環保水性涂料的殼聚糖后增稠研究

林福星，王水森，黃進壽，林碧凡，羅菊香，張建漢

（三明學院三明市氟化工產業技術研究院資源與化工學院，福建三明365004）

在人們生活條件得到改善背景下，人們對生活環境尤其是室內家居環境的要求越來越高。而家居環境中，直接看到、接觸到的墻面，最重要的裝修方式是使用涂料。對于涂料，人們不再僅僅滿足于刷白、裝飾的基本功能，對功能和環保要求也與日俱增[1]。

傳統的溶劑型涂料俗稱油性涂料，不僅會污染環境，而且會對人體健康造成威脅[2]。主要原因，是油性涂料在制造、施工和固化等過程中會釋放出揮發性有機化合物(簡稱VOC)，其實更使人們恐懼的，是涂料中的甲醛含量。

甲醛的產生可能是在涂料生產過程中使用的原材料自身引入的。在油性涂料中，由于成膜物質本身是揮發性溶劑，同時涂料成膜體系需要很多的表面活性劑、分散劑等，大大增加空氣殘留的VOC、游離甲醛含量。有研究表明，油性涂料溶劑是后續VOC、甲醛長期釋放過程的主要來源，如果換成水性乳液，游離甲醛含量下降大約50%。因此，水性涂料的應用，可以極大限度降低家居環境中游離甲醛的含量[3]。

對于環保水性涂料來說，涂料粘度是一個非常重要的指標。粘度是涂料作為一種流體的主要物理特性。在涂料的技術指標中，通常會明確地把粘度作為一項重要的常規檢測指標，規定涂料產品粘度的生產范圍及使用范圍。因為粘度不僅體現涂料的質量穩定性,更影響到涂料的涂裝實用性能、涂裝可選擇的方法、施工成膜的綜合性能,如附著力、耐洗刷等。因此，涂料的粘度對其性能的影響至關重要[4]。

增稠劑是經化學反應合成的，人們可以對分子結構進行設計，合成出能夠滿足自己要求的殼聚糖后增稠劑。

然而，在很多水性涂料制備過程中，為了迎合消費者多功能的需求，常常需要具備抗菌、抗凝結、消泡等多種功能。想要實現這些功能，就必須加入相應的功能助劑，而這些助劑的加入經常會導致水性涂料產品的粘度下降。為了將涂料的粘度保持到合適的水平，這時候就需要加入適當的增稠劑。增稠劑是一種調節物系粘度的流變助劑，有助于減緩涂料中分散體的沉降，增加分散體的分散性，使物系能夠保持穩定的懸浮狀態或者乳池狀態。增稠劑在溶液體系中，本身并不與溶液中的組分發生化學反應，僅利用增稠劑大分子特性以及分子之間的締合作用來固定溶液中的水分等易流動相，達到增稠的目的。環保水性涂料中加入優異的增稠劑后，不僅粘度會大幅度上升，而且體系的流平流變性、觸變性都會得到明顯的改善。

生活中的許多行業如涂料、石油開采、化妝品等為了使產品的性能、外觀以及施工中的操作難度得以改善，對增稠助劑的要求越來越高。同時，由于人們對自身健康意識以及環保意識的提高，要求生活中所使用的產品具有綠色環保無傷害的特點，所以對增稠劑也提出了新的要求。增稠劑作為五大溶液助劑之一，使用安全性將越來越受到人們的重視。殼聚糖作為陽離子多糖，是自然界中廣泛存在的甲殼質脫乙酰后的產物。殼聚糖后增稠劑經過了漫長的發展過程，目前經過簡單處理后就可投入使用。高脫乙酰度的殼聚糖展示出多種特殊生理功能，無細胞毒性，具備良好的生物相容性、抗凝血性、能促進傷口愈合、人體可以直接吸收等各種優良性能。同時，各種研究證實，殼聚糖具有很好的抗菌性能，可以增強家居乳膠漆的健康性能[5]。

本課題組研究證實，高脫乙酰度的殼聚糖可以作為一種增稠劑，對水性涂料乳膠漆進行增稠。通過控制添加的殼聚糖用量，達到調節粘度的效果。本研究為殼聚糖在環保水性涂料上的應用，以及高脫乙酰度殼聚糖的應用領域研究，提供了理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

殼聚糖（相對分子質量Mw=2.0×105Da，脫乙酰度為≥95%）購買自阿拉丁化學試劑有限公司，氨水購自國藥集團化學試劑有限公司，羥乙基纖維素（HEC QP100-MH）購自陶氏化學（中國）投資有限公司，助劑（BYK-111等）購自德國畢克化學，鈦白粉（R-668）購自廣州惠云鈦業股份有限公司，苯乙烯-丙烯酸酯乳液（RS-668）購自巴德富公司。

1.2 方法

1.2.1 水性環保涂料樣品的制備

用1L的塑料桶將纖維素溶于40 mL水中，加入0.01mL的氨水，通過頂置式高速攪拌機，使用60 mm的分散盤高速攪拌5 min。之后，加入鈦白粉24g，保持1500 r/min的轉速，攪拌15 min。攪拌完成后，加入乳液9.6g，并加入助劑，并以900 r/min的速度繼續攪拌分散10min（為了進行對照實驗，0號樣品不加助劑）。分散完成后，將樣品轉移備用。

根據不同樣品的需求，分別加入0、0.1g、0.2g、0.3g、0.4g的殼聚糖，并繼續以900r/min的速度攪拌5 min，并進行后續測試。本實驗中，不同編號的樣品加入的原料如表1所示：

表1 不同樣品的原料添加量

1.2.2 樣品性能測試

主要試驗器材：濕膜制備器（上海現代100 μm）、色差儀（上海現代XD1054）、涂料耐洗刷測定儀（標格達BGD-528）、天平（賽德利斯BSA6202s）、斯托默粘度計（上海現代STM-V）、刮板細度計（標格達BGD-242）、pH計（雷磁PHS-3C）。

樣品的pH值通過pH計直接測定。粘度通過斯托默粘度計測定。通過刮板細度計可以測定樣品的細度大小。通過濕膜制備器將樣品在白紙上制膜，待漆膜干燥后利用色差儀測定漆膜的光澤、對比率、白度等相關的性能。將水性涂料樣品通過濕膜制備器在石棉板上制膜，干燥后通過涂料耐洗刷測定儀，可以測定樣品的耐擦洗性能。

2 實驗結果

2.1 樣品的制備

樣品制備完成后，比較不同樣品的物理性狀，并通過觀察、聞嗅，得到不同的樣品的總體外觀性能（見表2）。

由于對照樣品0號中，在實驗過程中沒有添加分散劑、消泡劑，因而在氣泡上會相對其他樣品多一些。而在氣味方面，得益于更少的助劑存在，揮發的VOC更少，0號樣品的氣味則更輕微。

表2 不同樣品的外觀性能對比

2.2 樣品性能對比

從測試結果（見表3）可以看到:對比0號與1號樣品，0號樣品的粘度為108.8 KU，但是由于助劑溶液的加入，粘度掉到了1號樣品的85.4 KU。而高脫乙酰度殼聚糖作為后添加增稠劑的加入，在加入0.1g的殼聚糖之后，樣品的濃度已經上升到了92.2 KU，呈現明顯的增稠效果。隨著殼聚糖從0.1g逐漸增加到0.4g（5號樣品），粘度已經增加到了107.3 KU，基本已經和0號樣品持平。而其他方面，殼聚糖的加入并沒有造成太大的影響，樣品的性能基本上保持穩定。

表3 不同樣品的測試性能對比

3 討論

本文研究結果表明，高脫乙酰度殼聚糖作為一種后添加增稠劑時，可以有效地增大環保水性涂料的粘度，達到比較好的效果。同時，加入殼聚糖并不影響涂料的其他性能，不會破壞環保水性涂料的原有體系。因此，將高脫乙酰度殼聚糖作為水性涂料的后添加增稠劑，是一項非常好的應用，具備可行性，值得進一步深入研究。