1. 増粘剤の定義と機能
水性塗料の粘度を大幅に高めることができる添加剤は、増粘剤と呼ばれます。
増粘剤は、塗料の製造、保管、施工において重要な役割を果たします。
増粘剤の主な機能は、塗料の粘度を上げて、使用のさまざまな段階の要件を満たすことです。ただし、塗料に求められる粘度は、使用のさまざまな段階で異なります。例：
保管過程においては、顔料の沈殿を防ぐために高い粘度を有することが望ましい。
施工工程においては、塗料の粘度が適度であることが望ましい。これは、塗料が過度に染み込むことなく、良好な刷毛塗り性を確保するためである。
施工後、垂れを防ぐために、短時間の遅延（レベリング工程）の後、粘度が速やかに高い粘度に戻ることが期待される。
水性塗料の流動性は非ニュートン流体である。
塗料の粘度がせん断力の増加に伴って低下する場合、それは擬塑性流体と呼ばれ、ほとんどの塗料は擬塑性流体である。
擬塑性流体の流動挙動がその履歴、すなわち時間に依存する場合、それはチキソトロピー流体と呼ばれる。
塗料を製造する際、添加剤を加えるなどして、意図的にチキソトロピー性を持たせようとすることがよくあります。
塗料のチキソトロピー性が適切であれば、塗装の各段階における矛盾を解消し、保管、施工、平滑化、乾燥の各段階における塗料の粘度の違いという技術的ニーズを満たすことができる。
増粘剤の中には、塗料に高いチキソトロピー性を付与するものがあり、静止状態や低せん断速度（保管や輸送など）では粘度が高くなり、塗料中の顔料の沈殿を防ぎます。また、高せん断速度（塗装工程など）では粘度が低くなり、塗膜の十分な流動性と平滑性を確保します。
チキソトロピーはチキソトロピー指数TIで表され、ブルックフィールド粘度計で測定される。
TI = 粘度（6回転/分で測定）/粘度（60回転/分で測定）
2. 増粘剤の種類と塗膜特性への影響
（１）種類化学組成の観点から、増粘剤は有機系と無機系の２種類に分けられます。
無機系としては、ベントナイト、アタパルジャイト、ケイ酸アルミニウムマグネシウム、ケイ酸リチウムマグネシウムなどがあり、有機系としては、メチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ポリアクリレート、ポリメタクリレート、アクリル酸、メチルアクリルホモポリマーまたはコポリマー、ポリウレタンなどがある。
塗膜のレオロジー特性への影響という観点から、増粘剤はチキソトロピー性増粘剤と会合性増粘剤に分類されます。性能要件としては、増粘剤の使用量が少なく、増粘効果が良好であること、酵素による分解を受けにくいこと、系の温度やpH値が変化しても塗膜の粘度が著しく低下せず、顔料や充填剤が凝集しないこと、良好な保存安定性、良好な保水性、明らかな発泡現象がなく、塗膜の性能に悪影響を及ぼさないことが求められます。
①セルロース増粘剤
塗料に使用されるセルロース系増粘剤は主にメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロースであり、後者2種類がより一般的に使用されている。
ヒドロキシエチルセルロースは、天然セルロースのグルコース単位上の水酸基をヒドロキシエチル基に置換することによって得られる製品である。製品の仕様および型式は、主に置換度と粘度によって区別される。
ヒドロキシエチルセルロースの種類は、通常溶解型、速分散型、生物学的安定性型の3つに分けられます。使用方法に関しては、ヒドロキシエチルセルロースは塗料製造工程の様々な段階で添加できます。速分散型は乾燥粉末の形で直接添加できます。ただし、添加前のシステムのpH値は7未満である必要があります。これは、ヒドロキシエチルセルロースは低いpH値では溶解が遅く、粒子内部に水が浸透するのに十分な時間があるためです。その後、pH値を上げて速やかに溶解させます。同様の手順で、一定濃度の接着剤溶液を調製し、塗料システムに添加することもできます。
ヒドロキシプロピルメチルセルロース天然セルロースのグルコース単位のヒドロキシル基をメトキシ基に置換し、残りの部分をヒドロキシプロピル基に置換して得られる製品です。増粘効果は基本的にヒドロキシエチルセルロースと同じです。酵素分解耐性がありますが、水溶性はヒドロキシエチルセルロースほど良くなく、加熱時にゲル化するという欠点があります。表面処理されたヒドロキシプロピルメチルセルロースは、使用時に水に直接加えることができます。攪拌分散後、アンモニア水などのアルカリ性物質を加えてpH値を8～9に調整し、完全に溶解するまで攪拌します。表面処理されていないヒドロキシプロピルメチルセルロースは、使用前に85℃以上の熱湯に浸して膨潤させ、室温まで冷却した後、冷水または氷水で攪拌して完全に溶解します。
②無機増粘剤
この種の増粘剤は、主にベントナイト、マグネシウムアルミニウムケイ酸塩粘土などの活性粘土製品です。増粘効果に加えて、優れた懸濁効果も持ち、沈降を防ぎ、塗膜の耐水性に影響を与えないという特徴があります。塗膜が乾燥して皮膜を形成した後は、塗膜中の充填剤などとして機能します。欠点としては、塗膜の平滑性に大きく影響することが挙げられます。
③合成ポリマー増粘剤
合成ポリマー増粘剤は、主にアクリル樹脂やポリウレタン樹脂（会合型増粘剤）に用いられます。アクリル系増粘剤は、主にカルボキシル基を含むアクリルポリマーです。pH値が8～10の水中では、カルボキシル基が解離して膨潤しますが、pH値が10を超えると水に溶解して増粘効果を失うため、増粘効果はpH値に非常に敏感です。
アクリレート系増粘剤の増粘メカニズムは、その粒子が塗料中のラテックス粒子の表面に吸着し、アルカリ膨潤後にコーティング層を形成することで、ラテックス粒子の体積が増加し、粒子のブラウン運動が阻害され、塗料系の粘度が増加するというものである。第二に、増粘剤の膨潤により水相の粘度が増加する。
（２）増粘剤が塗膜特性に及ぼす影響
増粘剤の種類がコーティングのレオロジー特性に及ぼす影響は以下のとおりです。
増粘剤の量が増加すると、塗料の静的粘度は著しく増加し、外部せん断力を加えた場合の粘度変化の傾向は基本的に一貫している。
増粘剤の効果により、塗料はせん断力を受けると粘度が急速に低下し、擬塑性を示す。
疎水性に改質されたセルロース増粘剤（EBS451FQなど）を使用した場合、高せん断速度では、添加量が多いと粘度が依然として高くなります。
会合型ポリウレタン増粘剤（WT105Aなど）を使用した場合、高せん断速度では、添加量が多いと粘度が依然として高くなります。
アクリル系増粘剤（ASE60など）を使用する場合、添加量が多いと静的粘度は急速に上昇するが、せん断速度が高いと粘度は急速に低下する。
3. 結合型増粘剤
（１）厚み増加メカニズム
セルロースエーテルやアルカリ膨潤性アクリル増粘剤は水相のみを増粘させることができ、水性塗料中の他の成分には増粘効果がなく、また塗料中の顔料とエマルション粒子との間に大きな相互作用を引き起こすこともできないため、塗料のレオロジーを調整することはできません。
会合型増粘剤は、水和による増粘に加えて、増粘剤同士、分散粒子、および系内の他の成分との会合によっても増粘することを特徴とする。この会合は、高せん断速度では解離し、低せん断速度では再会合するため、コーティングのレオロジー特性を調整することができる。
会合型増粘剤の増粘メカニズムは、その分子が線状の親水性鎖であり、両端に親油性基を持つ高分子化合物、すなわち構造中に親水性基と疎水性基の両方を持つため、界面活性剤分子の特性を有するという点にある。このような増粘剤分子は、水相を水和・膨潤させて増粘させるだけでなく、水溶液の濃度が一定値を超えるとミセルを形成する。ミセルは、エマルションの高分子粒子や分散剤を吸着した顔料粒子と会合して三次元ネットワーク構造を形成し、相互に連結・絡み合うことで系の粘度を高める。
さらに重要なのは、これらの会合体が動的平衡状態にあり、外部からの力によって会合したミセルの位置を調整できるため、コーティングが平滑性を持つという点です。加えて、この分子は複数のミセルから構成されているため、水分子の移動傾向が抑制され、水相の粘度が上昇します。
（２）コーティングにおける役割
会合型増粘剤のほとんどはポリウレタンであり、その相対分子量は10³～10⁴のオーダーで、相対分子量が10⁵～10⁶の一般的なポリアクリル酸やセルロース系増粘剤よりも2桁低い。分子量が低いため、水和後の有効体積増加が少なく、非会合型増粘剤よりも粘度曲線が平坦になる。
会合性増粘剤は分子量が小さいため、水相における分子間絡み合いが限定的であり、水相に対する増粘効果は顕著ではありません。低せん断速度領域では、分子間の会合変換が分子間の会合破壊よりも多く、システム全体が本来の懸濁・分散状態を維持し、粘度は分散媒（水）の粘度に近くなります。したがって、会合性増粘剤を用いることで、低せん断速度領域において水性塗料システムの見かけ粘度を低く抑えることができます。
会合性増粘剤は、分散相の粒子間の会合により分子間のポテンシャルエネルギーを増加させます。このようにして、高せん断速度で分子間の会合を切断するにはより多くのエネルギーが必要となり、同じせん断ひずみを達成するために必要なせん断力も大きくなるため、システムは高せん断速度でより高いせん断速度を示します。見かけの粘度。高せん断粘度が高く、低せん断粘度が低いことで、塗料のレオロジー特性における一般的な増粘剤の不足を補うことができます。つまり、2つの増粘剤を組み合わせて使用することで、ラテックス塗料の流動性を調整できます。可変性能により、厚膜へのコーティングとコーティング膜の流れの総合的な要件を満たします。
投稿日時：2024年4月28日