这是关于添加剂的四篇文章中的第一篇。本文将介绍添加剂,以及流变改性剂和悬浮剂的细节。本系列的其他文章将涵盖泡沫控制剂,表面张力改良剂,最后是表面活性剂和颜料分散剂。未来的文章还将涵盖溶剂,树脂,颜料和其他涂料原料。188金宝搏bet官网

添加剂在涂料中的应用

添加剂的使用量很小,是每单位成本最高的涂料原料。188金宝搏bet官网它们用于促进生产或改善湿涂层或最终膜的某些性能。它们在油漆中是绝对必要的;然而,更多并不代表更好。事实上,许多添加剂的含量过高会损害性能。

一些加性类型是:

  • 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;
  • 干燥剂和催化剂;
  • 颜料分散剂;
  • Bugicides:(杀菌剂、生物杀菌剂、防腐剂等);
  • 表面防滑剂:(蜡、硅酮等);
  • 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(颜料防腐将覆盖在颜料物品上);
  • 增塑剂(用于薄膜形成的增塑剂将在溶剂文章中覆盖)。

一般的经验法则是,添加剂在涂料最终配方中(按重量计算)所占比例应小于2%。如果高于这个值,最好重新评估你的公式。选择正确的添加剂比添加更多的添加剂来解决问题更重要,这与添加剂公司可能建议你做的相反。

一个常见的配方错误是添加添加剂来解决一个问题,这会产生另一个问题。然后你使用另一种添加剂,这就产生了一个不同的问题,如此循环下去,导致“添加剂死亡螺旋”。例如,你添加一种基材润湿剂,它可以稳定宏观泡沫,然后你添加一种消泡剂来对抗宏观泡沫,你就会得到表面缺陷。现在你为表面缺陷添加一种调平剂,稳定微泡沫,导致需要一个去氧器。其次,除氧器干扰流变包,提高粘度。这现在防止涂层润湿,导致需要更多的基材润湿剂。如您所见,您必须了解所有的交互作用,以选择正确的添加剂包,以最小化成本和最大化性能。涂料配方商陷入的最大陷阱是拥有一种喜爱的添加剂包,并到处使用它。在一个系统中运行良好的东西在另一个系统中可能无足轻重。每个系统都是独特的,需要自己的添加剂,否则你只会使用你已经制定的油漆。

流变改性剂和悬浮剂

流变学修饰符
虽然流变改性剂和悬浮剂通常归为一类,但它们有两种截然不同的用途。流变改性剂用于调整涂层的粘度、流量、流平和抗下垂性,以优化涂层的特定应用方法。它们影响膜的厚度和外观,混合,膜的形成和沉淀。常见的水基流变改良剂包括纤维素、聚氨酯(HEUR)、碱膨胀剂(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:结合(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,纸牌屋等。

流变学是研究物质流动的科学。粘度只是流变性的一部分,它是指流体对剪切、伸长或拉应力的变形的抵抗力。涂层可以表现为牛顿液体、膨胀剂或伪塑性液体。在牛顿液体中,粘度保持不变,与施加的剪切无关。在膨胀或剪切增稠的液体中,粘度随剪切的增加而增加。在伪塑性或剪切减薄液体中,粘度随剪切的增大而减小。我将在本文后面讨论触变性,它是假塑性液体的一种特殊形式。

图1说明了不同剪切作用下粘度的差异。请注意,液体的行为只在特定的粘度范围内。所有的假塑料涂层都具有无剪切、高粘度点。随着剪切速率的增加,粘度降低,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,粘度增加,实际上成为膨胀剂。图2说明了这些属性。

在涂料配方中,假塑性行为是最常见的。在颜料分散中有时会观察到膨胀行为,应避免。膨胀行为高度依赖于粒子的浓度。在足够高的浓度下,几乎任何硬粒子的分散都会表现出膨胀行为。溶剂型涂料比水基涂料具有更强的牛顿性(更少的伪塑性),因为溶剂蒸发增加了涂敷后的粘度,防止了下垂和滴落。不可能有真正的牛顿涂层体系。溶解型清漆可以近似牛顿性质,但在高剪切下会有轻微的粘度降低。见图1牛顿、膨胀和伪塑性行为。

粘度与剪切速率:牛顿流体,膨胀液,假塑性和触变液体。
图1:粘度与剪切速率:牛顿流体,膨胀液,假塑性和触变液体。
涂层的粘度分布。
图2:涂层的粘度分布。

在涂层中,剪切变形是最常用的,可以在不同的范围内测量。喷涂应用除外,拉伸变形决定了液滴的大小。喷溅从辊是延伸粘度和可以测量,但不常见。粘度可以也应该在不同的剪切速率下测量。虽然低、中、高是主观的,但低剪切速率测量是评估沉降、凹陷和水平的最佳方法。涂层的介质剪切速率测量适用于浸涂、流涂和刷涂。高剪切测量是最好的刷或辊应用。这些过程发生在不同的剪切速率下,取决于所制定的体系。历史上,单点粘度测量被使用,但廉价流变仪的出现,可以测量粘度在剪切速率的范围内,改善了涂料的流变性优化。当使用具有不同剪切速率依赖性的添加剂时,单点粘度测量存在巨大的误差。 Two coatings may have the same viscosity at a single point, i.e. shear rate, but if they differ in having more or less pseudoplastic behavior, application differences can become apparent.

粘度杯(Zahn, Ford, DIN)用于低至中等剪切测量。粘度杯是一种底部有孔的容器,通过计时杯子清空所需的时间来进行测量。杯的形状和大小由类型决定,其次是孔的大小的数字。它们用于低粘度液体,如传统的喷雾涂料或污渍。由于用户的不同,它们的使用受到结果的高度变化的限制,而且它们只能精确地用于近牛顿液体。它们的低成本和易于使用使它们非常普遍。有些样品被设计成可以通过容器的塞子孔,所以没有必要取出样品。

主轴和桨叶粘度计(Brookfield, Stormer)用于介质剪切速率测量。它们传统上用于中高粘度涂料。主轴式粘度计比桨式粘度计覆盖的粘度范围更广,但在粘度较高的系统中,它们会产生通道,导致测量误差。为了使锭子粘度计精确而重复地测量粘度,旋转的锭子在锭子上引起一致的层流。因此,我们等待系统平衡后再进行测量。如果粘度过高,特别是在假塑性液体中,可能会有新的液体到达主轴的速度不够快,无法取代被层流取代的液体,即层流中断。因此,围绕主轴的通道被创建,给出不一致或不准确的读数。桨式粘度计有偏置桨,以减少流道和工作最好的中等至高粘度的涂料。这些类型的粘度计传统上用于建筑涂料(桨)和工业涂料(主轴)。

旋转粘度计(锥形和平板,平行板)可用于任何剪切速率,但通常用于高剪切测量。它们是确定涂层在刷涂、辊涂或喷雾应用中的表现的最佳方法。
理想情况下,您希望在低剪切时涂料具有高粘度,以防止颜料沉降或脱水,在应用过程中粘度较低,以帮助流动和流平,然后在剪切去除后迅速恢复到高粘度,以防止下垂和滴落。因此,涂层的假塑性行为是可取的。问题是涂层有时间依赖性。触变性是指假塑性液体被剪切后不能恢复到原来的粘度。液体的触变性越强,在低剪切至无剪切时粘度变化越大。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,它可能有较低的粘度,这将影响沉降和应用(见图1的假塑性和触变性行为)。假塑性和触变性经常互换使用,但不应该这样做。图3突出显示了普通涂层应用的剪切速率。

普通涂料的粘度和剪切速率范围。
图3:普通涂料的粘度和剪切速率范围。

悬挂代理
抗沉降剂(通常称为沉降剂)或悬浮剂用于防止涂料中的颜料或其他固体沉降。斯托克斯定律表明,粘度只是影响沉降的因素之一(颗粒大小、密度、形状和摩擦力也影响沉降速度)。防沉降剂的作用是防止固体从溶液中脱落。它们还可以帮助防止硬包装沉降,使颗粒容易重新结合。

斯托克斯定律
Fd = 6πµRνs
Fd =摩擦力或斯托克斯阻力
动态粘度(牛顿秒/米2)
R =粒子的半径
νs =颗粒沉降粘度=2x(粒子密度液体密度)x(重力)x(半径2)

知道液体和颗粒的密度是很重要的。如果粒子的密度小于液体,粒子可能上升而不是沉降。中空玻璃球、聚合物颜料、蜡和其他涂料的密度可能比液相低。

流变改性剂或沉淀剂的最后一个作用是防止涂层中的水分流失或液体分离。这是根据涂层中不同成分的密度分层。脱水或液体分离可以是任何东西,从一层薄薄的溶剂(记住水是溶剂),到容器底部的树脂。在脱水的极端情况下,树脂从涂层中的水分离,可以通过聚结过程,形成一个固体团块。

流变学、粘度、抗沉降和脱水改性剂在涂料配方中极为重要,比大多数其他添加剂具有更显著的效果。重要的是要记住,流变性改进剂的设计目的是提高低剪切或整体牛顿粘度。

流变改性剂类型

碱敏增稠剂
碱性膨胀性乳剂(ASE)和疏水改性碱性膨胀性乳剂(HASE)是用于水基体系中抗下垂和颜料悬浮的剪切减稀乳剂。它们还可以影响涂料的应用粘度,改变凹陷和平整性能。通过添加疏水官能团,HASE增稠剂是ASE的疏水改性版本,由于其碱膨胀性和缔合性的结合,在相同水平上,其粘度的增加往往大于ASE。这两种液体都是低粘度液体,当pH值高于阈值时,它们会变稠,粘度会大大增加。ASE是不缔合的,而HASE由于疏水官能团倾向于缔合。碱膨胀增稠剂的缺点是,如果pH漂移到理想范围之外,粘度将下降,性能将受到影响。

非离子合成增稠剂
疏水改性聚氧基聚氨酯(HEUR)和疏水改性聚醚(HMPE)的工作原理是将疏水区域与树脂结合,建立一个三维的结合网络。由于这些添加剂的非离子性,它们对通过膜的水蒸气传输的影响将小于ASE和HASE乳剂。它们在水相中结合(聚合)在一起,并与树脂或其他疏水成分结合。其他添加剂或溶剂可增加或减少缔合增稠剂的缔合性质,导致效率的变化。它们的性能也比可碱性膨胀乳剂更不依赖于pH值。图4说明了它们的工作原理。

结合增稠剂的工作原理。
图4:结合增稠剂的工作原理。


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骨架,通过增稠水工作。它们具有低剪切粘度,对高剪切粘度影响不大。纤维素增稠剂往往比理想的更具有假塑性。它们通常是羟乙基纤维素(HEC)或改性HEC,通过与水的氢键作用提高粘度。对某些涂料作为单一增稠剂具有合理的性能,并具有良好的抗下垂、抗沉降和抗脱水性能。然而,纤维素增稠剂增加絮凝的可能性,降低光泽度,降低可洗性,促进滚筒飞溅,容易受到微生物攻击,而且只能在水基系统中工作。还有疏水改性羟基乙基纤维素(HM-HEC),通过疏水改性,它将允许缔合增厚以及标准HEC增厚机制。

无机增稠剂(粘土和二氧化硅)
粘土是天然的水合硅酸铝,很少用作鞋底增稠剂。高岭土是最常用的粘土。在涂料中发现的其他粘土包括凹凸棒土和膨润土。粘土可赋予触变性,防止水分流失,提高抗凹陷性。然而,粘土会降低光泽。高岭土和凹凸棒土粘土是不膨胀的,而膨润土是膨胀的。由于粘土的高展弦比和电荷稳定性(极性性质,边缘和中心具有不同的电荷),可以建立一个纸牌屋式的稳定。粘土适用于水基、溶剂基和100%固体体系,但需要一些极性性质来去除颗粒并提供稳定性。

二氧化硅通过粒子间的氢键形成松散的网状结构。该网络在静止时是稳定的,但很容易被剪切力破坏,并在剪切去除后重建。二氧化硅可以亲水性和疏水性改性工作在所有的涂料体系。它们提供触变性,并提供凹陷和沉降阻力。它们不能用作鞋底增稠剂,会降低光泽度,可能对pH值敏感。表1显示了粘土和二氧化硅的区别。

有机粘土与烟熏二氧化硅的比较。
表1:有机粘土与烟熏二氧化硅的比较。

还有许多其他类型的流变调节剂,包括改性蓖麻油,聚酰胺等,但由于本文的简短,只考虑主要类型。

一般来说,你不会只使用一种增稠剂,因为组合它们可以提高最终涂层的性能。常见的组合是粘土和纤维素的廉价水基涂料;与之相关联的是,粘土和纤维素用于高性能水基涂料。对于溶剂型和100%固体体系,粘土和二氧化硅的组合效果最好。表2比较了一些常见的增稠剂。

主要流变改性剂的比较。
表2:主要流变改性剂的比较。

结论

总之,了解添加剂的使用并选择适当的添加剂组合将对涂料的性能和成本产生重大影响。了解流变改性剂将有助于增加系统的稳定性,并使涂层的应用性能最大化。本系列的下一部分将介绍泡沫控制剂。

作者简介:

迈克在蒙特利尔出生长大,现在住在休斯顿地区。他有34年的涂料配方经验,18年的涂料公司经验和16年的原材料供应商经验。他目前是Indorama Ventures的高级应用科学家,负责涂料、涂料和油墨:集成氧化物和衍生品。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是底特律涂料技术协会和皮埃蒙特涂料技术协会的前任主席,并曾任职于芝加哥涂料技术协会的董事会。迈克是加拿大武装部队的老兵,曾在加拿大步兵部队服役15年。

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