众所周知，水性配方仍然存在一些问题，而且并不总是可能获得与溶剂性体系相同的性能。水性体系的一个典型挑战是流变改性剂在表面活性剂存在以及极端pH条件下的行为。常见的流变改性剂大致可分为结合型和非结合型两类。前者通常对表面活性剂的存在很敏感，这通常是在基色后看到的。在大多数情况下，由于染色膏中表面活性剂的存在，导致联系网络的紊乱，从而使涂料的粘度降低。
微纤颤纤维素(MFC)是一种多功能的涂料、胶粘剂和密封剂添加剂，在改善流变性、稳定性和表面性能方面有显著的效果。MFC适用于各种极性有机体系和水性体系，可实现各种水性和极性溶剂型体系的粘度控制和触变性改性。MFC的高惰性、兼容性和稳定性允许开发稳定和稳健的配方，即使在苛刻的条件下。此外，MFC为涂料配方的抗沉降、抗脱水和抗龟裂提供了解决方案。
微纤颤纤维素的相容性和流变学行为已经在水基丙烯酸和环氧体系中进行了研究。1、2研究结果表明，MFC在树脂中具有良好的分散性和相容性。此外，随着MFC浓度的增加，黏度和抗凹陷性均增加。此外，分散剂在沉积和保持流变性质方面具有热稳定性。
MFC独特的流变性能也可以通过控制颗粒的流动来更好地控制配方。研究表明，MFC可以防止薄膜干燥过程中的咖啡环效应，使颗粒和色素分布更均匀。3.这为提高颜料和填充剂(如二氧化钛)的效果和更好的显色开辟了可能性。
Microfibrillated纤维素
MFC最早是在20世纪80年代引入的。4多年来，它的潜在和可能的用途被广泛报道，从用作化妆品的增稠剂到食品包装中的氧气屏障。5直到2010年初，MFC的研究和小规模生产主要在大学和小型试点设施进行。Borregaard推出了世界上第一个MFC的商业生产设施，开设了1000干吨Exilva®工厂在2016年。6
MFC由又长又薄的纤维素纤维组成，形成一个三维网络。这种独特特性背后的秘密在于其巨大的表面积，以及原纤维表面无数的羟基基团。MFC的相互作用是基于物理和化学相互作用的配方。这种独特纤维结构的主要特征类似于水溶性聚合物和不溶性添加剂的混合物。MFC具有较高的粘度和屈服应力，具有剪切稀化和较高的持水能力。纤维素纤维的不溶性也导致了优良的稳定性和相容性。MFC在较宽的pH范围(1-13)下稳定，并与常见的水混溶有机溶剂和表面活性剂兼容。
与普通聚合物水溶液相比，MFC悬浮液的流变性能有很大的不同。首先，粘度在低剪切时不会像通常在聚合物溶液中那样达到平台。从图1可以看出，随着剪切速率的降低，MFC悬浮液的粘度增大。相反，羟乙基纤维素(HEC)溶液的粘度在0.1 s左右达到平台－1．这意味着MFC的静止粘度要高得多，几乎高出100倍。这将在储存下给予相当好的稳定性，特别是在脱水和沉淀方面。在较高的剪切速率下，HEC溶液和MFC悬浮液具有相当的剪切稀释，这有助于泵送、喷洒、混合和应用配方。
由于MFC在低剪切速率下的高粘度和特殊的剪切稀化行为，它还可以用作喷涂产品的增稠剂。MFC在存储期间确保高稳定性，并允许喷涂非常厚的悬浮液，因为在喷涂期间粘度下降。然而，当使用该产品时，如果不施加任何力，粘度会迅速恢复，产品会保持在它冲击表面的位置，而不会下垂(图2)。除了抗下垂，MFC的使用还能产生不滴水的效果，这是涂料中经常需要的。
材料和方法
本研究使用了市售MFC, MFC (Exilva F 01-V)，水中含有10% wt%的MFC(由Borregaard制造)。以下通用着色剂用于着色:808-9907灯黑，808-7214酞蓝和808-1045红氧化铁。抗凹陷性(着色)根据ASTM D4440测定，流量和平整性(着色)根据ASTM D4062测定，光泽度(着色)根据ASTM D523测定，耐擦洗性根据ASTM D2486测定，耐堵塞性根据ASTM D4946测定。流变学测量与Anton Paar流变仪使用鲍勃和杯测量几何。
MFC对丙烯酸涂层着色时粘度损失和浮色的影响
MFC对薄膜性能的影响，以及其防止褪色和浮色损失的能力，通过丙烯酸深基配方进行了研究(表1)。该配方以丙烯酸粘合剂为基础，非离子型聚氨酯改性剂(HEUR)作为增稠剂或MFC作为功能性添加剂。在这两种情况下，都使用HEUR增稠剂来调节高剪切粘度。底漆用了三种不同的着色剂，每加仑8盎司。
在808-9907灯黑(每加仑8盎司)染色后，MFC对粘度保持的影响可以从图3中清楚地看到。基于启发式配方的粘度下降12.6%，而基于MFC配方的粘度仅下降4.0%。这种差异可以用MFC原纤维的物理性质来解释。MFC的增稠作用是基于与原纤维的物理相互作用以及与体系中其他组分的氢键作用。因此，该网络不受表面活性剂或其他疏水化合物的影响。
在垂度上也注意到一个主要的差异(表2)。根据ASTM D4400, MFC的高静止粘度和相对快速的粘度恢复导致其抗垂度评级为24，而基于HEUR的配方导致的垂度评级为4。两种配方的颜色接受度相似。对于MFC，颜色浮动稍微低一些。MFC作为流变改性剂对光泽度有较强的影响。基于启发式配方的光泽为37.2(60°)，而基于mfc配方的光泽为10.1。由于两种配方的匀平水平相似，HEUR为9,MFC为8 (ASTM D4062)，光泽损失被认为与MFC原纤维的物理结构有关，导致消光效果。这也意味着MFC可以在更高的用量水平上用于制备光滑表面的平面涂料。两种配方均显示出良好的磨砂阻力，MFC的阻力略高(1,351 vs 1,278)。
用酞蓝和红色氧化铁进一步研究了着色剂的影响(表3)。这些着色剂也观察到了相同的趋势。MFC有效地防止了着色后粘度的损失，而基于HEUR的配方导致粘度显著下降(图4)。
用流变仪进一步研究了着色涂料的性能。首先对未着色的油漆进行分析，以便有参考价值。基于MFC的未着色涂料表现出高静止粘度，并伴有强烈的高剪切稀化行为(图5)。与基于HEUR的配方相比，基于MFC的配方的静止粘度高出10倍。在高剪切区，mfc基配方的粘度为启发式配方的一半。剪切曲线结果与垂向电阻值吻合较好(表3)。
在用808-9907灯黑(每加仑8盎司)着色后，使用基于HEUR的配方可以观察到低剪切区粘度的急剧下降。低剪切区黏度从10 Pa左右下降。s到1pa。s，而基于MFC的配方的粘度几乎保持不变(图6)。
涂上蓝色着色剂的涂料与涂上灯黑的涂料的性能几乎相同(图7)。当涂上808-1045红色氧化铁涂料时，观察到的差异(图8)。同样，基于MFC的配方与未着色涂料的性能几乎相同。与黑色和蓝色调色剂相比，基于高聚脲的配方粘度下降较小。这与KU的结果有很好的相关性(表3)。然而，mfc基配方的粘度仍然是静止时的20倍。
结论
MFC对涂料配方的流变性有显著影响。MFC可有效防止着色后粘度损失。静止时的高粘度，结合高屈服应力，导致稳定的配方，并允许均匀的配方，即使在存在重颗粒或低密度填料。此外，静止时的高粘度使应用膜厚度增加，从而减少所需的应用膜层的数量，而不构成最终涂层性能。相对快速的粘度恢复导致优异的抗下垂性，而不牺牲涂层的平整性。
此外，MFC有助于减少涂层的颜色浮沉。根据MFC的用量，可以看到对涂层光泽度的影响。这为制造光滑表面的平面涂料提供了可能性。MFC是一种可持续、可再生、无vocs的多功能添加剂，不仅可以在配方中替代合成添加剂，还可以为最终产品增加附加值。
参考文献
1Moosavifar, a;Holtan, S.欧洲涂料大会程序，2015。
2法尔肯贝里奥尔森,点;Holtan,美国;Moosavifar,。欧洲涂料杂志》，201507/08 30。
3.Ooi y;Hanasaki i;Mizumura d;松田,Y。先进材料科学与技术“，，2017, 316。
4Turbak,自动跟踪;斯奈德F.W.;桑德伯格，1982年，美国专利4,500,546。
5克莱姆d;克莱默,f;莫里茨,美国;林德斯特伦,t;Ankerfors m;灰色,d;Dorris,。《应用化学》Int。艾德．20115438年,24日。
6www.exilva.com
本文最初在德国纽伦堡举行的2019年欧洲涂料大会上发表。
欲了解更多信息，请发送电子邮件至otto.soidinsalo@borregaard.com。
