聚氨酯缔合增稠剂在水性涂料中的应用

聚氨酯（PU）即聚氨基甲酸酯的统称，通常由聚醚、聚酯等低聚物多元醇与多异氰酸酯经缩合聚合而成。采用同样的化学反应原理，聚氨酯缔合型增稠剂由二异氰酸酯与聚乙二醇经缩合聚合，再经长链的醇或胺封端而成。二异氰酸酯和长链的醇或胺提供缔合基团部分，聚乙二醇链段提供亲水部分，保证聚合物的水溶性[1-2]。

聚氨酯缔和增稠剂之所以能增稠得益于其“亲油-亲水-亲油”三嵌段结构[3]。将增稠剂添加到水或乳液体系中，当浓度达到临界胶束浓度(CMC）,才会产生增稠效果，此时增稠剂形成胶束，当浓度继续增加，达到临界聚集浓度（CAC），形成花状胶束，胶束经过二次缔和形成由桥接链连接在一起的二次聚集体[4-5]。如图1所示即：两端的疏水(亲油)基团与聚合物相连接，疏水的头部基团吸附在乳液或颜料颗粒表面，使颗粒之间形成桥一样的链接，并且互相缠绕,形成三维网状结构，直接影响了体系的粘度特性[6-7]。

从聚氨酯增稠剂（HEUR）分子的结构可以看到，疏水性的封端基团易于同有机的乳液粒子之间产生亲和力，而分子中氨酯键的存在使HEUR分子之间有发生缔合作用的倾向，这样HEUR分子与乳液粒子以及HEUR分子本身之间形成很大的流体力学体积的缔合网状结构，阻碍了粒子在电场中的运动，降低了粒子的流动速率。HEUR流变剂在乳胶涂料中的增稠主要有两方面的机理：一是水相增稠，即依靠亲水基团与水分子结合，限制水的流动性，增加体系的粘度；二是缔合增稠，即依靠疏水基团与乳液粒子产生缔合，并且不同分子的疏水基团之间也可产生缔合，从而形成三维网状结构，引起粘度增加。在乳胶涂料中第二种增稠机理是主要的[8-9]。

岳阳凯门水性助剂有限公司通过聚氨酯合成工艺开发了一种多支链的聚氨酯缔合增稠剂Greesol R60。本文着重探讨了该增稠剂在水性涂料中的增稠能力、耐水能力，以及其在水性树脂涂料中相容性等多种应用性能。

实验部分

◆ 试验仪器与设备
烧杯(250mL）、电子天平（JA-20002）、一次性滴管（2mL）、量筒（250mL）、分散机（400W)、秒表（PC2810）、水浴锅（HH-ZK4）、喷枪（NEW-71)、快手研磨机（KS370)、数显粘度计（NDJ-8S）等

◆ 试验原材料及配比
聚氨酯增稠剂Greesol R60、基材润湿剂H87、消泡剂DF84，工业级，岳阳凯门水性助剂有限公司；竞品；BCS、无水乙醇，试剂级，阿拉丁化学试剂；丙烯酸乳液719F，工业级，巴德富集团有限公司，环氧乳液2060H、羟丙二级分散体、异氰酸酯固化剂3598T，工业级，联固化学有限公司；水溶性树脂350，氨基树脂，工业级，南方树脂集团等。

◆ 试验测试方法
按 GB/T 2794–2013《胶黏剂黏度的测定单圆筒旋转黏度计法》，使用上海昌吉地质仪器有限公司的DDJ-8S 旋转黏度计测量树脂体系的黏度。

耐水性及光泽度测试配方如表1所示：
按 GB/T4893.6-2013《家具表面漆膜理化性能试验第6部分:光泽测定法》，使用Pushen公司的光泽仪测定漆膜光泽度。按GB/T1733-1993《漆膜耐水性测定法》，使用标准(GB/T1733-1993)中浸沸水试验法，测试其耐水性。

实验结果与讨论

◆ Greesol R60针对水性涂料的增稠效果
如图2、图3所示，Greesol R60的增稠能力优于竞品，且随着添加量的增加，增稠效果越好。其主要原因是：Greesol R60主要为缔合增稠，即依靠疏水基团与乳液粒子产生缔合，并且不同分子的疏水基团之间也可产生缔合，从而形成三维网状结构，引起粘度增加。Greesol R60的多支链结构增加了疏水基团缔合点，因此其能够迅速达到临界胶束浓度，形成网状结构，实现增稠。

◆ Greesol R60后增稠测试
如图4、图5所示，Greesol R60的增稠能力优于竞品，且Greesol R60和竞品一样，后增稠现象不明显。其主要原因是：Greesol R60在结构设计时，通过控制支链与PEG链段的比例，准确地控制了亲水亲油基团的比例，在添加进入体系后，Greesol R60能够迅速在体系中展开，使每一个增稠剂分子都能够迅速参与到增稠过程，所以在静置过程中不会表现出后增稠现象。

◆ Greesol R60耐水性测试
采用浸沸水实验法对于木器漆漆膜耐水性进行测试。在沸水情况下，经过 1h 的浸煮，漆膜未发生脱落、起泡、失光现象，与竞品结果一致，证明添加Greesol R60增稠剂不影响漆膜耐水性。普通的聚氨酯增稠剂由于其PEG含量高，水溶性好，通常会有漆膜脱落、起泡、失光等现象，但是由于Greesol R60具有多支链结构，其能够迅速形成胶束，与树脂体系缔合，把PEG链段隐藏，因此其能够具有良好的耐水性能。

◆ Greesol R60光泽度测试
采用Greesol R60制备的成品涂料具有很好的漆膜表现，能获取较高的漆膜光泽度。其主要原因是由于Greesol R60在结构设计时，通过控制支链与PEG链段的比例，准确的控制了亲水亲油基团的比例，使漆膜具有良好的流平性能，从而漆膜能够表现出较高的光泽度。

结论

由于Greesol R60是多支链结构，同时其通过多支链结构调节了亲水亲油比例，在缔合增稠的过程中，其能够迅速达到临界胶束浓度，使疏水基团与乳液粒子产生缔合，并且不同分子的疏水基团之间也可产生缔合，从而形成三维网状结构，引起粘度增加。

多支链结构的Greesol R60通过调控其亲水亲油基团的比例使其在不同树脂体系中具有优异的增稠能力，且不会产生后增稠现象。同时添加Greesol R60制备成品涂料在应用测试中表现优秀，不仅能获取较高的漆膜光泽度，还不会影响漆膜的耐水性能。

本文由岳阳凯门水性助剂有限公司提供

来源：荣格-《涂料与油墨-中国版》

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参考文献

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[9].娄光伟.聚醚性聚氨酯增稠剂的合成与性能研究[D]. 兰州市:兰州大学, 2006.19-20