增稠剂的研究与应用

增稠剂的研究与应用

增稠剂是近年来迅速发展的一种新型功能聚居剂。主要用于改善产品的粘度或硬度。它具有剂量低、成本低、粘稠、方便等特点。广泛应用于医药、印花、商品顾问、食品添加剂、采后处理、造纸、皮革加工等行业。工业增稠剂起源于20世纪,1953年,Coodrich公司首先将第一种完全由人工合成的增稠剂——聚丙烯酸类增稠剂引入市场。20世纪60年代,国外开始将聚丙烯酸钠应用于食品方面。目前,W/O型聚丙烯酸胶乳作为水相增稠剂已经广泛应用到纺织印花浆、染整和工业涂料等领域。20世纪70年代中期,我国开始了合成增稠剂的研究工作。近年来,国内已经研究开发成功一些合成增稠剂,它们大部分属阴离子型合成增稠剂,如中科大研制的合成增稠剂KG-201以及沈阳化工院研制的合成增稠剂PF。交联型聚丙烯酸胶乳作为涂料印花增稠剂得到广泛应用,但是这类阴离子型增稠剂仍存在一些缺陷,如耐电解质性能、色浆触变性、印花时得色量等均不十分理想。20世纪80年代,聚氨酯缔合型增稠剂相继发展起来。但目前,世界上只有ICI、DuPont、SunChemical、KYK等少数几家国际知名的大公司生产这种产品,其生产技术受到严密封锁,产品以垄断价格出售。我国对水性聚氨酯增稠剂的研究起步较晚,近年来国内也模仿国外品种,开发了一些产品,不过效果不理想,产品也未系列化,只能应用于一些低档产品中。1般增稠剂能够作为增稠剂的物质很多,并且随着应用的不同,增稠剂的种类也不一样。一般增稠剂按相对分子质量分,有低分子增稠剂和高分子增稠剂;按功能团分,主要有无机增稠剂、纤维素类、聚丙烯酸酯和缔合型聚氨酯增稠剂4类。下面按相对分子质量对增稠剂进行分类。1.1低分子稠化剂1.1.1增稠剂的选择用无机盐(如氯化钠、氯化钾、氯化铵、单乙醇胺氯化物、二乙醇胺氯化物、硫酸钠、磷酸钠、磷酸二钠和三磷酸五钠等)做增稠剂的体系,一般是表面活性剂水溶液体系,最常用的无机盐增稠剂是氯化钠,增稠效果明显。1.1.2月桂酸、品种、活性助剂脂肪醇、脂肪酸(如月桂醇、肉豆蔻醇、癸醇、己醇、辛醇、鲸蜡醇、硬脂醇、山嵛醇、月桂酸、亚油酸、亚麻酸、肉豆蔻酸、硬脂酸等)是带极性的有机物,可以把它们看成非离子表面活性剂,它们既有亲油基团,又有亲水基团。少量该类有机物的存在对表面活性剂的表面张力等性质有显著影响,其作用大小是随碳链加长而增大,一般来说呈线性变化关系。1.1.3不同烷醇酰胺的使用效果烷醇酰胺能在电解质存在下,进行增稠并且能达到最佳效果。各种不同的烷醇酰胺在性能上有很大差异,最常用的是椰油二乙醇酰胺。在单独使用和复配使用时效果不一样。这类增稠剂的缺点是烷醇酰胺的杂质中有游离胺,是亚硝胺的潜在来源。1.1.4酸盐结晶产物这类增稠剂属于非离子增稠剂,一般以脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸盐(AES)为主,通常情况下,仅用无机盐即能调成合适的黏度。另外其增稠效果与产物中所含未反应的醇及同系物的分布宽窄有很大关系。同系物的分布愈窄,其增稠效果愈大。1.1.5表面活性剂水溶液体系这类增稠剂也属于非离子增稠剂,主要用于表面活性剂水溶液体系中。其优点是不容易水解,在宽的pH和温度范围内黏度稳定。目前最常用的是PEG-150二硬脂酸酯。1.1.6氧化胺的浓度氧化胺是极性的非离子表面活性剂,具有增稠作用。其特征表现为:在中性或碱性条件下,氧化胺在水溶液中以不电离的水化物存在,显示非离子性;在酸性溶液中,它显示弱的阳离子性。当溶液pH值<3时,氧化胺的阳离子性尤为明显。因此它可以在不同的条件下与阳离子、阴离子、非离子和两性离子等表面活性剂很好配伍并显示协同效应。氧化胺常用于化妆品方面的增稠。1.1.7其他增稠剂少数甜菜碱和皂类也能作增稠剂,皂类可用于棒状化妆品中的增稠,甜菜碱主要用于表面活性剂水体系中。1.2高簇剂1.2.1膨润土的种类无机增稠剂是一类吸水膨胀而形成触变性的凝胶矿物。主要有膨润土、凹凸棒土、硅酸铝等,其中膨润土最为常用。现在人们正在研究用无机物和其它物质复合合成增稠剂,如MChtourou等人正在研究用铵盐的有机衍生物和类属蒙脱石的突尼斯粘土合成增稠剂,并且有了很大的进展。1.2.2纤维素的应用领域纤维素类增稠剂的使用历史较长,品种也很多,有甲基纤维素、羧甲基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基甲基纤维素等,广泛应用于各种领域。纤维素类增稠剂通过水合膨胀的长链而增稠,其体系表现明显的假塑性流变形态。1.2.3主单体和第二单体聚丙烯酸类增稠剂属阴离子型增稠剂,是目前应用比较广泛的合成增稠剂,尤其在印染方面。一般由3种或更多的单体聚合而成,主单体一般为羧酸类单体,如丙烯酸、马来酸或马来酸酐、甲基丙烯酸等;第二单体一般为丙烯酸酯或苯乙烯;第三单体是具有交联作用的单体,例如N,N-亚甲基双丙烯酰胺、双丙烯酸丁二酯或邻苯二甲酸二丙烯酯等。1.2.4分子化合物增稠剂聚氨酯全称为聚氨基甲酸酯,是分子结构中含有—NHCOO—单元的高分子化合物。可通过二异氰酸酯和聚乙二醇在封端剂的存在下合成,聚氨酯类增稠剂是近年来新开发的缔合型增稠剂,是分子量相对较低的水溶性聚氨酯。分子结构中有亲水部分也有亲油部分,呈现出一定的表面活性。1.2.5天然胶增稠剂天然胶主要有胶原蛋白类和聚多糖类,但是作为增稠剂的天然胶主要是聚多糖类。1.2.6高分子聚合物增稠机理一般把相对分子质量>2.5×104的产品称作聚氧乙烯,而<2.5×104的称作聚乙二醇,增稠机理主要与高分子聚合物链有关。聚氧乙烯的水溶液在紫外线、强酸和过渡金属离子(特别是Fe3+、Cr3+和Ni2+)作用下会自动氧化降解,失去其黏度。1.2.7双组分聚合物增稠剂PVM/MA癸二烯交联聚合物(聚乙烯甲基醚/丙烯酸甲酯与癸二烯的交联聚合物)是新的一族增稠剂,能配制成透明定型凝胶、喷发胶和乳胶,可用于增稠醇类溶液、甘油和其它非水体系。2主要应用增稠剂的用途相当广泛,目前应用研究已经深入到印染纺织、水性涂料、医药、食品加工和日常用品等方面。2.1增稠剂对印花产品性能的影响纺织品及涂料印花要获得良好的印制效果和质量,很大程度上取决于印花色浆的性能,其中增稠剂的性能起着至关重要的作用。加入增稠剂可使印花产品给色量高,印花轮廓清晰,色泽鲜艳饱满,提高产品的透网性和触变性,给印染企业创造更大的利润空间。印花色浆的增稠剂过去多用天然淀粉或海藻酸钠,由于天然淀粉成糊困难、海藻酸钠价格较贵等原因,现在逐渐被丙烯酸型印染增稠剂所代替。2.2增稠剂的使用涂料的主要功能是装饰及保护被涂物。适当地加入增稠剂,可以有效地改变涂料体系的流体特性,使之具有触变性,从而赋予涂料良好的贮存稳定性和施工性。好的增稠剂要达到如下要求:贮存时提高涂料黏度、抑制涂料的分离,高速涂装时要降低黏度,涂装后提高涂膜的黏度、防止流挂现象的发生,等等。传统的增稠剂经常使用水溶性的聚合物,例如,纤维素衍生物中的高分子羟乙基纤维素(HEC)等。SEM资料显示聚合增稠剂还可在纸制品涂膜过程中控制水分的保留,增稠剂的存在可使涂料纸表面呈现光滑和均匀。尤其是溶胀型乳液(HASE)增稠剂有优秀的抗飞溅能力,可以和其它种类增稠剂联合使用,大大减轻涂料纸表面的粗糙度。2.3增稠剂的使用迄今世界上用于食品工业的食品增稠剂已有40余种,主要用来改善和稳定食品的物理性质或形态、增加食品的黏度、赋予食品粘滑适口的口感,并起到增稠、稳定、均质、乳化凝胶、掩蔽、矫味、增香、增甜等作用。增稠剂种类很多,分天然和化学合成两类。天然增稠剂主要从动植物中获取,化学合成的增稠剂有CMC-Na、藻酸丙二酯等。2.4其他聚合物类目前使用于日化行业的增稠剂达200多种,主要有无机盐类、表面活性剂类、水溶性高分子类和脂肪醇及脂肪酸类等。在日用品方面,用于洗洁精,可使产品透明、稳定、泡沫丰富、手感细腻、易于漂洗,另外还常应用于化妆品、牙膏等中。2.5压裂剂的用量增稠剂也是水基压裂液中的主要添加剂,关系到压裂液的使用性能及压裂成败。此外,增稠剂也广泛应用于医药、造纸、陶瓷、皮革加工、电镀等方面。3增稠剂的应用增稠剂属于多品种、多功能的材料。目前已经开发出纤维素增稠剂、聚丙烯酸酯增稠剂、碱溶性丙烯酸增稠剂、聚氨酯增稠剂等系列产品。它们在成糊性、渗透性、透网性、流变性、触变性、曳丝性、抱水性、混悬性等方面性能突出,有着广泛的应用。最近的开发方向是液体缔合型无溶剂增稠剂,另外,对聚丙烯酸增稠