增稠劑的研究與應(yīng)用

增稠劑的研究與應(yīng)用

增稠劑是近年來迅速發(fā)展的一種新型功能聚居劑。主要用于改善產(chǎn)品的粘度或硬度。它具有劑量低、成本低、粘稠、方便等特點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、印花、商品顧問、食品添加劑、采后處理、造紙、皮革加工等行業(yè)。工業(yè)增稠劑起源于20世紀(jì),1953年,Coodrich公司首先將第一種完全由人工合成的增稠劑——聚丙烯酸類增稠劑引入市場。20世紀(jì)60年代,國外開始將聚丙烯酸鈉應(yīng)用于食品方面。目前,W/O型聚丙烯酸膠乳作為水相增稠劑已經(jīng)廣泛應(yīng)用到紡織印花漿、染整和工業(yè)涂料等領(lǐng)域。20世紀(jì)70年代中期,我國開始了合成增稠劑的研究工作。近年來,國內(nèi)已經(jīng)研究開發(fā)成功一些合成增稠劑,它們大部分屬陰離子型合成增稠劑,如中科大研制的合成增稠劑KG-201以及沈陽化工院研制的合成增稠劑PF。交聯(lián)型聚丙烯酸膠乳作為涂料印花增稠劑得到廣泛應(yīng)用,但是這類陰離子型增稠劑仍存在一些缺陷,如耐電解質(zhì)性能、色漿觸變性、印花時(shí)得色量等均不十分理想。20世紀(jì)80年代,聚氨酯締合型增稠劑相繼發(fā)展起來。但目前,世界上只有ICI、DuPont、SunChemical、KYK等少數(shù)幾家國際知名的大公司生產(chǎn)這種產(chǎn)品,其生產(chǎn)技術(shù)受到嚴(yán)密封鎖,產(chǎn)品以壟斷價(jià)格出售。我國對水性聚氨酯增稠劑的研究起步較晚,近年來國內(nèi)也模仿國外品種,開發(fā)了一些產(chǎn)品,不過效果不理想,產(chǎn)品也未系列化,只能應(yīng)用于一些低檔產(chǎn)品中。1般增稠劑能夠作為增稠劑的物質(zhì)很多,并且隨著應(yīng)用的不同,增稠劑的種類也不一樣。一般增稠劑按相對分子質(zhì)量分,有低分子增稠劑和高分子增稠劑;按功能團(tuán)分,主要有無機(jī)增稠劑、纖維素類、聚丙烯酸酯和締合型聚氨酯增稠劑4類。下面按相對分子質(zhì)量對增稠劑進(jìn)行分類。1.1低分子稠化劑1.1.1增稠劑的選擇用無機(jī)鹽(如氯化鈉、氯化鉀、氯化銨、單乙醇胺氯化物、二乙醇胺氯化物、硫酸鈉、磷酸鈉、磷酸二鈉和三磷酸五鈉等)做增稠劑的體系,一般是表面活性劑水溶液體系,最常用的無機(jī)鹽增稠劑是氯化鈉,增稠效果明顯。1.1.2月桂酸、品種、活性助劑脂肪醇、脂肪酸(如月桂醇、肉豆蔻醇、癸醇、己醇、辛醇、鯨蠟醇、硬脂醇、山崳醇、月桂酸、亞油酸、亞麻酸、肉豆蔻酸、硬脂酸等)是帶極性的有機(jī)物,可以把它們看成非離子表面活性劑,它們既有親油基團(tuán),又有親水基團(tuán)。少量該類有機(jī)物的存在對表面活性劑的表面張力等性質(zhì)有顯著影響,其作用大小是隨碳鏈加長而增大,一般來說呈線性變化關(guān)系。1.1.3不同烷醇酰胺的使用效果烷醇酰胺能在電解質(zhì)存在下,進(jìn)行增稠并且能達(dá)到最佳效果。各種不同的烷醇酰胺在性能上有很大差異,最常用的是椰油二乙醇酰胺。在單獨(dú)使用和復(fù)配使用時(shí)效果不一樣。這類增稠劑的缺點(diǎn)是烷醇酰胺的雜質(zhì)中有游離胺,是亞硝胺的潛在來源。1.1.4酸鹽結(jié)晶產(chǎn)物這類增稠劑屬于非離子增稠劑,一般以脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鹽(AES)為主,通常情況下,僅用無機(jī)鹽即能調(diào)成合適的黏度。另外其增稠效果與產(chǎn)物中所含未反應(yīng)的醇及同系物的分布寬窄有很大關(guān)系。同系物的分布愈窄,其增稠效果愈大。1.1.5表面活性劑水溶液體系這類增稠劑也屬于非離子增稠劑,主要用于表面活性劑水溶液體系中。其優(yōu)點(diǎn)是不容易水解,在寬的pH和溫度范圍內(nèi)黏度穩(wěn)定。目前最常用的是PEG-150二硬脂酸酯。1.1.6氧化胺的濃度氧化胺是極性的非離子表面活性劑,具有增稠作用。其特征表現(xiàn)為:在中性或堿性條件下,氧化胺在水溶液中以不電離的水化物存在,顯示非離子性;在酸性溶液中,它顯示弱的陽離子性。當(dāng)溶液pH值<3時(shí),氧化胺的陽離子性尤為明顯。因此它可以在不同的條件下與陽離子、陰離子、非離子和兩性離子等表面活性劑很好配伍并顯示協(xié)同效應(yīng)。氧化胺常用于化妝品方面的增稠。1.1.7其他增稠劑少數(shù)甜菜堿和皂類也能作增稠劑,皂類可用于棒狀化妝品中的增稠,甜菜堿主要用于表面活性劑水體系中。1.2高簇劑1.2.1膨潤土的種類無機(jī)增稠劑是一類吸水膨脹而形成觸變性的凝膠礦物。主要有膨潤土、凹凸棒土、硅酸鋁等,其中膨潤土最為常用?，F(xiàn)在人們正在研究用無機(jī)物和其它物質(zhì)復(fù)合合成增稠劑,如MChtourou等人正在研究用銨鹽的有機(jī)衍生物和類屬蒙脫石的突尼斯粘土合成增稠劑,并且有了很大的進(jìn)展。1.2.2纖維素的應(yīng)用領(lǐng)域纖維素類增稠劑的使用歷史較長,品種也很多,有甲基纖維素、羧甲基纖維素、羥乙基纖維素、羥丙基甲基纖維素等,廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域。纖維素類增稠劑通過水合膨脹的長鏈而增稠,其體系表現(xiàn)明顯的假塑性流變形態(tài)。1.2.3主單體和第二單體聚丙烯酸類增稠劑屬陰離子型增稠劑,是目前應(yīng)用比較廣泛的合成增稠劑,尤其在印染方面。一般由3種或更多的單體聚合而成,主單體一般為羧酸類單體,如丙烯酸、馬來酸或馬來酸酐、甲基丙烯酸等;第二單體一般為丙烯酸酯或苯乙烯;第三單體是具有交聯(lián)作用的單體,例如N,N-亞甲基雙丙烯酰胺、雙丙烯酸丁二酯或鄰苯二甲酸二丙烯酯等。1.2.4分子化合物增稠劑聚氨酯全稱為聚氨基甲酸酯,是分子結(jié)構(gòu)中含有—NHCOO—單元的高分子化合物?？赏ㄟ^二異氰酸酯和聚乙二醇在封端劑的存在下合成,聚氨酯類增稠劑是近年來新開發(fā)的締合型增稠劑,是分子量相對較低的水溶性聚氨酯。分子結(jié)構(gòu)中有親水部分也有親油部分,呈現(xiàn)出一定的表面活性。1.2.5天然膠增稠劑天然膠主要有膠原蛋白類和聚多糖類,但是作為增稠劑的天然膠主要是聚多糖類。1.2.6高分子聚合物增稠機(jī)理一般把相對分子質(zhì)量>2.5×104的產(chǎn)品稱作聚氧乙烯,而<2.5×104的稱作聚乙二醇,增稠機(jī)理主要與高分子聚合物鏈有關(guān)。聚氧乙烯的水溶液在紫外線、強(qiáng)酸和過渡金屬離子(特別是Fe3+、Cr3+和Ni2+)作用下會(huì)自動(dòng)氧化降解,失去其黏度。1.2.7雙組分聚合物增稠劑PVM/MA癸二烯交聯(lián)聚合物(聚乙烯甲基醚/丙烯酸甲酯與癸二烯的交聯(lián)聚合物)是新的一族增稠劑,能配制成透明定型凝膠、噴發(fā)膠和乳膠,可用于增稠醇類溶液、甘油和其它非水體系。2主要應(yīng)用增稠劑的用途相當(dāng)廣泛,目前應(yīng)用研究已經(jīng)深入到印染紡織、水性涂料、醫(yī)藥、食品加工和日常用品等方面。2.1增稠劑對印花產(chǎn)品性能的影響紡織品及涂料印花要獲得良好的印制效果和質(zhì)量,很大程度上取決于印花色漿的性能,其中增稠劑的性能起著至關(guān)重要的作用。加入增稠劑可使印花產(chǎn)品給色量高,印花輪廓清晰,色澤鮮艷飽滿,提高產(chǎn)品的透網(wǎng)性和觸變性,給印染企業(yè)創(chuàng)造更大的利潤空間。印花色漿的增稠劑過去多用天然淀粉或海藻酸鈉,由于天然淀粉成糊困難、海藻酸鈉價(jià)格較貴等原因,現(xiàn)在逐漸被丙烯酸型印染增稠劑所代替。2.2增稠劑的使用涂料的主要功能是裝飾及保護(hù)被涂物。適當(dāng)?shù)丶尤朐龀韯?可以有效地改變涂料體系的流體特性,使之具有觸變性,從而賦予涂料良好的貯存穩(wěn)定性和施工性。好的增稠劑要達(dá)到如下要求:貯存時(shí)提高涂料黏度、抑制涂料的分離,高速涂裝時(shí)要降低黏度,涂裝后提高涂膜的黏度、防止流掛現(xiàn)象的發(fā)生,等等。傳統(tǒng)的增稠劑經(jīng)常使用水溶性的聚合物,例如,纖維素衍生物中的高分子羥乙基纖維素(HEC)等。SEM資料顯示聚合增稠劑還可在紙制品涂膜過程中控制水分的保留,增稠劑的存在可使涂料紙表面呈現(xiàn)光滑和均勻。尤其是溶脹型乳液(HASE)增稠劑有優(yōu)秀的抗飛濺能力,可以和其它種類增稠劑聯(lián)合使用,大大減輕涂料紙表面的粗糙度。2.3增稠劑的使用迄今世界上用于食品工業(yè)的食品增稠劑已有40余種,主要用來改善和穩(wěn)定食品的物理性質(zhì)或形態(tài)、增加食品的黏度、賦予食品粘滑適口的口感,并起到增稠、穩(wěn)定、均質(zhì)、乳化凝膠、掩蔽、矯味、增香、增甜等作用。增稠劑種類很多,分天然和化學(xué)合成兩類。天然增稠劑主要從動(dòng)植物中獲取,化學(xué)合成的增稠劑有CMC-Na、藻酸丙二酯等。2.4其他聚合物類目前使用于日化行業(yè)的增稠劑達(dá)200多種,主要有無機(jī)鹽類、表面活性劑類、水溶性高分子類和脂肪醇及脂肪酸類等。在日用品方面,用于洗潔精,可使產(chǎn)品透明、穩(wěn)定、泡沫豐富、手感細(xì)膩、易于漂洗,另外還常應(yīng)用于化妝品、牙膏等中。2.5壓裂劑的用量增稠劑也是水基壓裂液中的主要添加劑,關(guān)系到壓裂液的使用性能及壓裂成敗。此外,增稠劑也廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、造紙、陶瓷、皮革加工、電鍍等方面。3增稠劑的應(yīng)用增稠劑屬于多品種、多功能的材料。目前已經(jīng)開發(fā)出纖維素增稠劑、聚丙烯酸酯增稠劑、堿溶性丙烯酸增稠劑、聚氨酯增稠劑等系列產(chǎn)品。它們在成糊性、滲透性、透網(wǎng)性、流變性、觸變性、曳絲性、抱水性、混懸性等方面性能突出,有著廣泛的應(yīng)用。最近的開發(fā)方向是液體締合型無溶劑增稠劑,另外,對聚丙烯酸增稠