流變劑作用原理及應用總結

一．流變劑的作用

流變劑是油漆塗料和油墨塗料的關鍵成分,它可以控制流體產品的精密特性和特徵，沒有這些介質就會像水一樣「流來流去」. 油漆在塗布過程中就會四處飛濺，覆蓋能力變小，而且保存期限也會縮短，可採用流變助劑調整油漆的流動性，減少在輥塗或刷塗過程中發生的滴落和飛濺，油漆粘度快速且受控地增加，從而改善了抗流掛性，在塗料運輸或儲存過程中，流變助劑可防止配方中顏料沉降，確保了最終產品的一致性，耐久性和良好的塗布特性之間達到理性的平衡。

二．流變術語和定義

如果某種物質的粘度可在不同的剪切速率下保持不變，我們稱之為表現出理想粘度或「牛頓粘度」牛頓流體一般僅出現在低分子量的液體中，例如水、溶劑和礦物油。

較為複雜的體系通常具有依賴於剪切速率的流動特性。如果粘度隨著剪切速率的增加而減小，這種流動特性稱為剪切稀釋或假塑性。大多數塗料和聚合物溶液都表現出假塑特性。

觸變性流體在施加剪切力後，表現出時間依賴性粘度重建。一旦停止施加剪切力，粘度就會逐漸恢復。觸變性的程度通常以所謂的滯後面積表示。觸變特性對於塗布到垂直表面上的油漆是有利的，因為在垂直表面上，在刷子或輥筒的剪切下粘度下降，實現了流平，然後再逐漸恢復以防止流掛。如果材料的粘度隨著剪切速率的增大而上升，則為脹流型（剪切增稠）。例如，固含量或聚合物濃度較高的粘合劑體系會表現出脹流特性。在工業實踐中，脹流特性通常是不可取的，因為它可能會在涉及泵送或攪拌的工藝中造成一些問題。在油漆或塗料的整個生命周期（例如生產、攪拌、填裝、儲存、塗布、刷塗、噴塗）中，可能涉及不同的剪切速率和流變需求,如下圖：

粘度—尤其是非牛頓粘度特徵—是一種重要的材料特徵，它構成了流體的性能。由於油漆被賦予了假塑性，因此其在儲存過程中表現出高穩定性。他還可以在低剪切速率下進行。油漆或塗料通常在相對較高的剪切條件（刷塗，噴塗）下被塗布。此時粘度比較有利，圖例：

通常，油漆在塗布後需要進行一定程度的流平，因此粘度恢復過快是不可取的。但如果恢復過慢則會導致流掛和滴落。而部分體系又可能需要較為快速地恢復粘度。在這種情況下，全面了解不同流變助劑可賦予的流動特性有助於針對所需的應用選擇最適合的產品。

三．流變助劑的種類

在塗料技術中，流變改性劑主要用來提供假塑或觸變特性。流變特性由塗料配方中成分的組成和濃度決定，塗料配方由粘合劑（聚合物、低聚物、活性稀釋劑）、溶劑（有機、水）、顏料（有機、無機）、填充劑和助劑（穩定劑、引發劑、催化劑等）構成。因此，並不存在適合所有塗料的通用解決方案，而是有很多種不同的技術和產品，它們有著或多或少明確的應用限制。最突出的一點是，從生產工藝到運輸、儲存，以及最終的（工業）應用過程，塗料配方在其使用周期中的流變特性可能千差萬別，現有的所有流變改性劑可以劃分為無機和有機化學品兩大類，如圖：

1）無機流變助劑—最常見的改性和未改性無機流變改性劑包括綠坡縷石粘土、膨潤土、有機粘土以及經處理和未處理的合成二氧化硅。大多數無機增稠劑和流變改性劑都以粉末形式提供。如果將它們適當地分散於塗料中，通常能夠起到懸浮劑或膠凝劑的作用，部分還有顏料增量劑等次要用途。無機流變改性劑往往擁有較高的塑變值，並具有觸變膠特徵，有時會被作為次要增稠劑添加到水性配方中，用於改善塗料的抗流掛、抗沉降、抗脫水收縮和抗飛濺特性。

2）有機流變改性劑的類型比無機流變改性劑更加豐富多樣。它們可以細分為基於天然原材料的產品，如纖維素或黃原膠，以及基於合成有機化學物質的產品，如聚丙烯酸酯或聚氨酯。此外，合成產品可以進一步細分為締合型和非締合型流變改性劑：

非締合型流變助劑，通過可溶性、高分子量聚合物鏈的纏結而發揮作用（「流體動力學增稠」）。非締合型增稠劑的功效主要受聚合物的分子量控制；以非締合方式增稠的配方具有假塑性流變能力和高彈性。即使在用於厚漿型塗料時，這種配方也能產生良好的抗沉降穩定性和低流掛性，非締合型增稠體系通常表現出有限的流動性。聚合物的高分子量有時可引起兼容性問題，例如絮凝。

締合型流變助劑，締合型流變改性劑通過增稠劑分子的疏水性端基與自身和塗料成分之間的非特異性相互作用增稠，可形成一種所謂的「物理網狀物」，在恆定的剪切條件下，配方的粘度通常隨著時間的推移而下降，這是因為它的凝膠結構會被分解。如果移除剪切作用，塗料將會逐漸恢復至其初始粘度。特定等級或礦物質類型對於增稠水性體系十分有效，其他類型則適合於溶劑基塗料。在一種介質或其他介質中的應用主要取決於增稠劑的顆粒表面，該顆粒表面可經過有機改性而使增稠劑具有疏水性，以適用於溶劑基塗料。

四．水基體系和溶劑基體系不同流變助劑應用

水基介質

五．常用流變助劑分類及特性

·鹼性可膨脹乳液(ASE) —適用於水基油漆和塗料的鹼性可膨脹乳液

·疏水改性鹼性可膨脹乳液(HASE) —適用於水基油漆和塗料的疏水改性鹼性可膨脹乳液；

·疏水改性聚氨酯(HEUR) —適用於水基油漆和塗料的基於疏水改性聚氨酯衍生物的非離子締合性增稠劑；

·疏水改性聚醚（HMPE) —適用於水基油漆和塗料的基於疏水改性聚醚衍生物的非離子締合性增稠劑；

·綠坡縷石（無機流變改性劑）、基於蓖麻油的觸變膠—由經特殊加工的綠坡縷石（一種水合硅酸鋁鎂）製成的無機增稠劑和懸浮劑。

1) 非離子締合型流變助劑（聚氨酯、聚醚）

對於配方來說主要優點：廣泛的流變特性、在多種樹脂體系中非常有效、非PH依賴性、改善耐擦洗性、對吸水量和耐水白影響較小、出色的流平性、減少飛濺；

局限性：其他成分（表面活性劑、溶劑、聚合物分散體、顏料、）可能會影響增稠性能。

與其他常用增稠劑相比，聚氨酯和聚醚締合型流變改性劑具有一系列優點。

· 可形成多種流變特性；在多種樹脂類型中有效；

· 易於輥塗和噴塗；

· 改善了塗布特性；

· 優化了流動性、流平性和抗流掛性；

2) 丙烯酸流變助劑

對於配方來說的主要優點： 較強的剪切稀釋作用（假塑性）、 抗沉降和抗流掛、傑出的噴塗特性、良好的著色後粘度穩定性、易於操作；低粘度；

局限性：pH 敏感性、Ca++ 離子敏感性、有限的防水性和耐擦洗性、易水白；

鹼性可膨脹乳液的中和導致聚合物顆粒鹼性可膨脹乳液的中和導致聚合物顆粒膨脹和粘度增加（「流體動力學增稠」）

疏水改性鹼性可膨脹乳液增稠劑與鹼性可膨脹乳液增稠劑類似，以聚電解質主鏈為基礎，但其具有額 外的支鏈；疏水性基團。

3) 綠坡縷石—水合硅酸鋁鎂

綠坡縷石流變改性劑可在多種液體體系中提供廣泛的性能優勢，採用特殊加工的綠坡縷石（一種水合硅酸鋁鎂）和粘土礦物漂白土系列的主要產品製成，擁有以下理想配方：3MgO – 1.5Al2O3 – 8SiO2 -9H2O，是一種超細的礦物質，含有亞微米顆粒束。當亞微米顆粒束均勻分散到液體體系中時，膠體顆粒相互作用形成網狀物，可捕獲液體和更小的顆粒，並使較大的顆粒懸浮，是一種極其有效的可在廣泛的液體體系中提供一致的性能。製造商用它來完全或部分替代較為昂貴的流變劑，以期在產品的生命周期中獲得它所帶膠凝劑、觸變膠和懸浮劑來的各種優勢。

相比其他常用增稠劑和懸浮劑，綠坡縷石流變改性劑產品具有明顯的優勢：

· 在配製過程中，Attagel 膠體粘土易於分散在水基和溶劑基體系中；

· 在配製中提供了廣泛的寬容度，因為它們本質上具有惰性，而且與大多數助劑兼容，可耐受大多數物理和化學環境；

· 無需特殊溶劑、活化劑或改性劑，除了在建議使用表面活性劑的溶劑基體中；

· 在最終應用中，可輔助脫水收縮控制、抗流掛、成膜、流平、防飛濺、鋪展性、拉絲、著色強度和覆蓋；

· 儲存期間產品可減少液體分離（脫水收縮），不膨脹，在廣泛的 pH 值和溫度範圍內保持穩定，不溶於有機液體，並且通常能夠抗沉降；

4) 基於羥化蓖麻油的有機觸變膠—適用於溶劑體系的流變助劑

為了控制溶劑基塗料的流變能力或增加其粘度，使用了許多不同的有機和無機活性物質的氫化蓖麻油可以在不同的塗料體系中提供穩定的增稠作用。同時，這些產品還具有高觸變性，因此可以應用較大的膜厚度。垂直表面上厚膜的流掛得以有效預防，並且還改善了工作和流動特性。顏料沉降也大大減少都是經過微粒化的粉末。其用途和工作機理如下所示：

基於氫化蓖麻油的有機觸變膠，適用於非水性配方：

·在不同塗料體系中提供穩定的增稠作用，還具有高觸變性；

·流掛得以有效預防，同時改善了工作和流動特性，顏料沉降大大減少；

· 需要足夠的剪切力來確保 粉末充分分散。優選在添加顏料前於高速碾磨機中製備預凝膠;

· 必須遵守特定的溫度限制

六．測量流變作用的方法

· Brookfield 粘度計 — 適用於低到中剪切範圍；

· Krebs Stormer 粘度計(KU) — 適用於中剪切範圍；

· ICI 錐板粘度計 (ICI) — 適用於高剪切範圍；

· 流變儀 — 通用，低到高剪切範圍；

Brookfield 和 Krebs Stormer 粘度計均為常用工具，它們操作簡單，常被用作質量控制工具，在給定溫度和特定剪切條件下測量粘度。

Brookfield粘度計可測量在一種流體中旋轉轉子所需的轉矩。在給定的粘度下，粘滯曳力或流動阻力（以彈簧卷繞的程度表示）與轉子的旋轉速度成正比，並且與轉子的大小和形狀相關。通過改變速度或更換轉子，可以測量多種粘度範圍。

若要全面了解體系的流變特性，需要使用流變儀，因為它可以在廣泛的剪切範圍內進行多次測量。使用較先進的流變儀可以精確測量低、中和高剪切速率的粘度。這種流變儀可以在多種模式下工作（例如，受控的剪切應力模式、受控的剪切速率模式或震蕩模式）。通過連續或遞增測量，這類儀器可以追蹤流動參數的變化，準確地測量各種條件下的剪切速率、剪切應力和粘度。