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聚氨酯缔合型增稠剂分水现象的理论

来源: 作者: 时间:2014-05-07 点击:
导读:聚氨酯缔合型增稠剂是乳胶涂料的重要流变学助剂,本文主要介绍了聚氨酯缔合型增稠剂在乳胶体系中造成分水的机理,并在分水机理理论分析的基础上,探讨了解决涂料分水现象的方法。

聚氨酯缔合型增稠剂分水现象的理论

王武生,陈修宁,刘斌,曾俊
(安徽大学水基高分子研究中心,合肥230039; 合肥安科精细化工有限公司, 230088)

0 前 言
聚氨酯缔合型增稠剂是20世纪80年代发展起来的一类增稠剂,其分子结构、增稠机理和流变学特性都不同于传统增稠剂。在分子结构上传统增稠剂为高相对分子质量水溶性聚合物,而聚氨酯缔合型增稠剂为含有亲油基团的水溶性低聚物。在增稠机理上传统增稠剂是依靠水溶性聚合物溶解在水相中,通过分子链缠绕提高水体系黏度;聚氨酯缔合型增稠剂是通过分子链中的亲油基团在水体系中形成胶束,或亲油基团与高分子分散体或乳液粒子缔合而形成网状结构增加体系黏度。在流变学性能方面,传统增稠剂在剪切作用下,增稠剂分子链会在剪切方向上排列,黏度大幅下降,获得强假塑性流体;而聚氨酯缔合型增稠剂在剪切作用下达到缔合- 解缔合平衡,体系黏度仅有所下降,获得弱假塑性流体。聚氨酯缔合型增稠剂的分子结构大幅度可调也是其显著特点,亲水链段的长短、亲油基团的大小均可调节,分子结构可以是线型、星型、支化和梳型,不同的分子结构可以获得相应的流变学特征。通过调整分子结构可以获得增稠型、流平型或增稠流平平衡型增稠剂。聚氨酯缔合型增稠剂拥有的特性使得其成为高档建筑乳胶漆首选的流变学助剂。然而聚氨酯缔合型增稠剂在乳胶漆体系中有可能产生分水现象。所谓分水现象是指被增稠剂增稠的涂料在存放过程中出现分层,上层为清水,下层为浓缩的乳胶漆。分水现象虽然不影响涂料的使用,形成分水的涂料经过手工搅拌即可恢复原来状态,但却极大影响了涂料外观。分水现象长时间困扰涂料界,对分水现象的形成机理进行探讨,对乳胶漆生产具有指导意义。

1 聚氨酯缔合型增稠剂的增稠机理
要研究聚氨酯缔合型增稠剂的分水机理,首先必须清楚聚氨酯缔合型增稠剂的增稠机理。图1是聚氨酯缔合型增稠剂的增稠机理示意图。通用的聚氨酯缔合型增稠剂的结构特征为亲油- 亲水- 亲油三嵌段聚合物,两端为亲油端基,通常为脂肪烃基,中间为水溶性聚乙二醇链段。在水体系中,当增稠剂浓度大于临界胶束浓度时,亲油端基缔合形成胶束,增稠剂通过胶束的缔合形成网状结构增加体系黏度]。在乳胶体系中,增稠剂不但可以通过亲油端基胶束形成缔合,更主要的是增稠剂的亲油端基吸附在乳胶粒子表面。当2个亲油端基吸附在不同乳胶粒子上时,增稠剂分子就在粒子间形成桥联。亲油端基与乳胶粒子一直处于缔合和解缔合平衡状态,其缔合时间和解缔合时间都很短( t< 1 s) ,正是这种缔合和解缔合的瞬间平衡使得距离大于增稠剂分子末端距的粒子间也可产生力的作用。

聚氨酯缔合型增稠剂增稠机理
2 聚氨酯缔合型增稠剂作用下乳胶粒子间的相互作用计算
  在聚氨酯缔合型增稠剂作用下,将乳胶粒子间的作用完全数学模拟极为困难。在做大量的合理简化前提下, Scheu2tjens和Fleer建立了所谓的“首尾一致场理论”( Self2consistent2Field Theory of Scheutjens and Fleer) 。假设增稠剂结构为C6A100C6 ,其中C6代表6碳脂肪烃亲油端基, A100代表亲水聚乙二醇链段的聚合度。为了简化计算, Scheutjens和Fleer将乳胶粒子假设为六边型,粒子间距为d。Scheutjens和Fleer简化模型见图2。在合理假设物理系数前提下计算机模拟出单位表面能A与粒子间距关系曲线(见图3) 。经过简化后计算结果虽然与真实状态有差距,但不影响定性上的规律性。
S cheut jen s和Fleer简化模型

计算机模拟单位表面能与粒子间距关系曲线
从计算机模拟结果可以得出结论:随着聚氨酯缔合型增稠剂的加入,粒子间的作用力加大并形成表面能井,能井的深度和位置与增稠剂结构、乳胶性质和增稠剂加入量有关。

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