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1、涂料中的流变学基本原理 增稠剂的类型和选择,流变学： 描述物体在外力作用下产生流动 和形变规律的学科 基本概念 剪切应力：物体单位面积切线方向的力 剪切速率 粘度：流体阻碍流动的程度,剪切应力,剪切应力,面积,剪切力,剪切速率,剪切速率,V,剪切速率,剪切速率,湿膜厚度,250mm/0.25s,牛顿认为要维持这种速度上差异的力与垂直于流体的速度差异（即速度梯度）成正比，用下式来表示： 粘度 = 剪切应力/剪切速率 粘度的SI单位为帕斯卡秒， 涂料行业通用单位泊（厘泊） 1 Pa.s = 10 Poise =1000CP,粘度,牛顿流体 剪切应力和剪切速率的关系为一条直线 在给定温度下粘度与剪切
2、速率无关 包括简单的流体:如水、有机溶剂和矿物油,牛顿流体,剪切应力,剪切速率,粘度,剪切速率,非牛顿型流体：液体粘度随着剪切速率的变化而变化 假塑性/塑性:粘度随着剪切速率的增加而降低(剪切变稀) 膨胀性: 粘度随着剪切速率的增加而降低（剪切变稠） 触变性：剪切变稀，且粘度取决于剪切时间 震凝性：剪切变稠，且粘度取决于剪切时间,剪切速率,塑性,假塑性,剪切应力,剪切速率,假塑性,塑性,粘度,剪切速率,剪切速率,膨胀性,膨胀性,粘度,剪切应力,粘度,剪切速率/时间,剪切速率/时间,粘度,触变性,震凝性,各类非牛顿型流动特点,涂料与流变学的关系,剪切速率 (s-1 ),涂料和流变学的关系,0.1
3、,1,10,100,1,000,10,000,Brookfield粘度计,KU 斯托默粘度计,ICI 锥板粘度计,流变仪,剪切速率 (s-1 ),涂装过程10-210-1100101102103104 105 流挂 流平 浸涂 泵送 混合 分散 喷涂 滚涂 刷涂,涂料和流变学的关系,漆膜的光学性能（遮盖、光泽）主要取决于颜填料分散的质量,涂料制备：分散,高研磨粘度,低研磨粘度,涂料和流变学的关系,沉降就是颜料、填料和其他固体物质在重力作用下一直下沉到容器的底部 颜料沉降是一个低剪切速率的现象：所涉及的剪切速率小于10-2 s-1 ，所以涂料在这种剪切速率下的粘度对防止颜料的沉淀至关重要 克服沉
4、降的常用方法 平衡颜料/填料的粒径分布（采用小粒径填料代替部分粒径较大的填料） 尽量降低溶剂和表面活性剂的用量，它们会降低低剪切速率下的粘度 通过选择增稠剂调高低剪切下的粘度（如将RM-2020NPR 替换为RM-2020NPR/RM-8W 混合物 加入少量（ 0.5-2 g/L ） HEC来增加低剪切粘度。但会影响流动和流平性以及抗飞溅性能,涂料贮存：沉降,涂料和流变学的关系,涂料施工：蘸漆,蘸漆是在中等剪切速率(10-100sec-1)条件下的操作 涂料非常粘稠并且在罐内静置时就结构化，通常的一个感觉就是这种涂料很难涂装 涂料在罐中非常稀会导致涂料在涂刷转移过程滴落、施工时在垂直表面严重的
5、流挂以及辊涂操作时飞溅 控制涂料在这个剪切速率范围的粘度会影响这些中等剪切下的性能（罐内外观、蘸刷、搅拌）。,涂料和流变学的关系,刷涂、辊涂和喷涂操作取决于高剪切速率（ 103sec-1）下的粘度 高剪切速率下的粘度越高，施工过程中涂料分布所受到的阻力越大，因而一次施工能获得较厚的漆膜。反之，高剪切速率下粘度低意味着涂料分布时受到的阻力较低，涂料容易铺展在基材表面相应漆膜较薄，导致遮盖力降低,涂料施工：漆膜丰满度,涂料和流变学的关系,涂料 A,涂料 B,涂料C,涂料施工：流平流挂,涂料和流变学的关系,影响流平流挂影响因素 漆膜厚度 干燥速度 粘度（低剪切条件下） 最大的流平性和最小的流挂的目标
6、相互矛盾 低剪切速率下的粘度降低有助于流平性，但同时增加了流挂 而增加漆膜厚度会加速流平，同时也增加了流挂,涂料施工：流平流挂,涂料和流变学的关系,涂料生产、储存和涂装操作中所需最佳流动特性,涂料和流变学的关系,1. 增稠剂的分类 2. 常见增稠剂的分子结构 3. 增稠剂的增稠机理 4. 增稠剂的增稠效果5. 增稠效率影响因素 6.增稠剂选择,增稠剂的类型和选择,1. 增稠剂分类,增稠剂/流变助剂,非缔合型,疏水改性 碱溶性丙烯酸乳液,非离子型 聚氨酯,纤维素 醚类,- HEC Natrosol 250 HBR,碱溶性 丙烯酸乳液,疏水改性 纤维素醚类,-HASE TT-935,-HEUR R
7、M-2020NPR,缔合型,2. 增稠剂的分子结构,纤维素醚类增稠剂,纤维素衍生物, 通过取代到纤维素主链上的烷基不同得到不同产品,其中R和R” 是： a) CH3 b) CH2COONa c) CH2CH3 d) CH2CH2OH e) CH2CH2CH(OH)CH3 f) CH2CH(OH)CH3,生产,羧甲基纤维素钠（SCMC) （b） 羧甲基2-羧乙基纤维素钠（b+d） 羟乙基纤维素(HEC) （d） Natrosol 250 HBR 甲基纤维素（MC） - (a) 2-羟丙基甲基纤维素(HPMC) （a+f） 2-羟乙基甲基纤维素(HEMC) (a+d) 2-羟丁基甲基纤维素(a+e
8、) 2-羟乙基乙基纤维素(HEMC) (c+d) 2-羟丙基纤维素(HPC) (f),分子量: 10万 100万 (环状分子)刚性,增稠剂的分子结构,非离子型聚氨酯增稠剂(HEUR) (Hydrophobically modified Ethylene oxide URethane),线型类,支链类,疏水基团,亲水主链,聚氨酯链接,分子量: 5万 10万 (分子)柔性,增稠剂的分子结构,疏水改性碱溶性乳液(HASE) (Hydrophobically modified Alkali Soluble Emulsion),COOH,羧酸主链,EO链段,疏水基团,( R = CH3 or H ),分
9、子量: 几万 几十万 (分子)刚性相对较弱,COOH,增稠剂的分子结构,3.增稠剂的增稠机理,羟乙基纤维素HEC增稠机理, 增稠水相 (氢键) 粘度取决于分子量和极性基团的水合能力,增稠剂机理,聚氨酯缔合型HEUR增稠剂增稠机理(如:RM-2020NPR),非离子表面活性剂,疏水基团,亲水端,线型类,支链类,疏水基团,亲水主链,聚氨酯链接,聚氨酯增稠剂,(分子量: 几百 几千),增稠剂机理,(分子量: 5万 10万）,表面活性剂与乳液的缔合,水溶液中表面活性剂胶束,表面活性剂在乳胶颗粒表面的吸附,乳胶颗粒,疏水基团,亲水端,增稠剂机理,聚氨酯缔合型HEUR增稠剂增稠机理,增稠乳液相,HASE类
10、缔合型增稠剂增稠机理(如:TT-935, DR系列),碱性环境,pH 3-4,pH 7-10,COO-,COO-,乳液形态供货,粘度上升, 体系增稠,COOH,COOH,增稠剂机理,HASE类缔合型增稠剂增稠机理 (如:TT-935, DR系列),增稠剂机理,增稠水相及乳液相,HASE类缔合型增稠剂(如:TT-935, DR系列),4. 增稠剂的增稠效果,导致体积限制絮凝,纤维素醚类增稠剂的增稠效果,增稠效果,纤维素醚类增稠剂的增稠效果,增稠前,增稠后,乳液增稠前后的电子显微照片,缔合型增稠剂增稠效果,增稠效果,缔合型增稠剂的增稠效果,增稠前,增稠后,乳液增稠前后的电子显微照片,纤维素醚类增稠
11、剂,优势 配方相对简单 粘度稳定性好,对 pH 及配方其它组份敏感性小 局限性 易受微生物侵蚀 施工时抗飞溅性差 流平及光泽展现差 生产操作不便(干粉、水溶液、溶液浆）,增稠效果,滚涂飞溅示意图,纤维素增稠剂,ACRYSOL TT-935,ACRYSOL RM-2020 NPR,增稠效果,优势 生物稳定性好-抗生物降解 优异的抗飞溅性 类似醇酸漆的流动效果 较好的耐水性及涂膜耐久性 涂膜丰满度高，涂膜均匀，可获得高光,聚氨酯类缔合型HEUR增稠剂(如:RM-2020NPR, RM-8W),增稠效果,局限性 增稠效率受乳液、PVC、体积固含量 等多种因素影响 对表面活性剂/醇类溶剂/分散剂等敏感
12、 -着色时粘度降低明显,聚氨酯类缔合型HEUR增稠剂,增稠效果,优势 生物稳定性好-抗生物降解 优良的抗飞溅性 与纤维素醚类增稠剂及ASE比较，漆膜丰满度和流平性改善 液体形式供货，生产操作简单 低成本,HASE类缔合型增稠剂(如:TT-935, DR 系列),增稠效果,局限性 使用时需调节pH 耐水/耐碱性相对较差 与分散剂配合使用不当时可能造成颜料絮凝或光泽下降 增稠效率受乳液、PVC、体积固含量等多种因素的影响 对表面活性剂/醇类溶剂/分散剂等较敏感,HASE类缔合型增稠剂,增稠效果,5.影响缔合型增稠剂增稠效率的因素,乳液粒径大小 乳液的种类 与表面活性剂的相互作用 与有机溶剂的相互作
13、用 颜料体积浓度(PVC)的影响 体积固体含量(VS)的影响,增稠效率影响因素,乳液粒径大小影响,聚氨酯增稠剂浓度,增稠剂在乳液上的吸附,HEUR,50 nm,90 nm,140 nm,340 nm,600 nm,增稠效率影响因素,乳液种类影响 - 亲水性/稳定形式,?,亲水聚合物,表面活性剂,乳胶颗粒,乳胶颗粒,表面活性剂稳定,胶体稳定,增稠效率影响因素,与表面活性剂的相互作用,表面活性剂,增稠效率影响因素,与有机溶剂(水溶性)相互作用,0,200,400,600,800,1000,1200,1400,1600,1800,0,5,10,15,20,25,30,溶剂用量Wt %,Brookfi
14、eld 粘度 cps,异丙醇,乙二醇,丙二醇,甲基卡必醇,丁基卡必醇,异丙醇,增稠效率影响因素,6. 增稠剂选择指南,不同增稠剂性能比较,增稠剂流变性能比较 (相同KU粘度),高剪切粘度,DR-73,TT-615,TT-935,RM-2020NPR,RM-8W,SCT-275,ASE-60,DR-1,RM-7,DR-72,HMHEC,HEC,RM-12W,低 剪 切 粘 度,RM-5000,聚氨酯 类增稠剂,疏水碱溶性类增稠剂,增稠剂选择指南,粘 度,剪 切 速 率,中剪切(Stormer)粘度10-100 s-1,高剪切(ICI)粘度 100-10000 s-1,低剪切(Brookfield
15、)粘度 0.001-10 s-1,滞刷性,漆膜丰满度,蘸漆量,搅拌难易,流挂,流平,沉降 抗分水,增稠剂选择指南,低剪切粘度增稠剂 RM-12W, TT-615, DR-72,ASE-60,中剪切粘度增稠剂 RM-8W, SCT-275, DR-1, TT-935,高剪切粘度增稠剂 RM-5000,RM-2020 NPRDR-73,很高低剪粘度,Acrysol TT-935,乳白色液体,30,阴离子,2.1 - 3.5,高低剪粘度,30 (1/60),外观,固含量 %,化学类型,pH 值,比重 25 C,流变特性 低剪粘度,粘度 25 C cps (转子/转速),Acrysol TT-615,
16、乳白色液体,30,阴离子,2.5 - 3.5,1.06,20 (1/60),1.05,Acrysol TT-935 KU/ICI 粘度平衡. 最通用推荐用于内墙平光，蛋壳光和缎光涂料,Acrysol TT-615 有效建立 KU粘度,需调节pH值,与TT-935相比更趋假塑性, 拉毛,Acrysol ASE-60 价格最低。适用于浮雕拉毛漆和密封材料.,提示:,ACRYSOL 碱溶性增稠剂,增稠剂选择指南,色漆:建议DR-72 / DR-73匹配使用,ACRYSOL DR增稠剂,Acrysol DR-73 建立较高的高剪切(ICI)粘度, 替代低分子量纤维素增稠剂,Acrysol DR-72
17、类似于 HEC建立低剪切粘度和抗流挂、抗沉降性能替代高分子量纤维素增稠剂,Acrysol DR-1 有效建立 中剪切粘度,替代中分子量纤维素增稠剂,提示:,增稠剂选择指南,ACRYSOL HEUR 增稠剂 （不含溶剂）,上述产品可用于内外墙涂料获得很好的流动性 RM-8W, RM-12W建议与RM-2020NPR, RM-5000配合使用,提示:,Acrysol RM-8W 高效KU增稠，提供尤其适合粒径小，高光的乳液。适用于低PVC内外墙丝光至高光，低VOC配方。,Acrysol RM-12W 尤其适合喷涂和厚涂, 并保持良好的流动性。高效的假塑性, 抗分水.,增稠剂选择指南,ACRYSOL HEUR 增稠剂（不含溶剂）,Acrysol RM-5000 HEUR系列中对ICI最有效的增稠剂.特别适用于低味低VOC要求的配方使用，能单独或配合使用于平光至高光配方以提供良好的流动特性,提示:,Acrysol RM-2020NPR 高效ICI增稠，漆膜丰满，并提供优异的流动和流平性能。适用于内外墙平光至高光配方。,增稠剂选择指南,ACRYSOL HEUR 增稠剂(含溶剂),Acrysol SCT-275 高效增稠，可作为单独增稠剂使用。适用于低体积固含量的内外墙平光至高光配方。性价比优。,提示:,增稠剂选择指南,