作者：Otto Soidinsalo，Harrison Christopher Gallantree-Smith，Scott Mouw，Borregaard公司，挪威萨尔普斯堡
众所周知，水性涂料目前仍然存在一些问题，且其性能难与溶剂型体系完全相同。水性体系的一个典型挑战是，在表面活性剂存在下和极端pH条件下，流变改性剂的状态。常用的流变改性剂大致可分为缔合型和非缔合型两大类。前者通常对表面活性剂的存在很敏感，常常要在基础漆调色后才能看到。在大多数情况下，由于表面活性剂的存在，涂料的粘度常常会因缔合结构受到干扰而降低。
微纤化纤维素（MFC）是一种用于涂料、粘合剂和密封剂的多功能添加剂，在改善流变性、稳定性和表面性能方面具有显著效果。MFC适用于多种极性有机和水性体系，能够控制各种水性和极性溶剂体系的粘度和触变性。MFC的高惰性、高相容性和稳定性使其即使在苛刻的条件下，也能开发出稳定和出色的配方体系来。此外，MFC还为配方设计人员提供了改进涂料配方抗沉降、抗分水和抗开裂等的解决方案。
我们研究了微纤化纤维素在水性丙烯酸和环氧树脂体系中的相容性和流变行为。1,2研究结果表明，MFC在树脂中分散性好，相容性也好。此外，随着MFC浓度的增加，体系的粘度和抗沉降性也增加了，分散体在沉降和保持流变性能方面具有热稳定性。
MFC独特的流变性也使得我们可以通过控制颗粒的流动，来更好地控制配方。研究表明，MFC可以防止漆膜在干燥过程中产生咖啡环效应，使颗粒和颜料分布得更均匀3，从而为提高颜填料（如钛白粉）的效果和展色性增添了可能性。
MFC最早是在20世纪80年代引入。4多年来，其潜在的和可能的用途已被广泛报道，从化妆品中的增稠剂到食品包装中的氧气隔离。5直到2010年初，MFC的研究和小规模生产才在大学和小型试验设施着手。Borregaard公司于2016年推出了全球首个MFC商业生产工厂，生产Exilva®品牌产品，产能为1000吨。6
MFC由长而薄的纤维素纤维组成，形成一个三维网络。其独特性能的秘密在于其超大的表面积，与纤维表面众多的羟基结合。在配方中，MFC的相互作用是基于物理和化学的。这种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具有高粘度和屈服应力，剪切力下会变稀，保水性高。纤维素纤维的不溶性也使其具有良好的稳定性和相容性。MFC在较宽的pH值范围(1-13)内都比较稳定，与常见的水溶有机溶剂和表面活性剂具有很好的相容性。
与普通聚合物溶液相比，MFC悬浮液的流变性能有很大的不同。首先，粘度在低剪切时不像在聚合物溶液中那样达到一个稳定值。从图1可以看出，随着剪切速率的减小，MFC混悬液的粘度增大。相反，羟乙基纤维素(HEC)溶液的粘度在0.1 s-1的剪切速率附近趋于稳定。意味着在静止时MFC的粘度要高得多，接近100倍。这将大大提高储存稳定性，特别是在抗分水和抗沉淀方面。在较高的剪切速率下，HEC溶液和MFC悬浮液具有差不多类似的降粘性，也助于泵送、喷涂、混合和配方的应用。
由于在低剪切速率下的高粘度和特殊的高剪切降粘性，MFC也可以作为增稠剂用于喷涂应用产品中。MFC在储存过程中保证了高稳定性，并可以喷涂非常稠的悬浮液，因为其在喷涂过程中粘度会降低。然而，当产品应用后，不施加应力的情况下，粘度又会恢复迅速，产品在它的影响下，表面会不产生流挂（图2）。除了抗流挂效果外，使用MFC也会使涂料在施工时，达到人们通常期望的无飞溅效果。
本研究使用市售MFC，MFC（Exilva F 01-V），制成含10 wt%的MFC水溶液（由Borregaard制造）。以下通用色浆用于调色：808-9907灯黑、808-7214酞青蓝和808-1045氧化铁红。根据ASTM D4440测试抗流挂性（已调色），根据ASTM D4062测定流平性（已调色），根据ASTM D523测定光泽度（已调色），根据ASTM D2486测定耐擦洗性，根据ASTM D4946测定抗压粘性，用安东帕流变仪测量流变性。
用丙烯酸深色基础漆配方（表1）研究了MFC对漆膜性能的影响，以及其防止浮色发花的能力。配方以丙烯酸树脂为基础，以非离子型改性聚氨酯（HEUR）为增稠剂，或以MFC为功能助剂。在这两种情况下，均使用HEUR增稠剂来调节高剪粘度。基础漆用三种不同的色浆进行调色，每加仑添加8盎司。
从图3可以清楚地看到，在用808-9907灯黑（每加仑8盎司）调色后，MFC在粘度保持方面的效果。使用了HEUR增稠剂的配方，其粘度下降了12.6%，而基于MFC的配方仅下降了4.0%。这种差异可以用MFC纤维的物理性质来解释。MFC的增稠作用是基于纤维的物理相互作用，以及与体系中其他组分的氢键作用来进行的，因此，它的网络结构不受表面活性剂或其他疏水化合物的影响。
在抗流挂方面也发现了一个主要差异（表2）。根据ASTM D4400，MFC静止时的高粘度和相对快速的粘度恢复，使其抗流挂等级为24，而基于HEUR的配方的抗流挂等级为4。两种配方的颜色接受度相似，MFC的浮色现象略低。当MFC用作流变改性剂时，对光泽有很强的影响。基于HEUR配方的光泽度为37.2（60°），而基于MFC配方的光泽度仅为10.1。由于两种配方的流平性处于相似的水平，HEUR为9，MFC为8（ASTM D4062），它的光泽损失被认为与MFC纤维的物理结构有关，产生了消光效果。意味着MFC可用于配制更高添加量的光滑表面的消光涂料。两种配方均表现出了较好的耐擦洗性，MFC的抗擦洗性更高一些（1351 VS 1278次）。
进一步研究用酞青蓝和氧化铁红加了色浆之后的效果（表3）。这些色浆也有同样的趋势。MFC有效地防止了调色后的降粘，而基于HEUR的配方则导致了粘度的显著下降（图4）。
我们用流变仪进一步研究了调色涂料的性能。首先分析未调色涂料获得参考值。基于MFC的未调色涂料在静止状态下表现出高粘度，并伴有强烈的高剪切降粘行为（图5）。与基于HEUR的配方相比，基于MFC的配方的静态粘度要高出10倍。在高剪区域，基于MFC配方的粘度是基于HEUR配方的一半。剪切曲线结果正好与抗流挂值相符（表3）。
在用808-9907灯黑（每加仑8盎司）给涂料调色后，基于HEUR的配方其低剪切区粘度明显下降。低剪切区的粘度从大约10 Pa.s到了1 Pa.s，而基于MFC的配方粘度几乎保持不变（图6）。
用蓝色色浆的涂料与黑色色浆的结果几乎一样（图7）。当涂料用808-1045氧化铁红色浆调色时，我们也观察到差异性（图8）。同样地，基于MFC配方的表现与未调色的涂料几乎相同。基于HEUR的配方与黑色和蓝色色浆相比，粘度下降得更少。这与KU粘度结果具有相关性（表3）。然而，在静止状态下，基于MFC配方的粘度仍然高出了20倍。
MFC对涂料配方流变性的影响是显著的，它可以有效阻止涂料调色后的降粘情况。静止时的高粘度，加上高屈服应力，形成稳定的配方，即使在重颗粒或低密度填料的情况下，也可实现配方的均匀性。此外，静止时的高粘度使漆膜膜厚增加，从而减少了涂层数量，且不会影响涂层的最终性能。相对快速的粘度恢复，在不影响涂层流平性的情况下，还可获得优异的抗流挂性能。
此外，MFC有助于减少涂料的浮色发花现象。根据MFC的用量，可以看出它对涂层光泽度的影响，这为制备光滑表面的消光涂料提供了可能性。MFC是一种可持续、可再生、无VOC的多功能添加剂，不仅可以作为多功能添加剂来使用，还能为最终产品带来附加价值。
本文最初于2019年在德国纽伦堡举行的欧洲涂料展会上发表。
了解更多信息，请发邮件至otto.soidinsalo@borregaard.com。
本文收录于欧易官网链接：PCI中文版2020年6月刊
