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胶质微晶纤维素(MCC)广泛应用于食品和制药工业，用于悬浮致密颗粒，防止相分离和稳定乳剂。本研究表明，胶体MCC在水性涂料中具有相同的功能。它显著提高了水性涂料的罐内货架稳定性，而不会对应用性能产生负面影响。
简介
胶体微晶纤维素(MCC)广泛应用于食品和制药工业，用于悬浮致密颗粒，防止相分离和稳定乳剂。本研究表明，胶体MCC在水性涂料中具有相同的功能。它显著提高了水性涂料的罐内货架稳定性，而不会对应用性能产生负面影响。
简介
水性涂料系统是复杂的。在典型的涂料中有三种基本成分:颜料、聚合物(也称为粘合剂或树脂)和溶剂。每一种成分在涂层干燥时形成耐用的保护膜时都起着重要的作用。
颜料分散控制隐藏，粉笔，色彩保持，颜色和光泽均匀性，柔韧性，光泽，耐擦洗性，显色性，耐腐蚀性，起泡，润色和涂层的平整。添加剂，如分散剂和流变改性剂被添加到配方中，以帮助分散颜料，并通过增稠和悬浮稳定系统。
流变改性剂是水性涂料中重要的稳定剂。虽然它们的使用水平很低，但它们控制着液体系统的流动，从而影响许多涂层工艺和性能。涂料技术中的流变控制过程包括搅拌、混合、颜料分散、浇注、泵送、涂料应用、涂抹、下垂、调平、渗透到多孔基材和颜料沉降。流变改性剂也影响涂料的性能，如储存稳定性、颜色接受度、成膜性、藏粉性、抗飞溅性、耐擦洗性、耐水性等。由于所有的流变改性剂都能使体系变稠，而增稠剂或多或少地改变了体系的流变性，因此本文交替使用这两个术语。
市面上可买到的流变调节剂可分为两类:常规的和联合的。传统的流变改性剂由于水动力学尺寸(链纠缠或胶凝)和絮凝机制使涂层的水相变厚。传统增稠剂的例子是羟乙基纤维素(HEC)，乙基羟乙基羟丙基甲基纤维素(EHEC)(HPMC)，碱溶性或膨胀性乳剂(ASE)，生物聚合物和无机物，如粘土。这类增稠剂一般具有成本低、使用方便的优点。
缔合增稠剂是具有疏水性基团的水溶性聚合物，它与其他涂料组分发生非特异性相互作用，以增加粘度并改变流变性。它们通常是化学修饰的聚合物，如疏水修饰的HEC (HMHEC)或EHEC (HMEHEC)，疏水修饰的乙氧基聚氨酯(HEUR)和疏水修饰的ASE (HASE)。
每种类型的流变改性剂都有其自身的性能属性和局限性。例如，改性纤维素如HEC或HPMEC一直是控制丙烯酸乳胶漆流变行为的主要产品。然而，它们会对涂层性能产生负面影响，如流平性、抗飞溅性和/或光泽发展。疏水改性纤维素(HMHEC)提高了抗溅性能，但存在生物稳定性的限制。它们也容易被丙烯酸乳液吸收1或与系统中的表面活性剂相互作用。2，3HASE具有良好的光泽发展和易于处理，然而，它赋予较差的早期耐水性和不耐碱。HEUR克服了这些不足，并提供了更好的流动和平整，薄膜构建，飞溅抗性和良好的喷漆性。问题是它们的抗凹陷性差，颜色不相容，着色和稀释时粘度下降，4以及储存稳定性差。
本研究通过使用胶体MCC作为稳定剂和二次流变改进剂进一步稳定体系，解决了本文中遇到的一些不足。虽然这项研究只考察了以HEUR增稠剂作为主要流变改性剂的丙烯酸光泽涂料配方，但其应用也适用于具有其他增稠剂的其他水性涂料体系。
简介
水性涂料系统是复杂的。在典型的涂料中有三种基本成分:颜料、聚合物(也称为粘合剂或树脂)和溶剂。每一种成分在涂层干燥时形成耐用的保护膜时都起着重要的作用。
颜料分散控制隐藏，粉笔，色彩保持，颜色和光泽均匀性，柔韧性，光泽，耐擦洗性，显色性，耐腐蚀性，起泡，润色和涂层的平整。添加剂，如分散剂和流变改性剂被添加到配方中，以帮助分散颜料，并通过增稠和悬浮稳定系统。
流变改性剂是水性涂料中重要的稳定剂。虽然它们的使用水平很低，但它们控制着液体系统的流动，从而影响许多涂层工艺和性能。涂料技术中的流变控制过程包括搅拌、混合、颜料分散、浇注、泵送、涂料应用、涂抹、下垂、调平、渗透到多孔基材和颜料沉降。流变改性剂也影响涂料的性能，如储存稳定性、颜色接受度、成膜性、藏粉性、抗飞溅性、耐擦洗性、耐水性等。由于所有的流变改性剂都能使体系变稠，而增稠剂或多或少地改变了体系的流变性，因此本文交替使用这两个术语。
市面上可买到的流变调节剂可分为两类:常规的和联合的。传统的流变改性剂由于水动力学尺寸(链纠缠或胶凝)和絮凝机制使涂层的水相变厚。传统增稠剂的例子是羟乙基纤维素(HEC)，乙基羟乙基羟丙基甲基纤维素(EHEC)(HPMC)，碱溶性或膨胀性乳剂(ASE)，生物聚合物和无机物，如粘土。这类增稠剂一般具有成本低、使用方便的优点。
缔合增稠剂是具有疏水性基团的水溶性聚合物，它与其他涂料组分发生非特异性相互作用，以增加粘度并改变流变性。它们通常是化学修饰的聚合物，如疏水修饰的HEC (HMHEC)或EHEC (HMEHEC)，疏水修饰的乙氧基聚氨酯(HEUR)和疏水修饰的ASE (HASE)。
每种类型的流变改性剂都有其自身的性能属性和局限性。例如，改性纤维素如HEC或HPMEC一直是控制丙烯酸乳胶漆流变行为的主要产品。然而，它们会对涂层性能产生负面影响，如流平性、抗飞溅性和/或光泽发展。疏水改性纤维素(HMHEC)提高了抗溅性能，但存在生物稳定性的限制。它们也容易被丙烯酸乳液吸收1或与系统中的表面活性剂相互作用。2，3HASE具有良好的光泽发展和易于处理，然而，它赋予较差的早期耐水性和不耐碱。HEUR克服了这些不足，并提供了更好的流动和平整，薄膜构建，飞溅抗性和良好的喷漆性。问题是它们的抗凹陷性差，颜色不相容，着色和稀释时粘度下降，4以及储存稳定性差。
本研究通过使用胶体MCC作为稳定剂和二次流变改进剂进一步稳定体系，解决了本文中遇到的一些不足。虽然这项研究只考察了以HEUR增稠剂作为主要流变改性剂的丙烯酸光泽涂料配方，但其应用也适用于具有其他增稠剂的其他水性涂料体系。
中冶制造工艺。
胶体MCC
微晶纤维素是通过水基工艺分离和分解纤维素的结晶区域而生产的(图1)。微晶纤维素具有惰性、无臭和无味的生理特性，适合作为片剂配方(非胶体MCC)的粘合剂或崩解剂。
FMC的专利技术将MCC与各种可溶性胶体(如羧化甲基纤维素(CMC))共同处理，以防止微晶体在干燥过程中重新聚集。这些共同加工的MCC被称为胶体MCC，因为它们可以分散在水中。水胶体作为屏障分散剂，在干燥过程中保护纤维素不受过度氢键的影响，也有助于干燥的MCC在水相中的再分散(“活化”)。该技术为产品提供了特定的粘度、悬浮和稳定性能，从而使其适用于许多工业应用。
胶体MCC在水性涂料体系中被成功地用于稳定配方。由于其优越的悬浮功能和乳化稳定能力，它被发现是一种优秀的稳定剂和分散助剂。这里所描述的工作总结了丙烯酸光泽涂料体系的一些结果。
FMC的专利技术将MCC与各种可溶性胶体(如羧化甲基纤维素(CMC))共同处理，以防止微晶体在干燥过程中重新聚集。这些共同加工的MCC被称为胶体MCC，因为它们可以分散在水中。水胶体作为屏障分散剂，在干燥过程中保护纤维素不受过度氢键的影响，也有助于干燥的MCC在水相中的再分散(“活化”)。该技术为产品提供了特定的粘度、悬浮和稳定性能，从而使其适用于许多工业应用。
胶体MCC在水性涂料体系中被成功地用于稳定配方。由于其优越的悬浮功能和乳化稳定能力，它被发现是一种优秀的稳定剂和分散助剂。这里所描述的工作总结了丙烯酸光泽涂料体系的一些结果。
光泽涂料配方(a)。
实验:材料
本研究使用的材料及其供应商如表1所示。FMC公司提供了几种等级的胶体MCC产品，以提供不同激活要求的广泛功能范围。研究中使用的是莱迪思(Lattice)®NTC 80(胶体MCC)，因为它被发现是最适合的涂层应用。
油漆评价方法。
涂料配方
本研究中使用的一般涂料成分也总结在表1中。用cowles型混合器高速制备颜料分散体，直到达到Hegman 7.5。采用ASTM方法d1210测定磨粒的黑格曼细度。然后以较低的搅拌速度加入其他成分。评估方法总结见表2。
胶体微晶纤维素形成的三维网络。
胶体MCC的功能特性
适当分散的胶体MCC建立成一个三维网络，赋予成品的稳定性。该网络是由MCC和CMC颗粒之间的氢键连接在一起的。与市场上的许多流变改性剂或增稠剂不同，这是一种不溶性三维矩阵(图2)。
胶体MCC(晶格NTC 80)在水中分散后的透射电镜图，显示了微晶纤维素形成的网络。
透射电镜(TEM)在图3中清楚地显示，水分散胶体MCC是一种纤维状亚微米大小的材料。通过光散射法测量，这些纳米纤维中70%以上的颗粒尺寸约为或小于0.2微米。它们形成物理三维网络，其中各种胶体等级的MCC提供以下独特的功能特性。
触变性: 胶体MCC制成的凝胶使体系变厚，易于剪切分解。当剪切被移除时，凝胶将随着时间的推移而发生重组，粘度损失最小。
触变性: 胶体MCC制成的凝胶使体系变厚，易于剪切分解。当剪切被移除时，凝胶将随着时间的推移而发生重组，粘度损失最小。
胶体MCC稳定乳剂。
乳状液稳定:
胶体MCC在水中适当分散时形成三维颗粒网络。这个网络建立在油水界面上，从物理上防止油球结合。图4b说明了界面上的MCC。
胶体MCC悬浮TiO2;(a)水中胶体MCC含量为1.5%;(b)水中5.0% TiO2;(c)水中掺杂5.0% TiO2和1.5%胶体MCC。
悬浮粒子:
与稳定乳液类似，胶体MCC的三维网络也有效地防止了固体颗粒的团聚或沉淀。它能够在低粘度体系中悬浮颗粒。在图5中，TiO2在没有任何其他分散助剂的情况下悬浮在胶体MCC分散液中，该体系在45°C下稳定至少28天。
彩色光泽涂料含有HEUR (a&c)和HEUR加0.2%晶格(b&d)。
胶体MCC在丙烯酸乳胶漆中的应用
HEURs是一种广泛应用于涂料配方的流变改性剂，具有良好的性能。在本研究中，胶体MCC在HEURs存在时被评估为二级流变改性剂。所有配方的初始Stormer粘度均调整至约105 KU。
第一个实验比较了有或没有胶体MCC(0.2%的Lattice®NTC 80)的光泽涂料的罐内货架稳定性。用红色氧化铁(粉色)或酞蓝(蓝色)着色底色对光泽涂料进行着色，并在125ºF(52ºC)下放置2个月。图6显示粉色控件有颜色下沉(沉淀)，蓝色控件有颜色浮动。含0.2% Lattice®NTC 80的两种涂料色差都很小。它清楚地表明，莱迪思®NTC 80与HEUR光泽涂料体系兼容，三维网络有效地悬浮和稳定彩色颜料。
第一个实验比较了有或没有胶体MCC(0.2%的Lattice®NTC 80)的光泽涂料的罐内货架稳定性。用红色氧化铁(粉色)或酞蓝(蓝色)着色底色对光泽涂料进行着色，并在125ºF(52ºC)下放置2个月。图6显示粉色控件有颜色下沉(沉淀)，蓝色控件有颜色浮动。含0.2% Lattice®NTC 80的两种涂料色差都很小。它清楚地表明，莱迪思®NTC 80与HEUR光泽涂料体系兼容，三维网络有效地悬浮和稳定彩色颜料。
大多数流变改性剂的增稠机理涉及到高分子量或聚合物疏水尾的结构相互作用。表面活性剂、乳胶颗粒、颜料和填料都可以增加聚合物疏水尾部可能的缔合位点5，从而随着着色基的加入改变体系的流变特征。胶体MCC通过物理相互作用在体系中形成三维网络，最大限度地减少了网络形成后的相互作用和流变特征的变化。
在研究过程中，发现当使用Lattice®NTC 80时，将颜料分散到Hegman 7.5所需的时间减少了约30%。也有可能降低配方中的分散剂含量。
胶体MCC体系在较宽的温度范围内稳定。
与许多合成流变调节剂相比，胶体MCC不溶于水，但在水相中分散。取决于所使用的胶体MCC，它需要通过铣削阶段用水活化，或通过高剪切搅拌。一旦被激活，胶体MCC系统在大范围的温度条件下都非常稳定(图7)。不溶性三维基质具有捕获固体颗粒和液体颗粒的能力，并保护它们在冻融循环后不崩溃。因此，使用胶体MCC可以减少冻融剂的用量。这将有助于满足涂料系统中的VOC要求。
将Acrysol RM 8W替换为Lattice NTC 80。
胶体MCC代替HEURs在丙烯酸乳胶漆中的应用
在进一步的研究中，Lattice
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用NTC 80代替丙烯酸溶胶
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RM 8W和RM 2020的丙烯酸乳胶漆。Lattice的使用级别
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与两种标准丙烯酸溶胶相比，NTC 80的w/w为0.2% - 0.3%
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控制系统。评估结果汇总于表3和表4。
将Acrysol RM 2020替换为Lattice NTC 80。
斯托默粘度数据表明，胶体MCC没有显著改变涂料的粘度。然而，即使在高温老化后，它也能稳定体系并保持粘度。例如，配方F2705.3在125°C陈化28天后，粘度降低14%，而晶格则额外降低0.2%
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NTC 80将粘度降至6%。着色系统也有更少的分离，类似于前面提到的结果。
两张表都显示了使用Lattice后凹陷的改善®NTC 80(胶体MCC) @ 0.2%，对平整度和光泽度没有任何负面影响。这可能是由于胶体MCC结构重建缓慢或触变性(粘度恢复)，从而允许良好的流平发生。这种现象与有机粘土增稠系统中发生的情况非常相似。7
两张表都显示了使用Lattice后凹陷的改善®NTC 80(胶体MCC) @ 0.2%，对平整度和光泽度没有任何负面影响。这可能是由于胶体MCC结构重建缓慢或触变性(粘度恢复)，从而允许良好的流平发生。这种现象与有机粘土增稠系统中发生的情况非常相似。7
这些数据与马的研究非常吻合8乳胶分散体的相行为研究。Ma的研究发现，少量的胶体MCC可以从具有优化的Stormer粘度的涂料中完全消除相分离。这一结果与使用HEC、HASE或粘土作为二级增稠剂形成对比，尽管它们也可以最大限度地减少相分离，但它们的流动性和流平性较差。这可能是由于与其他典型体系相比，胶体MCC颗粒的密度较低，布朗运动更强。胶体MCC的不溶于水的特性也有助于提高涂料的耐擦洗性，优于其他商业增稠剂。
结论
胶体MCC在水基体系中被剪切充分激活时形成三维网络。该网络在悬浮固体颗粒和稳定乳剂方面非常有效。当胶体MCC用于涂层系统时，有助于消除相分离，提高存储稳定性，颜色兼容性和凹陷。胶体MCC作为稳定剂和二次增稠剂，在低使用水平下为水性涂料体系提供最小的粘度，同时在不损失粘度的情况下显著提高罐内货架稳定性和着色能力。在低粘度下悬浮固体材料的能力也使胶体MCC特别适用于粘度敏感系统，如染色应用。
本文发表于水性研讨会，智能涂料设计的进展，2007年2月，新奥尔良，洛杉矶。研讨会由南密西西比大学聚合物和高性能材料学院主办。
Lattice是FMC Corporation的商标。
Acrysol, Primal是Rohm & Haas公司的商标。
Texanol是伊士曼化学公司的商标。
Lattice是FMC Corporation的商标。
Acrysol, Primal是Rohm & Haas公司的商标。
Texanol是伊士曼化学公司的商标。
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