高纤颤HDPE纤维涂料的性能特性| 2016-06-01 | PCI杂志

几千年来，纤维一直是人类生活的重要组成部分。我们穿的大多数衣服不是由天然纤维如棉花或羊毛制成，就是由合成纤维如聚酯或尼龙制成。合成纤维如聚酯是通过熔体纺丝工艺制成的。这一过程使纤维形成如图1所示的棒状结构。

高纤颤HDPE纤维的制备

在20世纪70年代，Crown Zellerbach试图用高密度聚乙烯(HDPE)生产合成木浆。目前，这种纤维由三井化学公司以这种方式生产。¹这个过程如图2所示。

高密度聚乙烯溶解在己烷中，该溶液与聚乙烯醇水溶液乳化。然后通过模具将乳剂挤压到加热的真空中，真空中有孔来确定纤维的直径，直径从5 μ m到25 μ m不等。高挥发性的己烷强烈地闪烁，导致纤维具有高度分支，或纤颤，三维结构。然后，根据等级的不同，产品被切割成0.1毫米到2.0毫米的长度，然后形成一个潮湿的贴片。这种纤维的主要用途是制作咖啡和茶的热密封过滤纸。

然后，这些湿叠片被进一步加工，将纤维分离成单独的细丝，并将其干燥至含水量低于2%。对于涂层应用，有兴趣的等级是短和中长度的纤维，长度在100 - 900 μ m之间，直径在5 - 15 μ m之间。在水基体系中，通过聚丙烯乙二醇的额外处理，可获得分散增强的等级。市售等级的纤颤高密度聚乙烯纤维的物理性能列于表1。

研究执行

纤维纤维在涂料中的好处包括改善颜料悬浮和防止硬沉降，提高耐抛光性和耐染色性，提高耐水和耐碱性，提高薄膜延展性，降低MFFT，可预测的伪塑性流变，减少深着色体系的粘度损失，以及Brookfield粘度、降低垂度、流动和流平特性方面的优势。

这些好处是通过使用从外部丙烯酸平面漆和弹性屋顶涂料的研究中获得的结果来描述的。

外部丙烯平漆配方

一种100%丙烯酸的外部涂料是在一个独立的实验室里制备的，²试验比较了一种纤维素增稠剂与两种不同的纤维;一种短而细的纤维(ESS5F)，以及一种中等长度和中等直径的纤维(E380F)。公式如表2所示。进行了广泛的涂料测试，包括流变性测试、光学测试和膜性测试。意见和评价载于下文各节。

弹性屋顶涂料配方

一种弹性屋顶涂层是由一个独立的实验室制备和测试²符合ASTM 6083。将一种纤维素增稠剂与两种不同的纤维进行比较;一种短而细的纤维(ESS5F)，以及中长度和中直径的纤维(E380F)。公式如表3所示。意见和评价载于下文各节。

高纤颤纤维的好处

粒子悬浮

高纤颤纤维结构复杂，有许多间质空洞。这些可以在显微镜下看到一个单一的高纤颤聚乙烯纤维，如图3所示。这张单纤维的图片显示了一个约25微米的主纤维或分支，以及许多较小的纤维，其中一些尺寸小于1微米。这种纤维的比重为0.96克/立方厘米，有漂浮在水中的倾向。涂料中使用的典型颜料和填料密度更大，容易在水中下沉。当这些纤维与细颗粒的颜料或填料一起分散在水中时，这些颗粒就会与纤维纠缠在一起。一旦结合，纤维和颜料或填料的结块形成统一的密度，并悬浮在液体中。这对涂料配方者来说特别有吸引力，可以防止涂料在储存过程中颜料硬沉降。

在一个简单的实验室实验中，用纤维将比重为2.6 g/cc、平均粒径为250 μ m的砂粒悬浮在水中，证明了这种效应。将48%的沙子、51%的水和1%的纤维混合在一个小罐子里，用手摇制得。这样的混合物就像乳剂一样，可以保存数周。这种效果如图4中的照片所示。

光学和薄膜特性

表2所述丙烯酸外墙平面涂料配方的光学和膜性测试结果见表4。这三种涂料的薄膜的光学特性——不透明度、色彩、光泽和耐擦洗性——都是相似的。此外，较小的纤维在抗抛光方面有较小的优势，较大的纤维在抗抛光方面有较大的优势。此外，纤维的耐污性稍好。最后，加速风化表明纤维对性能没有影响。随着这些光学性能，长纤维可以使用高剂量均匀地赋予涂层纹理。

耐水耐碱

表3描述的丙烯酸弹性屋顶涂料的吸水和吸碱情况见图5。特别重要的是，当纤维使用的时间越长，水和碱的吸收就会显著降低。在1%的纤维负载下，水和碱的吸收都比纤维素增稠剂少30%以上。这种增强的性能被认为是由于疏水合成纤维分散在整个涂层，使水在能量上更难渗透。

在另一个实验中，观察到用二氧化钛和重晶石颜料制备的100%丙烯酸涂料的耐水性。第一种涂料不添加流变改性剂，第二种涂料使用纤维素增稠剂，第三种涂料使用2%的短合成纤维，最后一种涂料使用0.1%的纤维素增稠剂和1%的合成纤维。将涂料涂在玻璃板上，晾干24小时，然后在25°C的水中浸泡10天。如图6所示，添加纤维的涂料没有变质脱落，但不添加流变添加剂的涂料和只添加纤维素增稠剂的涂料损伤明显。

电影的灵活性

在另一项实验中，这些涂层也进行了延展性测试。在此比较中，只使用纤维素增稠剂的涂料与同时使用纤维素增稠剂和合成纤维的涂料进行比较。涂料被涂在钢膜上，钢膜依次围绕更小直径的芯轴弯曲，直到涂层开裂并失效。添加纤维后，涂料可以在6毫米的棒材周围弯曲，而只添加纤维素添加剂的涂料在10毫米的棒材周围弯曲时就失败了。这些结果如图7所示，表明合成纤维的加入提高了延展性。

成膜最低温度

配方者报告说，含有纤维的配方在乳化漆中表现出改善的聚结性能。为了验证这一点，南密西西比大学进行了最低成膜温度(MFFT)研究。^3.如果纤维能够聚结，预期MFFT会降低。如图8所示，小于1%的合成纤维明显增强了聚结，降低了丙烯酸树脂的最低成膜温度。

剪切稀化流变学

配方商经常使用气相二氧化硅来控制非水基工业涂料的流变性。例如，环氧树脂配方的流变性改性气相二氧化硅是非常常见的。如图9所示，对用标准助溶剂稀释的环氧树脂的旋转流变性的研究说明了假塑性流变改性剂的不同性能。而3%气相二氧化硅的整体增厚比四分之一到三分之一的合成纤维要大，包括在1秒之间有轻微的膨胀趋势^－1还有4个s^－1添加合成纤维对粘度产生更深(下降更快)的剪切减薄效应。例如，0.8%的较大纤维在剪切速率为0.05 s时粘度下降超过10倍^－1(16,500 cP)至0.9秒^－1(1480 cP)，相比之下，在相同的剪切范围内，气相二氧化硅的降幅约为4倍。当纤维直径从5 μ m × 100 μ m (0.8% ESS5F)增加到15 μ m × 700 μ m (0.8% E380F)时，纤维的增厚趋势呈现。同样具有实际重要性的是两种纤维等级()的共混物的中间性能，它们的比例为涂料配方提供了无限的粘度特性。典型的现场经验表明，加载四分之一水平的气相硅将达到相当的流变性能。

降低深着色涂料的粘度下降

控制深着色涂料的粘度仍然是该行业面临的一个问题。流变改性剂中使用的分散剂和表面活性剂与色基中的分散剂和表面活性剂相互作用，粘度会急剧下降。因此，最短的纤维与几种聚氨酯(PU)增稠剂一起进行了评估，以确定纤维的物理流变功能是否更不受这种现象的影响。制作颜料，测量未着色基础漆的Brookfield、KU和ICI粘度。然后用每加仑8盎司的通用灯黑着色后测量这些参数。如图10所示，这些结果表明，纤维在防止通常伴随着pu增稠涂料的Brookfield粘度急剧下降方面更有效。进一步的研究正在进行，以确定纤维与性能最佳的PU增稠剂的组合效果。

粘度和流动特性

表2中描述的外部丙烯酸平面涂料配方的Brookfield、KU和ICI粘度、抗下垂性、流动和流平特性均在表5中描述。与纤维素增稠涂料相比，短而细的纤维(ESS5F)在所有三个区域都贡献了更低的粘度。与较短的纤维相比，较长、较厚的纤维(E380F)在所有三个区域都具有更高的粘度。这是人们发现的第一条重要规则。在相同的添加速率下，较长的纤维比较短的纤维具有更高的粘度。人们认为，这种流变性能是由物理发展而来的。当纤维被分散时，纤维被展开，当流体被剪切时，它们会向内折叠，降低粘度。当剪切被移除时，臂状物再次展开，几乎是瞬间展开的，粘性恢复了(非常小的滞后)。抗下垂性与流变性一致。较短的纤维比较大的纤维提供更少的抗下垂性，这与纤维素增稠剂相似。 These film property tests reveal a very interesting and unique comparison. While increasing sag resistance, the fiber also exhibits an improvement in flow and leveling properties. Fibril capillary action with the synthetic fiber at rest is believed to be responsible for improved paint flow and leveling while simultaneously reducing sag.

另一项研究与表3所示的弹性屋顶涂料配方进行了比较。两种较大纤维(E380F)的添加水平与较高剂量的短纤维(ESS5F)和由纤维素添加剂增稠的对照配方进行了测试。在流变性方面，较长的纤维比较短的纤维具有更强的流变性。这是因为较长的纤维有较大的原纤维，延伸到流体更远，提供更多的阻力流动。相关KU粘度数据(ASTM D462)如表6和图11所示。

表6中也说明了抗下垂性(ASTM D4400)遵循这种流变趋势，其抗下垂性的顺序为:长纤维(1%)>>长纤维(0.5%)>纤维素纤维(0.35%)>短纤维(1.0%)。所有涂层对镀锌钢的附着力(ASTM 4541)和柔韧性(ASTM 522)都是可接受的。