隨著環(huán)境保護(hù)法規(guī)和政策的日趨嚴(yán)峻，水性涂料由于其低VOC的特點(diǎn)受到越來越多的客戶的青睞。水性聚氨酯涂料由于其優(yōu)異的耐候性，優(yōu)良的耐化學(xué)品性能以及優(yōu)秀的機(jī)械性能在各個領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。
水性聚氨酯涂料的流變設(shè)計是聚氨酯配方當(dāng)中非常關(guān)鍵的一環(huán)。歸根結(jié)底，這是由于水性聚氨酯的整個體系的形態(tài)所決定的。在傳統(tǒng)的溶劑型聚氨酯體系中，所使用的溶劑通常是樹脂體系的真溶劑，樹脂在體系里的狀態(tài)是完全舒展開來而且均勻“溶解”于體系當(dāng)中。整個體系處于于“均一相”狀態(tài)，樹脂與它的溶劑之間屬于“你中有我，我中有你”的狀態(tài)。如圖一所示。
此種體系狀態(tài)會帶來以下系列流變特點(diǎn)：
● 體系處于均一相狀態(tài)，對溶劑體系進(jìn)行流變設(shè)計也是對樹脂體系的流變設(shè)計；
● 樹脂的分子量大小會影響整個體系的粘度，也會改變整個體系的流變狀態(tài)；
● 由于樹脂體系在溶劑體系中的完全溶解和舒展，使得溶劑型涂料的最終成膜比較容易形成均一而致密的膜。
然而，水性聚氨酯的體系狀態(tài)與溶劑型聚氨酯有著比較大的區(qū)別。目前，市面上主流的雙組分的水性聚氨酯的產(chǎn)品主要是羥基丙烯酸型的水性聚氨酯，而水性羥基丙烯酸樹脂又常見乳液型和分散體型兩大類。而這兩大類的最主要的區(qū)別是在合成的過程的區(qū)別。它們最終形成的產(chǎn)品，從本質(zhì)上來說都屬于“懸浮態(tài)”的體系狀態(tài)。這種狀態(tài)的最大特點(diǎn)是，樹脂（乳液或分散體）和承載它的介質(zhì)（水）相互之間是不相容的。它們之間所形成的相對而言是一種“分離相”的狀態(tài)，如圖二所示。
此種體系狀態(tài)會帶來以下流變特點(diǎn)：
● 體系處于相對分離的狀態(tài)，流變設(shè)計上就有了所謂的對水相進(jìn)行增稠和對樹脂相進(jìn)行增稠，以及對兩相都有增稠作用的幾種不同的設(shè)計方案；
● 樹脂的分子量大小和最終的體系粘度的關(guān)系不大，體系的最終粘度或流變性能和樹脂的分子量大小沒有直接的關(guān)系；
● 由于乳液粒子是不溶于水的，所以在最終成膜時，需要引入成膜助劑或者助溶劑來幫助最終成膜，形成均一致密的膜，而成膜助劑或者助溶劑的引入，反過來又會對流變助劑的選擇造成一定的影響。
正是由于水性聚氨酯體系和溶劑型聚氨酯體系的上述一系列的區(qū)別，造成我們在水性的聚氨酯的流變體系的選擇上與溶劑型聚氨酯有著較大的區(qū)別。首先，從流變設(shè)計的意圖出發(fā)，在這點(diǎn)上所有的流變設(shè)計都是相通的。流變的設(shè)計與最終涂料的儲存、運(yùn)輸、生產(chǎn)、施工、罐內(nèi)粘度、流平、流掛等等指標(biāo)都息息相關(guān)。我們都希望能在涂料生產(chǎn)和施工的過程中能有較低的高剪粘度方便生產(chǎn)，而在儲存和防止流掛和沉降的過程中有較高的低剪粘度以達(dá)到較好的存儲和防流掛性能。而水性聚氨酯又參雜進(jìn)來了水的高表面張力不易鋪展和消泡的特點(diǎn)，所以，適當(dāng)?shù)牧髯凅w系的選擇顯得更加的重要。
首先，我們先來引進(jìn)一個概念，也就是所謂的締合型增稠劑。這個是專門針對水性體系而言的。由于水性體系的“相分離”的特點(diǎn)，有些流變助劑是針對液相或者整個體系進(jìn)行增稠的，我們稱之為“非締合型”增稠劑，而有些流變助劑是針對體系當(dāng)中的特定的乳液或者顏填料進(jìn)行締合型增稠的，我們稱之為“締合型”增稠劑/流變助劑。如圖四所示區(qū)別，締合型增稠劑的本質(zhì)是存在不同的分子官能團(tuán)，其中一些官能團(tuán)能夠親近乳液或者填料，而另一部分官能團(tuán)則可以溶解或親水，這樣就形成了圖四中右圖所示的增稠機(jī)理。當(dāng)然，非締合型的增稠劑的增稠機(jī)理也是多種多樣的，我們將在下面的文章中進(jìn)行詳細(xì)的梳理。
依據(jù)締合型和非締合型的流變助劑的分類，以及有機(jī)和無機(jī)型的分類，我們可以把流變助劑分為兩個大的類別和若干小類，如圖五所示。
本文將重點(diǎn)探討羥乙基纖維素（HEC），堿溶脹型丙烯酸乳液（HASE），聚氨酯型增稠劑（HEUR），聚脲聚氨酯增稠劑，氣相二氧化硅，粘土類增稠劑（膨潤土，鋰蒙脫土等），以及聚酰胺蠟等產(chǎn)品的增稠機(jī)理，以及可能存在的優(yōu)缺點(diǎn)。
（一）纖維素醚類
纖維素醚類的增稠劑，其產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)式如下：
通過不同的R'和R''基團(tuán)的引入，我們可以得到以下不同的產(chǎn)品：
● 羧甲基纖維素鈉（SCMC）
● 羧甲基2-羧乙基纖維素鈉
● 羥乙基纖維素（HEC）
● 甲基纖維素（MC）
● 2-羥丙基甲基纖維素（HPMC）
● 2-羥乙基甲基纖維素（HEMC）
● 2-羥丁基甲基纖維素
● 2-羥乙基乙基纖維素（HEMC）
● 2-羥丙基纖維素（HPC）
而其中，我們最常用的是羥乙基纖維素，羥乙基纖維素的增稠機(jī)理是由于其具有很大的分子量（10-100萬）從而增稠水相，產(chǎn)生巨大的水合體積。通過巨大的水合體積以及氫鍵的作用，來實(shí)現(xiàn)最終的防沉降的目的。其作用機(jī)理如圖六所示。
羥乙基纖維素作為水性涂料的增稠劑具有以下特點(diǎn)：
● 適用于大多數(shù)涂料體系
● 增稠效率很高，較少的量就能達(dá)到很好的增稠效果
● 良好的抗流掛和抗罐內(nèi)沉降
● 具有很好的經(jīng)濟(jì)性
然而，它也有相應(yīng)的缺點(diǎn)，比如：
● 影響漆膜的光澤和流平
● 容易產(chǎn)生飛濺
● 不耐微生物降解等
（二）堿溶脹型丙烯酸
堿溶脹型丙烯酸屬于締合型的增稠劑，其分子主鏈結(jié)構(gòu)如下:
通過引進(jìn)疏水基團(tuán)，此類丙烯酸增稠劑在堿性的環(huán)境下，可以實(shí)現(xiàn)疏水基團(tuán)和乳液以及顏填料之間的締合，而親水的一端均勻溶解于水介質(zhì)當(dāng)中，從而實(shí)現(xiàn)增稠的機(jī)理。
此類增稠劑的分子量大約在幾萬到幾十萬不等，其作為增稠劑有以下優(yōu)缺點(diǎn)：
優(yōu)點(diǎn)
● 耐生物降解性
● 與纖維素醚類產(chǎn)品相比，漆膜光澤和流平性有較大改善
● 較好的抗飛濺性能
● 相對成本較低
缺點(diǎn)
● 需要在堿性條件下才能發(fā)揮作用
● 耐水性和耐堿性較差
● 增稠效率受乳液、PVC、體積固含量等影響
● 對助溶劑，表面助劑，分散劑等的選擇較為敏感
（三）聚氨酯類締合型增稠劑
聚氨酯類的增稠劑的分子量大約在5-10萬左右。其分子結(jié)構(gòu)比較像表面活性劑，即一端為親水基團(tuán)，而另一端為疏水基團(tuán)，兩個基團(tuán)之間以聚氨酯鍵相連接：
其作用機(jī)理和丙烯酸類的增稠劑有類似之處，也是通過與乳液之間的締合作用從而形成空間交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)：
聚氨酯類增稠劑具有以下優(yōu)缺點(diǎn)：
優(yōu)點(diǎn)
● 容易得到很高的光澤以及流平；
● 對于高剪粘度表現(xiàn)較好，在高剪切下表現(xiàn)出優(yōu)異的抗飛濺性
● 耐生物降解性能好
● 耐水性以及涂膜耐久性好
缺點(diǎn)
● 聚氨酯類增稠劑在低剪切粘度的表現(xiàn)有限
● 對助溶劑以及分散劑等較為敏感
● 增稠效率受乳液、PVC、體積固含量等影響
（四）氣相二氧化硅
氣相二氧化硅是溶劑型涂料里面常用的流變助劑之一，其作用機(jī)理如下圖所示：氣相二氧化硅之間形成硅醇?xì)滏I，而大量的硅醇鍵的存在使體系內(nèi)可以形成交聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)防沉降和防流掛的作用。
氣相二氧化硅作為流變助劑，具有以下優(yōu)缺點(diǎn)：
優(yōu)點(diǎn)
● 無機(jī)物質(zhì)，穩(wěn)定性好，不存在生物降解可能
● 防沉降和防流掛性能好
● 具有良好的顏料穩(wěn)定性
● 不影響防腐性能，甚至能增加防腐性能
● 能增強(qiáng)漆膜的附著力和韌性
● 對溫度，助溶劑的選擇不敏感
● 無需活化
缺點(diǎn)
● 常規(guī)氣相二氧化硅在水性體系里的添加不是特別容易
● 需要一定的量才能達(dá)到交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的建立
● 添加量大的話有可能影響光澤和流平
● 需要良好的分散使之形成小的附聚體
（五）粘土類增稠劑
常見的粘土類的增稠劑有膨潤土和其他類型的蒙脫土（鋰蒙脫石），其作用的機(jī)理如下。
通過蒙脫土片狀結(jié)構(gòu)之間的氫鍵以及電荷之間的作用，從而形成凝膠或所謂的”卡屋”結(jié)構(gòu)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)防沉降和流掛的作用。其作為流變助劑，有以下優(yōu)缺點(diǎn)：
優(yōu)點(diǎn)
● 無機(jī)物質(zhì)，穩(wěn)定性好，不存在生物降解可能
● 防沉降和防流掛性能好
● 能改善施工性能
● 優(yōu)秀的抗分水性能
● 對溫度，溶劑不敏感
缺點(diǎn)
● 最好做成預(yù)凝膠；
● 對光澤可能有一定影響
● 須活化
（六）有機(jī)蠟
有機(jī)蠟粉或蠟漿，特別是聚酰胺蠟是在溶劑型產(chǎn)品里面最常用的流變助劑之一，具有非常好的抗流掛和防沉降的助劑，其作用的機(jī)理為：
有機(jī)蠟粉在高速分散下附聚體被打開，均勻地分散在樹脂或溶劑介質(zhì)中，在溶劑的溶脹作用和一定溫度的活化下形成”纖維狀”交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其具有以下優(yōu)缺點(diǎn)：
優(yōu)點(diǎn)
● 觸變性較強(qiáng)，低剪粘度較高，而高剪粘度較低，容易做到較高膜厚
● 優(yōu)異的防沉降和抗流掛性能
● 對光澤的影響不大
缺點(diǎn)
● 粉狀有機(jī)蠟需要高速機(jī)械攪拌以及溫度，溶劑活
化
● 在水性體系里有穩(wěn)泡的可能性
● 對生產(chǎn)工藝要求較高
（七）聚脲聚氨酯
聚脲聚氨酯是為數(shù)不多的后添加的的流變助劑之一，其作用機(jī)理如下圖所示：
通過聚脲聚氨酯（聚醚）之間形成的NH氫鍵，形成交聯(lián)網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)防沉降的作用，其具有以下優(yōu)缺點(diǎn)：
優(yōu)點(diǎn)
● 液態(tài)，易添加，無需活化
● 對體系防沉降非常有效
● 高剪粘度低，易施工
缺點(diǎn)
● 與溶劑/體系的極性相關(guān)性大
● 高剪切下會破壞其針狀晶體結(jié)構(gòu)
● 高剪切粘度恢復(fù)需要時間，所以抗流掛的性能有限
結(jié)論
本文簡略梳理了幾種常用的水性流變助劑的增稠機(jī)理以及其優(yōu)缺點(diǎn)，當(dāng)然，實(shí)際的流變助劑可能遠(yuǎn)不止這些。在實(shí)際中，配方設(shè)計以及流變選擇要比理論上來的復(fù)雜的多，可能單一的助劑甚至無法滿足不同工況下的流變要求。而且，如文章開始所提到的，水的表面張力又帶來了消泡更加困難的特點(diǎn)，這會使容易產(chǎn)生氣泡的施工方式，如滾涂和無氣噴涂等在流變助劑的選擇上又增加一道障礙。實(shí)踐才是檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的唯一真理，只有在配方設(shè)計的過程中不斷地嘗試，并且牢記以上流變助劑的各種特性，才能最終選擇出適合
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