环保水性涂料的壳聚糖后增稠研究

林福星，王水森，黄进寿，林碧凡，罗菊香，张建汉

（三明学院三明市氟化工产业技术研究院资源与化工学院，福建三明365004）

在人们生活条件得到改善背景下，人们对生活环境尤其是室内家居环境的要求越来越高。而家居环境中，直接看到、接触到的墙面，最重要的装修方式是使用涂料。对于涂料，人们不再仅仅满足于刷白、装饰的基本功能，对功能和环保要求也与日俱增[1]。

传统的溶剂型涂料俗称油性涂料，不仅会污染环境，而且会对人体健康造成威胁[2]。主要原因，是油性涂料在制造、施工和固化等过程中会释放出挥发性有机化合物(简称VOC)，其实更使人们恐惧的，是涂料中的甲醛含量。

甲醛的产生可能是在涂料生产过程中使用的原材料自身引入的。在油性涂料中，由于成膜物质本身是挥发性溶剂，同时涂料成膜体系需要很多的表面活性剂、分散剂等，大大增加空气残留的VOC、游离甲醛含量。有研究表明，油性涂料溶剂是后续VOC、甲醛长期释放过程的主要来源，如果换成水性乳液，游离甲醛含量下降大约50%。因此，水性涂料的应用，可以极大限度降低家居环境中游离甲醛的含量[3]。

对于环保水性涂料来说，涂料粘度是一个非常重要的指标。粘度是涂料作为一种流体的主要物理特性。在涂料的技术指标中，通常会明确地把粘度作为一项重要的常规检测指标，规定涂料产品粘度的生产范围及使用范围。因为粘度不仅体现涂料的质量稳定性,更影响到涂料的涂装实用性能、涂装可选择的方法、施工成膜的综合性能,如附着力、耐洗刷等。因此，涂料的粘度对其性能的影响至关重要[4]。

增稠剂是经化学反应合成的，人们可以对分子结构进行设计，合成出能够满足自己要求的壳聚糖后增稠剂。

然而，在很多水性涂料制备过程中，为了迎合消费者多功能的需求，常常需要具备抗菌、抗凝结、消泡等多种功能。想要实现这些功能，就必须加入相应的功能助剂，而这些助剂的加入经常会导致水性涂料产品的粘度下降。为了将涂料的粘度保持到合适的水平，这时候就需要加入适当的增稠剂。增稠剂是一种调节物系粘度的流变助剂，有助于减缓涂料中分散体的沉降，增加分散体的分散性，使物系能够保持稳定的悬浮状态或者乳池状态。增稠剂在溶液体系中，本身并不与溶液中的组分发生化学反应，仅利用增稠剂大分子特性以及分子之间的缔合作用来固定溶液中的水分等易流动相，达到增稠的目的。环保水性涂料中加入优异的增稠剂后，不仅粘度会大幅度上升，而且体系的流平流变性、触变性都会得到明显的改善。

生活中的许多行业如涂料、石油开采、化妆品等为了使产品的性能、外观以及施工中的操作难度得以改善，对增稠助剂的要求越来越高。同时，由于人们对自身健康意识以及环保意识的提高，要求生活中所使用的产品具有绿色环保无伤害的特点，所以对增稠剂也提出了新的要求。增稠剂作为五大溶液助剂之一，使用安全性将越来越受到人们的重视。壳聚糖作为阳离子多糖，是自然界中广泛存在的甲壳质脱乙酰后的产物。壳聚糖后增稠剂经过了漫长的发展过程，目前经过简单处理后就可投入使用。高脱乙酰度的壳聚糖展示出多种特殊生理功能，无细胞毒性，具备良好的生物相容性、抗凝血性、能促进伤口愈合、人体可以直接吸收等各种优良性能。同时，各种研究证实，壳聚糖具有很好的抗菌性能，可以增强家居乳胶漆的健康性能[5]。

本课题组研究证实，高脱乙酰度的壳聚糖可以作为一种增稠剂，对水性涂料乳胶漆进行增稠。通过控制添加的壳聚糖用量，达到调节粘度的效果。本研究为壳聚糖在环保水性涂料上的应用，以及高脱乙酰度壳聚糖的应用领域研究，提供了理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

壳聚糖（相对分子质量Mw=2.0×105Da，脱乙酰度为≥95%）购买自阿拉丁化学试剂有限公司，氨水购自国药集团化学试剂有限公司，羟乙基纤维素（HEC QP100-MH）购自陶氏化学（中国）投资有限公司，助剂（BYK-111等）购自德国毕克化学，钛白粉（R-668）购自广州惠云钛业股份有限公司，苯乙烯-丙烯酸酯乳液（RS-668）购自巴德富公司。

1.2 方法

1.2.1 水性环保涂料样品的制备

用1L的塑料桶将纤维素溶于40 mL水中，加入0.01mL的氨水，通过顶置式高速搅拌机，使用60 mm的分散盘高速搅拌5 min。之后，加入钛白粉24g，保持1500 r/min的转速，搅拌15 min。搅拌完成后，加入乳液9.6g，并加入助剂，并以900 r/min的速度继续搅拌分散10min（为了进行对照实验，0号样品不加助剂）。分散完成后，将样品转移备用。

根据不同样品的需求，分别加入0、0.1g、0.2g、0.3g、0.4g的壳聚糖，并继续以900r/min的速度搅拌5 min，并进行后续测试。本实验中，不同编号的样品加入的原料如表1所示：

表1 不同样品的原料添加量

1.2.2 样品性能测试

主要试验器材：湿膜制备器（上海现代100 μm）、色差仪（上海现代XD1054）、涂料耐洗刷测定仪（标格达BGD-528）、天平（赛德利斯BSA6202s）、斯托默粘度计（上海现代STM-V）、刮板细度计（标格达BGD-242）、pH计（雷磁PHS-3C）。

样品的pH值通过pH计直接测定。粘度通过斯托默粘度计测定。通过刮板细度计可以测定样品的细度大小。通过湿膜制备器将样品在白纸上制膜，待漆膜干燥后利用色差仪测定漆膜的光泽、对比率、白度等相关的性能。将水性涂料样品通过湿膜制备器在石棉板上制膜，干燥后通过涂料耐洗刷测定仪，可以测定样品的耐擦洗性能。

2 实验结果

2.1 样品的制备

样品制备完成后，比较不同样品的物理性状，并通过观察、闻嗅，得到不同的样品的总体外观性能（见表2）。

由于对照样品0号中，在实验过程中没有添加分散剂、消泡剂，因而在气泡上会相对其他样品多一些。而在气味方面，得益于更少的助剂存在，挥发的VOC更少，0号样品的气味则更轻微。

表2 不同样品的外观性能对比

2.2 样品性能对比

从测试结果（见表3）可以看到:对比0号与1号样品，0号样品的粘度为108.8 KU，但是由于助剂溶液的加入，粘度掉到了1号样品的85.4 KU。而高脱乙酰度壳聚糖作为后添加增稠剂的加入，在加入0.1g的壳聚糖之后，样品的浓度已经上升到了92.2 KU，呈现明显的增稠效果。随着壳聚糖从0.1g逐渐增加到0.4g（5号样品），粘度已经增加到了107.3 KU，基本已经和0号样品持平。而其他方面，壳聚糖的加入并没有造成太大的影响，样品的性能基本上保持稳定。

表3 不同样品的测试性能对比

3 讨论

本文研究结果表明，高脱乙酰度壳聚糖作为一种后添加增稠剂时，可以有效地增大环保水性涂料的粘度，达到比较好的效果。同时，加入壳聚糖并不影响涂料的其他性能，不会破坏环保水性涂料的原有体系。因此，将高脱乙酰度壳聚糖作为水性涂料的后添加增稠剂，是一项非常好的应用，具备可行性，值得进一步深入研究。