外部加热的情况下进行，而且速度更快。

可再生资源

此外，从可持续性的角度来看，这些流变改性剂也是非常有趣的，THIXATROL生产线生产的新型流变改性剂主要来自可再生资源（生物含量>75%）。

然而，即使有了这些重大改进，也不能覆盖所有的配方。在高极性体系中，尤其是与各种醇（如苯甲醇或丁醇）配制时，与极性较低的体系相比，效率通常会下降。醇类正变得越来越受欢迎，通常被配制成更高的浓度，以减少芳香族溶剂的数量。此外，它们需要稳定的体系，以增强涂层对基材的附着力。

新研发的THIXATROL PM 8058为这类配方提供了解决方案，可使用更高数量的高极性溶剂。此外，该产品明显比THIXATROL PM和THIXATROL AS系列中的其他流变改性剂更有效。

在以下模型研究中，THIXATROL PM 8058的改进很明显，在该模型研究中，与市售参考有机流变助剂相比，采用不同的溶剂比配制了固体含量为83%的高固体分环氧基底漆。在所有情况下，浓度都选择在0.5%的水平。这样做是为了强调有机流变助剂在较低粘度水平下的作用，并可视化各种溶剂组成对粘度的影响。

如图4所示，在标准配方中，溶剂部分以二甲苯为主。在其他配方中，异丁醇或苯甲醇的使用浓度最高。活化过程由一个齿形叶片的Cowles混合器以16 m/s的速度完成。活化温度（在所有情况下）调整至66°C，持续25分钟。

在生产24小时后，对流变性进行了比较。图5显示的数据表明了这两种有机流变助剂在配备有各种溶剂组合物的体系中的性能，尤其是低剪切粘度。右上角的小图显示了含醇类的样品与二甲苯为主的体系中样品的粘度变化。

很明显，当在两种含醇的体系中配制时，参考增稠剂在低 剪 切 速 率 下 粘 度 显 著 下 降 。 当 在 相 同 体 系 中 使 用THIXATROL PM 8058时，我们观察到了不同的情况。与市售参考产品相反，与参考产品相比，观察到粘度上升，尤其是当苯甲醇在配方中占主导地位时。在以异丁醇为主的体系中，粘度差异大约为10%，略低一些。

在结构恢复试验中，被试涂料的粘度弹性体特征也体现了THIXATROL PM 8058的优势。为了模拟涂覆后的行为，涂料的结构在旋转测量步骤中被1000 s -1 的高剪切速率破坏。在第二个振荡步骤中，去除最初施加的剪切后的行为分析涂料在冲击基材后的性能。如图6所示。

当阻尼系数（也称为tanδ值）大于1时，样品的流体行为占主导地位，体系流动，表明几乎与结构无关。如果阻尼系数小于1，则样品的弹性体行为占主导地位，表明存在内部结构。坚固的结构表明抗流挂性较好，因此应与实践中产生的结果相关联。

然而，在这项测试中，时间也起到了重要作用。结构恢复得越快，从较高水平的tanδ值1的交叉处可以看出，最终流挂的时间窗口就越小。

从图6中可以看出，所有样品在剪切力去除后直接显示出流体特征，tanδ值大于1。

在参考有机流变助剂的情况下，观察了不同溶剂组成对触变性的影响。剪切去除后，两种醇类的特性都发生了强烈的转变，进一步以流体为主。就时间尺度而言，没有发现弹性体的再支配。当以苯甲醇浓度为主时，效果最明显。

不同的醇对含THIXATROL PM 8058样品的影响不同。在与二甲苯为主的标准体系中的参考样品相比，绝对阻尼系数仅略有不同。主要区别在于tanδ值为1的线相交的时间点。在两种以醇类为主的体系中，这种结构恢复时间都有所缩短。因此，与使用参考流变改性剂的涂料相比，这些数据可能会使含THIXATROL PM 8058的涂层的预期膜厚更高。

为了确定最佳活化温度窗口，选择了以二甲苯为主的体系 （ 图 7 ） 。 在 这 项 研 究 中 ， 单 个 样 品 分 别 添 加 了THIXATROL PM 8058和在特定温度下活化的参考增稠剂。

我们观察到，在35至75°C的整个测试温度范围内，THIXATROL PM 8058在0.1 s -1 的剪切速率下提供的粘度明显高于参考产品。在45至75°C的温度范围内，使用该产品可获得稳定且可预测的粘度。

图8显示了不同温度下，活化时间对THIXATROL PM8058粘度和流挂控制的影响。

结果证实了该产品具有较广的活化温度窗口。在35°C的最低活化温度下，分散30分钟，在0.1 s -1 的低剪切条件下，可测得较好的粘度。在45°C到75°C的温度范围内，可以获得最稳定的值，并且可以重复获得。在这个范围内，30分钟的活化时间足以获得合适的粘度。将活化时间延长到45分钟会进一步略微提高其性能。

此外，在稳定性方面，在50°C的高温下储存4周后，THIXATROL PM 8058提供了极好的结果。图9显示，只有在35°C下活化时，才能观察到粘度或流挂稳定性的显著变化。当活化温度为45°C时，只能检测到粘度的轻微变化。在流挂方面，未发现任何变化。

通过无气喷涂后，对比可达到的最大适用膜厚，图10显示THIXATROL PM 8058的性能要明显优于参考流变改性剂。市场参考有机流变助剂的最大膜厚为300µm。在同等添加量和活化条件下配制的THIXATROL PM 8058，可确保在500-700µm的膜厚范围内得到较好的流挂控制。

对各种工艺条件的研究表明，可以通过各种方法成功地活化THIXATROL PM 8058（图11）。当产品在生产开始时添加到研磨过程中，或者在未增稠的涂层体系中添加时，可获得最佳效果。后一种情况下，为了避免材料从容器中喷出，所施加的剪切力不能像研磨活化时那样高。

后添加，应使用12 m/s的速度进行混合，相关的活化温度需要外部控制。直接添加，可以使用16 m/s甚至更高的速度混合。此外，无需进行人工温度控制，因为摩擦力足以产生所需的能量。

在浆料中添加有机流变助剂主要是在工厂生产中进行的。后活化提供了额外的选择，例如高效的实验室筛查等。由于THIXATROL PM 8058对活化的低剪切要求，因此也可能在某些溶剂或溶剂/树脂混合物中生成预凝胶，然后再进一步用于涂料生产中。

结论

讨论结果和特性表明，THIXATROL PM 8058扩充了高效有机流变助剂系列产品。它采用了高度可持续的二酰胺蜡的最新技术，且75%以上基于可再生原材料。

THIXATROL PM 8058可耐受较高量的各种醇和其他高极性溶剂，明显优于其他增稠剂。与其他酰胺基流变改性剂相比，在类似配方条件下，甚至可达到更高的粘度和流挂稳定性。

该产品还提供了一个较广的活化温度窗口，以便在现实条件下进行非常稳定的生产。

此外，在较低温度，且分散时间有限的条件下进行生产时，产品也具有储存稳定性。30分钟的短活化期可提供粘度稳定的涂料体系。此外，潜在的活化温度从低水平开始，在45°C时，会具有显著且稳定的粘度增长，以及极好的流挂稳定性。在相同的分散时间下，活化温度进一步升高（高达75°C）只会产生较小的变化。

与市售参考有机流变助剂相比，THIXATROL PM 8058的效率明显更高。这使得配方设计师能够在保持粘度和流挂控制的同时显著降低添加量。

因此，THIXATROL PM 8058是一种理想的流变改性剂，适用于工业、海洋和防护涂料以及其他非水性体系的经济高效和可持续性的配方。

测试方法

流变性的测量

在23°C温度下，使用Anton-Paar MCR 301流变仪测定流变性，该流变仪配备PP 50测量几何体，间隙宽度为1 mm。在振荡的情况下，振幅扫描数据显示，预先调整的固定角频率为10 rad/s。

喷涂条件

为了获得不同的涂层厚度，使用Grace XForce HD喷枪在无气条件下以条纹状（1-6道喷涂）喷涂涂层。样品以垂直位置进行固化。

测试配方

本文收录在《PCI中文版》杂志2022年5月刊中