1. 流变控制剂功能及作用机理
涂料施工后, 由于重力作用而向下流动, 这就是流挂。 降低涂
层厚度和提升涂料黏度可以减小流挂, 但与流平产生矛盾。 保证涂
料有最佳流平和最小流挂的有效措施是在涂料中添加流变控制剂
(简称流变剂), 流变剂也称防流挂剂或触变剂。 流变剂的功能、 作
用机理和品种见表4-2。
表4-2 流变剂的功能、 作用机理和品种
功 能 作用机理 代表品种
高剪切速率
下黏度低, 利
于流平; 低剪
切速率下黏度
高, 防止流挂
触变剂 能 赋 予 涂 料 一 种 结 构 黏 性, 也 就 是 触 变
性, 结构黏性随着剪切速率的增加和剪切时间的延
长而降低, 当除掉剪切速率后, 黏度又可以恢复。
触变剂的这一 特 性 恰 恰 可 以 平 衡 流 平 和 流 挂 的 矛
盾。 在涂装的高剪切速率下, 涂料的结构黏性被破
坏, 黏度降低, 利于涂膜流平; 当涂装结束后, 去
掉剪切速率, 结构黏性自动恢复, 限制了涂料的流
动, 防止了流挂的产生
有 机 膨 润 土、
气相 二 氧 化 硅、
蓖麻 油 衍 生 物、
聚乙烯蜡、 酰胺
蜡、 金属皂、 流
变控制树脂等
2. 流变控制品种示例
(1) 气相二氧化硅 气相二氧化硅是较早使用的触变剂, 现在
使用的产品在性能上有了较大提高。 气相二氧化硅为固体粉末, 是
球形微粒的集合体, 其分子上含有羟基基团, 能够吸附水分子和极
性液体, 球形颗粒表面有硅醇基。 当气相二氧化硅分散于基料溶液
中时, 相邻球形颗粒之间的硅醇基团因氢键结合而产生疏松的晶
格, 形成三维网络结构, 产生凝胶作用和很高的结构黏度。 在受到
剪切力作用时, 因氢键结构力很弱, 网络结构破坏, 凝胶作用消
失, 黏度下降。 剪切力去除后又能恢复原来静止时的形状。
气相二氧化硅在使用时易受涂料溶剂的影响, 在非极性溶剂中
的效果最好。 在极性溶剂中液体的分子和二氧化硅颗粒间吸引力增
大, 很难形成疏松的网络结构。 为此, 国外有专门用于极性溶剂的
气相二氧化硅, 如德国 Degussa公司的 Aerosil系列产品。
162(2) 有机膨润土 有机膨润土外观为粉状物质, 微观上附聚黏
土薄片堆, 黏土薄片两面都附聚有大量的有机长链化合物, 经分散
并活化后, 相邻薄片边缘上的羟基靠水分子连结, 从而形成触变性
的网络结构, 外观则成凝胶状态。 如果没有水分子, 则不能形成凝
胶结构。
最常用的活化剂是相对分子质量低的醇类, 例如甲醇和乙醇。
相对分子质量低的酮, 尤其是丙酮, 也可以用作活化剂, 但其气味
大, 闪点较低, 限制了其在工业涂料中的应用。
(3) 流变控制树脂 高性能、 高装饰性的汽车面漆发展方向是
少溶剂型高固体分涂料。 为提升涂料的固体含量, 应降低基料树脂
的相对分子质量, 从而降低树脂的黏度, 导致高固体分涂料的流挂
倾向远远大于常规涂料。 新型流变控制树脂 (RCR) 很好地解决了
流挂问题, 同时全面改善了汽车面漆的施工性能。
① RCR 的组成 RCR 是在高品质聚酯或丙烯酸树脂中加入
2%~3% 的 流 变 控 制 (RCA), 经 过 特 殊 的 合 成 工 艺 制 备 而 成。
RCA 属于酰胺蜡类型, 由二异氰酸酯和单元胺制得, 其反应式为:
R NCO+2R' NH2
R' NH CO NH R NH CO NHR'(RCA)
OCN
(4-1)
RCA 的化学组成是对称的二脲, 是一种白色针状结晶体, 故
树脂外观呈乳白色。
② RCR 的触变性 由于二脲的存在, RCR 加入到溶剂型涂料
中时, 产生氢键力, 从而在涂料中形成一种疏松的三维网状结构。
该结构的生成导致了体系黏度的上升。 由于氢键力是可逆的, 在强
剪切作用下, 网络结构破坏甚至完全消失, 黏度降至最低, 而常规
涂料黏度为1~10Pa·s (50%固体含量, 25℃), 且基本属于牛顿
型流体。 RCR 的流变曲线是一种理想的触变曲线, 在低剪切作用
或无剪切作用下, 树脂黏度极高, 可防止颜料的沉淀、 絮凝、 浮色
和发花; 在高剪切作用下 (比如喷涂时), 黏度极低, 从而有利于
涂料的雾化, 易于施工。
③ 最佳用量 RCR 在高固体分汽车面漆中应加合成树脂固体
含量的20%~25%; 在 金 属 闪 光 漆 中 应 加 合 成 树 脂 固 体 含 量 的
20%~40%。 上述加入量可以获得很好的防流挂、 防沉淀、 防发花
和协助效应颜料定向等功效。
(4) 凝胶型流变剂 凝胶型流变剂主要品种有碱性磺酸钙凝胶
(商品牌号Ircoge1905) 和丙烯酸微凝胶 (简称微胶)。
① 碱性磺酸钙凝胶 碱性磺酸钙凝胶的主要特性: 对温度稳
定, 尤其是高温下仍保持有效的抗流挂性; 有较高的触变性、 较低
的施工黏度; 不需要活化或制成预凝胶, 可以后添加; 提高涂料的
流平和流动特性, 减少涂膜表面缺陷 (如缩孔和橘皮等); 不吸油,
不影响光泽、 鲜映性和清漆的透明性。 该胶状流变剂由上海路博润
(Lubrizol) 涂料及油墨添加剂公司营销。 Ircogel905流变剂是由棒
状的碳酸钙晶核 (粒径为5~30nm) 及其缔合的芳香族 C12~C30烷
基磺酸钙盐组成, 其分子式为 R SO3 Ca2+·xCaCO3
2 2
_x0010_
。
② 丙烯酸微凝胶 微凝胶 (简称微胶) 是分子内部具有不同
交联密度并具有初步网络结构的大分子, 其尺寸一般在10μm 以
下。 根据分子内交联密度的大小, 可分为硬质微胶和软质微胶。 交
联密度趋大, 微胶趋向硬质化; 交联密度趋小, 微胶趋向软质化,
并逐渐接近线型高分子。 根据分子内及表面残存活性基团的有无,
微胶可分为活性微胶和非活性微胶。 不含活性基团的称为非活性微
胶, 含活性基团的称为活性微胶和多活性微胶。
微胶是高固体分涂料优良的防流挂剂。 选择分子内交联密度合
适的微胶, 在丙烯酸涂料中添加5%, 可使分子量降低后不流挂的
涂膜厚度大大提高。
微胶能使高固体分涂料在烘烤前和烘烤中涂膜的膜厚、 流平与
流挂 之 间 取 得 最 佳 平 衡, 不 增 加 涂 料 的 黏 度。 活 性 微 胶 能 与
HMMM 反应, 并能改善涂膜的力学性能 (如撕裂强度、 拉伸率),
增加涂膜耐磨性, 还能改善颜料的分散性与稳定性, 是当前最受推
荐的高固体分涂料优良的防流挂剂。
(5) 改性脲流变剂 改性脲流变剂 (商品牌号 BYK-410) 为
N-甲基吡咯烷酮中的溶液, 主要技术指标见表4-3。
164表4-3 BYK-410主要技术指标
项目 指标 项目 指标
不挥发分/%
活性成分
密度 (20 ℃)/(g/mL)
48~55
改性脲化合物
1.13
折射率
闪点/℃
1.52
65
在丙烯酸树脂高固体分涂料中, 使用有机膨润土和 BYK-410
考察其流变性, 与有机膨润土相比较, 改性脲流变剂 BYK-410具
有明显优点, 在剪切速率≤0.1s-1时 (流挂时), BYK-410产品黏
度高于有机膨润土; 在剪切速率为1000~10000s-1 (施工时) 时,
BYK-410产品黏度下降明显。
BYK-410流变剂用于抗沉降和防流挂具有良好的效能; 调漆
时添加 BYK-410效果最佳; BYK-410主要适用于中极性溶剂和无
溶剂型涂料体系; 有更好的剪切变形和触变性; BYK-410在涂料
中用量: 抗沉降为0.1%~0.3%, 防流挂为0.5%~1.0%, 无溶
剂体系为1.0%~3.0%。
(6) 喷漆用流变性助剂 英国奥维斯公司的SOLTHIX-250流
变性助剂设计用于溶剂型着色和透明涂料中防止热流挂, 并对光泽
的影响减至最小, 其在透明涂料体系和金属闪光涂料体系中也是有
效的。 SOLTHIX250助剂可用于宽范围涂料体系, 包括聚酯/氨
基、 丙烯酸/氨基、 醇酸/氨基、 气干型醇酸、 双包装聚氨酯和双包
装环氧等体系, 但不适用于水性体系。 推荐在搅拌下将其加入调漆
料中, 无 需 外 加 研 磨。 SOLTHIX250 的 用 量 为 涂 料 总 质 量 的
0.5%~1.5%。