特殊結(jié)構(gòu)增稠劑在水溶性涂料中的性能研究

孫 毅，潘 會 （鞍山輝虹新材料化工有限公司，江蘇泰州 225300）

0 引言

2020年，國家提出了“碳中和、碳達(dá)峰”的目標(biāo)，加快了整個涂料行業(yè)“油轉(zhuǎn)水”的進(jìn)程。水溶性樹脂體系涂料因其與水互溶、制漆工藝簡便，在整個水性涂料市場中占據(jù)了不少份額，但水溶性涂料的增稠一直是行業(yè)亟待解決的問題。

增稠劑分為天然和人工合成兩大類，天然增稠劑有淀粉、明膠等；人工合成的有聚乙烯醇類、聚丙烯酸鹽類、聚丙烯酸酯共聚乳液類、聚氨酯類等。人工合成類增稠劑一般通過氫鍵作用、電荷排斥、疏水締合等方式實現(xiàn)對體系的增稠。其中最為典型的是疏水改性堿溶脹丙烯酸共聚乳液（HASE）、疏水改性羥乙基纖維素（HMHEC）和疏水改性乙氧化聚氨酯（HEUR）增稠劑[1]。HASE屬于陰離子型丙烯酸酯共聚乳液，其分子鏈上帶有羧酸基團(tuán)，pH一般在2～4。其增稠原理一般是因為疏水基團(tuán)之間由于憎水作用而形成聚集，使大分子鏈產(chǎn)生分子內(nèi)和分子間締合形成超分子結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了較好的增稠效果。HMHEC通過強(qiáng)烈的水合作用和分子鏈的纏繞來實現(xiàn)水相黏度的提高[2]。HEUR在乳液型體系中，可以通過吸附的方式附著在乳膠粒子的表面，還可通過自身締合膠束和乳膠粒子間搭橋形成新的締合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來增稠[3]，其在乳液體系中的增稠效果非常明顯。但這3款典型的增稠劑在水溶性體系中的增稠效果就很一般，主要是因為水溶性體系中存在著較多的醇醚類溶劑，這些溶劑的存在使得增稠劑發(fā)生溶解而起不到增稠的作用，給涂料的貯存及使用帶來了諸多不便。

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的水性聚酰胺增稠劑本身存在多元酸多元酰胺結(jié)構(gòu)，能夠在溶劑中溶解、在水中溶脹，使其在含8 %～30 %醇醚溶劑的體系中起到一定的增稠效果。但其本身為蠟狀，使用前需要預(yù)乳化，這給涂料生產(chǎn)和使用帶來較大不便。此外，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的水性聚酰胺增稠劑本身沒有水溶性（水乳性），其在水溶性體系中低溫條件下容易析出，導(dǎo)致涂料質(zhì)量明顯下降；在施工過程中遇到加水兌稀，溶劑溶解力下降，也會造成蠟類結(jié)構(gòu)的析出。通過對傳統(tǒng)聚酰胺結(jié)構(gòu)進(jìn)行改性，使其親水性得到提高，無需預(yù)乳化即可直接使用，可以同時應(yīng)用于水溶性烤漆和水性乳液體系，跟各種水性樹脂兼容性優(yōu)異，不會造成析出風(fēng)險。

本研究主要針對特殊結(jié)構(gòu)改性后的聚酰胺類增稠劑在水溶性涂料中的應(yīng)用，分別從其對涂料抗流掛性、貯存穩(wěn)定性、光澤的影響，以及在銀粉漆烤漆體系中對鋁粉排列性等方面的影響進(jìn)行了闡述。

1 試驗部分

1.1 主要原料

水性分散劑（HP1096），固含量100 %、潤濕流平劑（HS6064B），固含量100 %、消泡劑（HF3206），固含量100 %、流平劑（HL5510），固含量60 %、附著力促進(jìn)劑（HS6055），固含量60 %、改性聚酰胺類增稠劑（HR7022），固含量20 %，鞍山輝虹新材料化工有限公司；水溶性丙烯酸樹脂（SK6517），固含量70%、水性氨基樹脂（SK5710），固含量80 %，上海帥科化工有限公司；水溶性環(huán)氧酯，客戶提供；金紅石型鈦白粉（R996），四川龍蟒；鐵紅（4130），德國朗盛；碳酸鈣（13 μm），市售；水性鋁銀漿（WH8214），安徽旭陽；乙二醇單丁醚，陶氏；二甲基乙醇胺（DMEA），巴斯夫。

1.2 主要設(shè)備儀器

砂磨機(jī)（HNM03），拓帕實業(yè)（上海）有限公司；高速分散機(jī)（U400/80-220），SWC；光澤儀，深圳三恩時科技有限公司；烘箱（101-1AS），南通嘉程儀器有限公司；流掛儀（LG-1），上?，F(xiàn)代環(huán)境工程技術(shù)有限公司。

1.3 試驗

色漿（白漿）的參考配方見表1。

表1 色漿（白漿）的參考配方Table 1 Reference formula of color paste（white paste）

水溶性丙烯酸白色烤漆的參考配方見表2。

表2 水溶性丙烯酸白色烤漆的參考配方Table 2 Reference formula of water soluble acrylic white baking paint

水溶性環(huán)氧酯白漆的參考配方見表3。

表3 水溶性環(huán)氧酯白漆的參考配方Table 3 Reference formula of water soluble epoxy ester white paint

鋁粉分散漿的參考配方見表4。

表4 鋁粉分散漿的參考配方Table 4 Reference formula of aluminum powder dispersion slurry

水溶性丙烯酸氨基鋁粉烤漆的參考配方見表5。

表5 水溶性丙烯酸氨基鋁粉烤漆的參考配方Table 5 Reference formula of water soluble acrylic amino aluminum baking paint

1.4 性能測試

抗流掛性能參照GB/T 9264—2012《色漆和清漆 抗流掛性評定》進(jìn)行測定、熱貯存穩(wěn)定性參照GB/T 6753.3—1986《涂料貯存穩(wěn)定性試驗方法》進(jìn)行測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 抗流掛性能

2.1.1 增稠劑的種類和用量對水溶性丙烯酸氨基烤 漆抗流掛性能的影響

在水溶性丙烯酸氨基烤漆中分別等量添加HR7022增稠劑、聚氨酯類增稠劑、聚丙烯酸類增稠劑，并進(jìn)行抗流掛效果的對比，結(jié)果見圖1。圖中從上至下膜厚分別為50 μm、75 μm、100 μm、125 μm、150 μm、175 μm、200 μm、225 μm、250 μm、275 μm。

圖1 各類型增稠劑在水溶性丙烯酸氨基烤漆中的抗流掛性能Figure 1 Anti-sagging performance of various thickeners in water-soluble acrylic amino baking paint

如圖1所示，HR7022的抗流掛值為175 μm，在200 μm濕膜厚度出現(xiàn)了稍許的流掛，且隨著濕膜厚度的增加，其抗流掛性能未出現(xiàn)大的衰減；聚氨酯類增稠劑的抗流掛值為175 μm，在濕膜厚度200 μm時出現(xiàn)了較大流掛，且隨著漆膜厚度的增加，其抗流掛性能出現(xiàn)較大幅度的衰減；聚丙烯酸類抗流掛劑的抗流掛值為150 μm，抗流掛性能稍弱一些，且隨著漆膜厚度的增加，其抗流掛性能衰減很嚴(yán)重。

在水溶性丙烯酸氨基烤漆中添加不同量的HR7022，考察其用量對抗流掛性能的影響，結(jié)果見圖2。

圖2 HR7022用量對水溶性丙烯酸氨基烤漆抗流掛性能的影響Figure 2 The effect of HR7022 dosage on anti-sagging performance of water-soluble acrylic amino baking paint

由圖2可見，未添加HR7022時，抗流掛值為150 μm；添加了總量0.5 %～1 %的HR7022后，抗流掛值提升至175 μm；添加總量2 %的HR7022，雖然抗流掛值仍為175 μm，但在濕膜厚度增加時，抗流掛性能衰減較輕；添加總量3 %的HR7022時，抗流掛性能明顯提升，抗流掛值達(dá)到225 μm；添加總量5 %的HR7022時，抗流掛值達(dá)到275 μm，具有非常好的抗流掛性能。

2.1.2 不同增稠劑在不同體系中的抗流掛性對比

分別將進(jìn)口產(chǎn)品1、2和HR7022按照2 %（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的用量加入水溶性氨基烤漆（白色）、水溶性羥丙-氨基烤漆（鐵紅色）和水溶性環(huán)氧酯白漆中，對比其抗流掛性能，結(jié)果見圖3。

圖3 不同增稠劑在不同體系中的抗流掛性能對比Figure 3 Comparison of anti-sagging performance of different thickeners in different systems

由圖3可見，在白色水溶性丙烯酸氨基烤漆體系、鐵紅色水溶性丙烯酸氨基烤漆體系及水溶性環(huán)氧酯白漆體系中，HR7022的抗流掛性能均優(yōu)于進(jìn)口產(chǎn)品。

進(jìn)口產(chǎn)品1為改性聚氨酯類增稠劑，其氫鍵在遇到醇醚類溶劑時會遭受破壞，從而導(dǎo)致其增稠效果不理想；進(jìn)口產(chǎn)品2為聚酰胺類增稠劑，此類增稠劑在水溶性氨基烤漆體系中有一定的增稠效果，但需要進(jìn)行預(yù)分散，使用時工序較繁瑣；HR7022為特殊基團(tuán)改性的聚酰胺類增稠劑，經(jīng)過改性后，不但抗流掛性能提高了，而且無需預(yù)分散就可以直接添加，提高了生產(chǎn)效率。

在同一體系中，由于顏料的不同，增稠效果也會出現(xiàn)比較大的差異。鐵紅顏料表面具有較多的親水基團(tuán)，可以使增稠劑更好地吸附在顏料粒子表面，發(fā)生架橋現(xiàn)象，從而在體系中形成更多穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使得整個體系的增稠效果非常顯著，表現(xiàn)為抗流掛性能有較大提高。

2.2 貯存穩(wěn)定性

參照GB/T 6753.3—1986《涂料貯存穩(wěn)定性試驗方法》，對進(jìn)口產(chǎn)品1、2及HR7022所制樣品進(jìn)行熱貯存穩(wěn)定性對比。將3組樣品在50 ℃烘箱中放置7 d后的結(jié)果見圖4。從圖4中可以看出，在水溶性丙烯酸體系以及水溶性環(huán)氧酯體系中，由進(jìn)口產(chǎn)品所制備的樣品上層均出現(xiàn)不同程度的“浮水”現(xiàn)象。而由HR7022所制備的樣品未出現(xiàn)“浮水”現(xiàn)象，50 ℃貯存7 d后對樣品進(jìn)行刷涂試驗，刷涂的漆膜上未出現(xiàn)顆粒、膠塊及刷痕，可見HR7022在水溶性體系中具有非常好的防沉效果和貯存穩(wěn)定性。

圖4 不同涂料體系的貯存穩(wěn)定性對比Figure 4 Comparison of storage stability of different paint systems

2.3 增稠劑對漆膜光澤度的影響

同一添加量下不同種類增稠劑對不同體系漆膜光澤度的影響見表6。

表6 同一添加量下不同種類增稠劑對不同體系漆膜 光澤度的影響（°）Table 6 Effects of different thickeners on the gloss of different systems at the same dosage

從表6中可以看出，HR7022增稠劑對各體系光澤度的影響均較小。HR7022不同添加量對水溶性丙烯酸體系光澤度的影響見圖5，對涂料綜合性能的影響見圖6。

圖5 HR7022不同添加量對水性丙烯酸體系光澤度的影響Figure 5 Effect of different addition amount of HR7022 on the gloss of waterborne acrylic acid system

圖6 涂料綜合性能對比Figure 6 Comparison of comprehensive properties of coatings

從圖5中可以看出，在同一體系中，隨著HR7022添加量的增加，漆膜光澤度會極輕微地降低，但總體保持平穩(wěn)。從圖6中可以看出，隨著HR7022用量的增加，涂料的抗流掛性能以及防沉降性能均有一定幅度的提高，當(dāng)HR7022的用量為2 %（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時，涂料的綜合性能優(yōu)異且成本最低。

2.4 鋁粉排列對比

按照表5、表6的配方配制水性鋁粉漆，分別制備3個樣品A、B、C。A中不添加增稠劑、B中添加2 %的進(jìn)口產(chǎn)品3、C中添加2 %的HR7022，分別噴涂制板，對比鋁粉的排列效果，結(jié)果見圖7。

圖7 鋁粉排列效果對比Figure7 Comparison of aluminum powder arrangement effect

從圖7中可以看出，在水溶性丙烯酸體系中加入HR7022后，具有較好的鋁粉定向排列效果，且漆膜表面效果較好，這與其特殊的性能有關(guān)：（1）良好的觸變性，良好的觸變性可以保持鋁粉在噴涂過程中傾向于平行排列的狀態(tài)，這一點(diǎn)對于水性鋁粉涂料尤為重要；（2）后期流動性，在涂料剛噴涂到板材上后，需要一定的觸變性來防止其流掛，并保持鋁粉的排列狀態(tài)。在過了這個窗口期后，漆膜的收縮會導(dǎo)致鋁粉進(jìn)一步進(jìn)行排列，此時盡可能低的黏度有助于鋁粉的進(jìn)一步排列[4-5]。而HR7022這款產(chǎn)品恰好在溶劑不斷揮發(fā)的過程中能夠降低整個體系的黏度，從而使鋁粉具有較好的排列效果。

3 結(jié)語

（1） HR7022作為1款用于水溶性體系中的增稠劑，其增稠效果優(yōu)于聚氨酯類增稠劑以及聚丙烯酸類增稠劑。

（2） HR7022在水溶性體系中的用量在2 %～5 %（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時，可以達(dá)到比較好的抗沉降、防流掛效果，并且不影響漆膜的光澤。

（3） HR7022不僅可以作為抗沉防流掛助劑使用，還可以作為鋁粉排列助劑使用，其用量在2 %（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時，就能得到較好的鋁粉排列效果。

（4） HR7022不僅可以用在水溶性丙烯酸氨基烤漆體系中，也可用于乳液型丙烯酸氨基烤漆體系中。

（5） HR7022無需提前分散，使用時直接添加即可達(dá)到良好的分散效果，提高了生產(chǎn)效率。