助剂对紫外光固化涂料流变特征的影响
2021-06-23 13:14 浏览:262
流变学是研究物质流动和变形的科学，它在涂料和油墨的生产、施工和贮存过程都至关重要。为了优化体系的流变性能，常用的流变助剂有膨润土、气硅、聚脲以及聚酰胺蜡等。本文分析了各种流变助剂以及分散剂对紫外光固化涂料黏度和触变性、抗流挂性和防沉降性的影响，以期对涂料配方工作者提供一些建议。
流体包含假塑性流体、牛顿性流体、宾汉姆流体和膨胀型流体，在涂料和油墨的应用中主要包含牛顿性流体和假塑性流体。UV 固化涂料的主要成分包含活性单体、预聚物以及光引发剂。在未添加助剂和颜填料的情况下，该体系通常是牛顿流体，但是伴随着市场的需求，越来越多的含颜料的UV 涂料以及空气喷涂、真空喷涂等新的应用方式越来越受到青睐。如何防止颜填料沉降，涂料流挂等流变问题也就成为急需解决的问题。本文通过一些技术手段分析颜填料、流变助剂以及分散助剂对UV 固化涂料流变特征的影响。
1 实验部分
1. 1 主要原料
( 1) 单体
三丙二醇二丙烯酸酯( TPGDA) : IGM; 聚酯丙烯酸清漆: 客户提供。
( 2) 流变助剂
BYK－410 聚脲型流变助剂、GARAMITE 1958 复合膨润土: 毕克助剂; A－200 气硅: 赢创。
( 3) 分散剂和膨润土/气硅增效剂
DISPERSANT－ 2013 ( D － 2013) 解絮凝分散剂、BYK－AT－210 防止气硅沉降的分散剂: 毕克助剂。
( 4) 其他
CAB－551－0. 2 醋酸纤维素: 伊士曼化学; 100%UV 印刷油墨光油: 客户提供。
( 5) 填料
1 250 目透明粉: 客户提供。
1. 2 仪器
框式涂布器: 毕克－加特纳; 流变仪: Anton Paar MCR103; 分散设备: DISPERMAT。
1. 3 浆料和UV 涂料的制备
选择膨润土时，首先将不同极性的有机膨润土进行了筛选，发现在UV 体系中常规有机膨润土的增稠效果非常不明显，只有GARAMITE 系列具有很好的增稠作用，所以本文选择GARAMITE 1958 作为膨润土的代表。试验中首先将GARAMITE 1958( G1958) 、A－200 与CAB－551－0. 2 按表1 制成G158/气硅/CAB 浆料( BYK－410 自身为液体状态，所以不需要制备浆料) 。将气硅A－200 和膨润土GARAMITE 1958 搅拌下加入清漆中，同时加相同质量的1 mm 玻璃珠，8 000 r /min研磨0. 5 h，然后过滤使用。然后再按照表2 和表3 分别制备不含填料的UV清漆和含透明粉的含填料的UV 涂料配方。UV 清漆主要是为了测量各流变助剂对配方流变性能的影响。含填料的配方用于观察涂料的防沉降性，搅拌下加入预制浆料和透明粉，然后2 000 r /min分散15 min 即得所需涂料。
1. 4 测试与表征
使用Anton Paar 公司的Anton Paar MCR103 流变仪测试BYK－410、GARAMITE1958 以及气硅A－200 的预制浆的流变性。在实验中采用了2 种方式: ( 1) 通过记录体系在不同剪切速率的黏度从而判定它的流变特征; ( 2) 首先在5 s－1下旋转10 s，然后剪切速率迅速上升至1 000 s－1旋转2 s，接着再降为5 s－1下旋转。目的是观察体系的黏度恢复的速度。恢复至起始黏度的时间越短表明体系的黏度恢复速度越快。
2 结果与讨论
2. 1 分散剂对体系黏度和流变性的影响
颜料和填料的分散过程主要是通过外部的机械能克服颜填料颗粒之间的内聚力来实现的。颜填料的颗粒越小、比表面积越大，其分散过程需要的机械能就越大。表4 列举了常见颜填料的粒径和比表面积。
随着比表面积的增加，颜填料的分散难度也逐渐增加。为了改善施工性，往往需要通过添加分散剂来降低体系的黏度。分散剂对UV 油墨流动性的影响如图1 所示。测试体系: 100% UV 印刷油墨，红色颜料为Irgalite Rubine D 4230; 中间为蓝色FastogenBlue 249－5412; 右边为Special Black 250。
测试方法: 在铝板上分别滴相同质量的油墨，然后自然垂直放置，观察油墨流动的长度，从而判定油墨的流动性。
图1 的3 个图中，左边为没有添加分散剂的UV油墨，右边为添加D－2013 的UV 油墨( 分散剂的用量为颜料的30%) 。由图1 可以看出，添加分散剂后体系的黏度降低，流动性明显增加。
2. 2 流变助剂对体系黏度和流变性的影响
2. 2. 1 流变助剂对浆料流变性的影响
实验考察了BYK－ 410、GARAMITE1958 以及气硅A－200 的预制浆的流变性，结果如图2 所示。
图2 中曲线分2 个阶段，首先转子的剪切速率从0. 1 s－1开始逐渐增加至1 000 s－1然后再逐渐降低至0. 1 s－1。
由图2 可以发现，流变助剂BYK－410，复合膨润土G1958 以及气体二氧化硅A－200 在第1 个过程中随着剪切速率增加黏度都逐渐降低，三者都具有假塑性流体的特征。在第2 个过程中，随着剪切速率的降低，体系黏度逐渐提高。但是由图2 可以发现，当剪切速率恢复至0. 1 s－1时三者的表现是不一样的。
G1958 浆料的起始黏度和终黏度差距非常小，气硅A－200 浆料的起始黏度和终黏度差距较大，BYK－410 浆料的黏度差大。因此，可以推断G1958 浆料具有更优秀的抗流挂性。
为了进一步验证这个结果，实验先将剪切速率设定在5 s－1测试10 s，然后速率突然增加到1 000 s－1，旋转2 s 后再切换至5 s－1，考察不同浆料体系黏度恢复情况，结果如图3 所示。
以剪切速率从1 000 s－1转变为5 s－1时体系黏度的恢复程度和速度来判断该助剂的抗流挂性能。空白样品的黏度大约在120 mPa·s，并且5 s－1 和1 000 s－1的黏度变化不大，基本成牛顿流体特征，所以不具备抗流挂性。从图3 看出，CAB－551－0. 2 浆料使得空白样品黏度由原来的120 mPa·s 上升至330mPa·s，但是体系黏度不随剪切速率变化，也呈牛顿流体。由A－200、1958 以及BYK－410 浆料的流变曲线可以发现三者的表现与图2 的结果一样。1958 在剪切速率从1 000 s－1跳转至5 s－1时黏度迅速恢复并接近起始黏度，具有较好的抗流挂性能。在实际应用中对流变助剂的要求不仅仅局限在抗流挂性能，还要考虑防沉降性、流平性、光泽等。
2. 2. 2 防沉降性
CAB－551－0. 2、GARAMITE 1958 以及BYK－410对透明粉防沉降性的影响如图4 所示。图4 是在上述清漆中添加10%1 250目透明粉，并贮存一个月后的结果。
由图4 可以看出，添加BYK－410 的样品贮存稳定性好，而空白样品以及添加CAB－551－0. 2 的样品不具备抗沉降的特点。
2. 2. 3 抗流挂性
CAB－551－0. 2、GARAMITE 1958 以及BYK－410对UV 清漆抗流挂性的影响如图5 所示。
图5 结果与图3 结果完全吻合。进一步验证了可以通过流变曲线来判定流变助剂对涂料抗流挂性能的影响。
2. 3 流变助剂分别与分散剂、增效剂复配对涂料流变性能的影响
