特殊结构增稠剂在水溶性涂料中的性能研究

孙 毅，潘 会 （鞍山辉虹新材料化工有限公司，江苏泰州 225300）

0 引言

2020年，国家提出了“碳中和、碳达峰”的目标，加快了整个涂料行业“油转水”的进程。水溶性树脂体系涂料因其与水互溶、制漆工艺简便，在整个水性涂料市场中占据了不少份额，但水溶性涂料的增稠一直是行业亟待解决的问题。

增稠剂分为天然和人工合成两大类，天然增稠剂有淀粉、明胶等；人工合成的有聚乙烯醇类、聚丙烯酸盐类、聚丙烯酸酯共聚乳液类、聚氨酯类等。人工合成类增稠剂一般通过氢键作用、电荷排斥、疏水缔合等方式实现对体系的增稠。其中最为典型的是疏水改性碱溶胀丙烯酸共聚乳液（HASE）、疏水改性羟乙基纤维素（HMHEC）和疏水改性乙氧化聚氨酯（HEUR）增稠剂[1]。HASE属于阴离子型丙烯酸酯共聚乳液，其分子链上带有羧酸基团，pH一般在2～4。其增稠原理一般是因为疏水基团之间由于憎水作用而形成聚集，使大分子链产生分子内和分子间缔合形成超分子结构，实现了较好的增稠效果。HMHEC通过强烈的水合作用和分子链的缠绕来实现水相黏度的提高[2]。HEUR在乳液型体系中，可以通过吸附的方式附着在乳胶粒子的表面，还可通过自身缔合胶束和乳胶粒子间搭桥形成新的缔合网络结构来增稠[3]，其在乳液体系中的增稠效果非常明显。但这3款典型的增稠剂在水溶性体系中的增稠效果就很一般，主要是因为水溶性体系中存在着较多的醇醚类溶剂，这些溶剂的存在使得增稠剂发生溶解而起不到增稠的作用，给涂料的贮存及使用带来了诸多不便。

传统结构的水性聚酰胺增稠剂本身存在多元酸多元酰胺结构，能够在溶剂中溶解、在水中溶胀，使其在含8 %～30 %醇醚溶剂的体系中起到一定的增稠效果。但其本身为蜡状，使用前需要预乳化，这给涂料生产和使用带来较大不便。此外，传统结构的水性聚酰胺增稠剂本身没有水溶性（水乳性），其在水溶性体系中低温条件下容易析出，导致涂料质量明显下降；在施工过程中遇到加水兑稀，溶剂溶解力下降，也会造成蜡类结构的析出。通过对传统聚酰胺结构进行改性，使其亲水性得到提高，无需预乳化即可直接使用，可以同时应用于水溶性烤漆和水性乳液体系，跟各种水性树脂兼容性优异，不会造成析出风险。

本研究主要针对特殊结构改性后的聚酰胺类增稠剂在水溶性涂料中的应用，分别从其对涂料抗流挂性、贮存稳定性、光泽的影响，以及在银粉漆烤漆体系中对铝粉排列性等方面的影响进行了阐述。

1 试验部分

1.1 主要原料

水性分散剂（HP1096），固含量100 %、润湿流平剂（HS6064B），固含量100 %、消泡剂（HF3206），固含量100 %、流平剂（HL5510），固含量60 %、附着力促进剂（HS6055），固含量60 %、改性聚酰胺类增稠剂（HR7022），固含量20 %，鞍山辉虹新材料化工有限公司；水溶性丙烯酸树脂（SK6517），固含量70%、水性氨基树脂（SK5710），固含量80 %，上海帅科化工有限公司；水溶性环氧酯，客户提供；金红石型钛白粉（R996），四川龙蟒；铁红（4130），德国朗盛；碳酸钙（13 μm），市售；水性铝银浆（WH8214），安徽旭阳；乙二醇单丁醚，陶氏；二甲基乙醇胺（DMEA），巴斯夫。

1.2 主要设备仪器

砂磨机（HNM03），拓帕实业（上海）有限公司；高速分散机（U400/80-220），SWC；光泽仪，深圳三恩时科技有限公司；烘箱（101-1AS），南通嘉程仪器有限公司；流挂仪（LG-1），上海现代环境工程技术有限公司。

1.3 试验

色浆（白浆）的参考配方见表1。

表1 色浆（白浆）的参考配方Table 1 Reference formula of color paste（white paste）

水溶性丙烯酸白色烤漆的参考配方见表2。

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

水溶性环氧酯白漆的参考配方见表3。

表3 水溶性环氧酯白漆的参考配方Table 3 Reference formula of water soluble epoxy ester white paint

铝粉分散浆的参考配方见表4。

表4 铝粉分散浆的参考配方Table 4 Reference formula of aluminum powder dispersion slurry

水溶性丙烯酸氨基铝粉烤漆的参考配方见表5。

表5 水溶性丙烯酸氨基铝粉烤漆的参考配方Table 5 Reference formula of water soluble acrylic amino aluminum baking paint

1.4 性能测试

抗流挂性能参照GB/T 9264—2012《色漆和清漆 抗流挂性评定》进行测定、热贮存稳定性参照GB/T 6753.3—1986《涂料贮存稳定性试验方法》进行测定。

2 结果与讨论

2.1 抗流挂性能

2.1.1 增稠剂的种类和用量对水溶性丙烯酸氨基烤 漆抗流挂性能的影响

在水溶性丙烯酸氨基烤漆中分别等量添加HR7022增稠剂、聚氨酯类增稠剂、聚丙烯酸类增稠剂，并进行抗流挂效果的对比，结果见图1。图中从上至下膜厚分别为50 μm、75 μm、100 μm、125 μm、150 μm、175 μm、200 μm、225 μm、250 μm、275 μm。

图1 各类型增稠剂在水溶性丙烯酸氨基烤漆中的抗流挂性能Figure 1 Anti-sagging performance of various thickeners in water-soluble acrylic amino baking paint

如图1所示，HR7022的抗流挂值为175 μm，在200 μm湿膜厚度出现了稍许的流挂，且随着湿膜厚度的增加，其抗流挂性能未出现大的衰减；聚氨酯类增稠剂的抗流挂值为175 μm，在湿膜厚度200 μm时出现了较大流挂，且随着漆膜厚度的增加，其抗流挂性能出现较大幅度的衰减；聚丙烯酸类抗流挂剂的抗流挂值为150 μm，抗流挂性能稍弱一些，且随着漆膜厚度的增加，其抗流挂性能衰减很严重。

在水溶性丙烯酸氨基烤漆中添加不同量的HR7022，考察其用量对抗流挂性能的影响，结果见图2。

图2 HR7022用量对水溶性丙烯酸氨基烤漆抗流挂性能的影响Figure 2 The effect of HR7022 dosage on anti-sagging performance of water-soluble acrylic amino baking paint

由图2可见，未添加HR7022时，抗流挂值为150 μm；添加了总量0.5 %～1 %的HR7022后，抗流挂值提升至175 μm；添加总量2 %的HR7022，虽然抗流挂值仍为175 μm，但在湿膜厚度增加时，抗流挂性能衰减较轻；添加总量3 %的HR7022时，抗流挂性能明显提升，抗流挂值达到225 μm；添加总量5 %的HR7022时，抗流挂值达到275 μm，具有非常好的抗流挂性能。

2.1.2 不同增稠剂在不同体系中的抗流挂性对比

分别将进口产品1、2和HR7022按照2 %（质量分数）的用量加入水溶性氨基烤漆（白色）、水溶性羟丙-氨基烤漆（铁红色）和水溶性环氧酯白漆中，对比其抗流挂性能，结果见图3。

图3 不同增稠剂在不同体系中的抗流挂性能对比Figure 3 Comparison of anti-sagging performance of different thickeners in different systems

由图3可见，在白色水溶性丙烯酸氨基烤漆体系、铁红色水溶性丙烯酸氨基烤漆体系及水溶性环氧酯白漆体系中，HR7022的抗流挂性能均优于进口产品。

进口产品1为改性聚氨酯类增稠剂，其氢键在遇到醇醚类溶剂时会遭受破坏，从而导致其增稠效果不理想；进口产品2为聚酰胺类增稠剂，此类增稠剂在水溶性氨基烤漆体系中有一定的增稠效果，但需要进行预分散，使用时工序较繁琐；HR7022为特殊基团改性的聚酰胺类增稠剂，经过改性后，不但抗流挂性能提高了，而且无需预分散就可以直接添加，提高了生产效率。

在同一体系中，由于颜料的不同，增稠效果也会出现比较大的差异。铁红颜料表面具有较多的亲水基团，可以使增稠剂更好地吸附在颜料粒子表面，发生架桥现象，从而在体系中形成更多稳定的网络结构，使得整个体系的增稠效果非常显著，表现为抗流挂性能有较大提高。

2.2 贮存稳定性

参照GB/T 6753.3—1986《涂料贮存稳定性试验方法》，对进口产品1、2及HR7022所制样品进行热贮存稳定性对比。将3组样品在50 ℃烘箱中放置7 d后的结果见图4。从图4中可以看出，在水溶性丙烯酸体系以及水溶性环氧酯体系中，由进口产品所制备的样品上层均出现不同程度的“浮水”现象。而由HR7022所制备的样品未出现“浮水”现象，50 ℃贮存7 d后对样品进行刷涂试验，刷涂的漆膜上未出现颗粒、胶块及刷痕，可见HR7022在水溶性体系中具有非常好的防沉效果和贮存稳定性。

图4 不同涂料体系的贮存稳定性对比Figure 4 Comparison of storage stability of different paint systems

2.3 增稠剂对漆膜光泽度的影响

同一添加量下不同种类增稠剂对不同体系漆膜光泽度的影响见表6。

表6 同一添加量下不同种类增稠剂对不同体系漆膜 光泽度的影响（°）Table 6 Effects of different thickeners on the gloss of different systems at the same dosage

从表6中可以看出，HR7022增稠剂对各体系光泽度的影响均较小。HR7022不同添加量对水溶性丙烯酸体系光泽度的影响见图5，对涂料综合性能的影响见图6。

图5 HR7022不同添加量对水性丙烯酸体系光泽度的影响Figure 5 Effect of different addition amount of HR7022 on the gloss of waterborne acrylic acid system

图6 涂料综合性能对比Figure 6 Comparison of comprehensive properties of coatings

从图5中可以看出，在同一体系中，随着HR7022添加量的增加，漆膜光泽度会极轻微地降低，但总体保持平稳。从图6中可以看出，随着HR7022用量的增加，涂料的抗流挂性能以及防沉降性能均有一定幅度的提高，当HR7022的用量为2 %（质量分数）时，涂料的综合性能优异且成本最低。

2.4 铝粉排列对比

按照表5、表6的配方配制水性铝粉漆，分别制备3个样品A、B、C。A中不添加增稠剂、B中添加2 %的进口产品3、C中添加2 %的HR7022，分别喷涂制板，对比铝粉的排列效果，结果见图7。

图7 铝粉排列效果对比Figure7 Comparison of aluminum powder arrangement effect

从图7中可以看出，在水溶性丙烯酸体系中加入HR7022后，具有较好的铝粉定向排列效果，且漆膜表面效果较好，这与其特殊的性能有关：（1）良好的触变性，良好的触变性可以保持铝粉在喷涂过程中倾向于平行排列的状态，这一点对于水性铝粉涂料尤为重要；（2）后期流动性，在涂料刚喷涂到板材上后，需要一定的触变性来防止其流挂，并保持铝粉的排列状态。在过了这个窗口期后，漆膜的收缩会导致铝粉进一步进行排列，此时尽可能低的黏度有助于铝粉的进一步排列[4-5]。而HR7022这款产品恰好在溶剂不断挥发的过程中能够降低整个体系的黏度，从而使铝粉具有较好的排列效果。

3 结语

（1） HR7022作为1款用于水溶性体系中的增稠剂，其增稠效果优于聚氨酯类增稠剂以及聚丙烯酸类增稠剂。

（2） HR7022在水溶性体系中的用量在2 %～5 %（质量分数）时，可以达到比较好的抗沉降、防流挂效果，并且不影响漆膜的光泽。

（3） HR7022不仅可以作为抗沉防流挂助剂使用，还可以作为铝粉排列助剂使用，其用量在2 %（质量分数）时，就能得到较好的铝粉排列效果。

（4） HR7022不仅可以用在水溶性丙烯酸氨基烤漆体系中，也可用于乳液型丙烯酸氨基烤漆体系中。

（5） HR7022无需提前分散，使用时直接添加即可达到良好的分散效果，提高了生产效率。