有機変性ウレアの科学

2.1. 有機変性ウレア

有機変性ウレア

液体チキソトロピー添加剤群は、その作用機構と取り扱いの容易さにより、多種多様なレオロジー特性に使用されるユニークなレオロジー添加剤のグループです。

効果の範囲/特性/利点

液体チキソトロピー添加剤は、水系から非極性脂肪族系まで、非常に広い極性範囲に適しています。溶剤系でも無溶剤系でも使用することができます。液状で低粘度であるため取り扱いが容易で、後添加として撹拌することで最終系に添加することができます。望まれるレオロジー効果を得るには、添加剤の迅速で均一な分散を確実にする撹拌条件下での添加で通常は十分です。他の多くのレオロジー添加剤に要求されるような強いせん断力や温度による活性化の必要はありません。

液体チキソトロピー添加剤は、主に低せん断速度領域で顕著な構造形成を示します。せん断中、これらは強いせん断減粘効果を示し、その後時間に応じて構造（チキソトロピー性）が回復します。構造形成の速度は、添加剤の添加量と配合物の固形分含量に左右されます（高ければ高いほど速い）。その結果、優れた貯蔵安定性、理想的な沈降防止挙動、耐タレ性が向上します。低い塗布粘度により、スプレー塗布時の最適な霧化、良好な基材濡れ性、良好なレベリング性が得られます。この添加剤タイプの特別な利点は、顕著な弾性であり、その結果、例えば自動車用塗料では低粘度でも良好な貯蔵安定性／沈降防止挙動を示します。

構造と作用機構

ウレア化合物は、水素結合を介して三次元ネットワークを形成できる官能基を有しています。このようなネットワークは可逆的であり、粘度調整などのレオロジー調整に使用することができます。天然に存在するウレアは水素結合を形成することができますが、その構造上、多くの物質と相溶性がありません。適切な化学的変性によって、有機基をウレアユニットに結合させ、有機変性ウレアを得ることができます。有機変性の種類によって、極性、ひいては相溶性を広い範囲で調整することができ、水系から無極性の炭化水素系まで適切な変性が可能です。これは、ウレア系レオロジー添加剤の構造を特定の極性範囲に合わせて調整する場合に関連するポイントです。

有機変性ウレアの作用機構は、正確に調整された溶解性と不溶性のバランスに基づいています：添加剤としての有機変性ウレアは、適切なキャリア媒体中の溶液として供給されるため、粘度が低く、ポンプ輸送が可能で、容易に添加でき、取り扱いが簡単です。添加剤を塗布系で使用する場合、微細な結晶粒子がその場で形成されますが、それは非常に小さいため、系の光沢には影響しません。

これらの小さな結晶は、前述の水素結合を介して、結晶間で三次元ネットワークを構築します。このネットワーク形成に関与するのはウレア結晶のみであるため、その相互作用は一般にバインダーや顔料などの配合物の他の成分とは無関係です。このため、ウレアベースのレオロジー添加剤は、配合物の他の成分との特定の相互作用を必要とするもの（バインダーと相互作用する会合性増粘剤、顔料や充填剤と相互作用する湿潤分散剤など）と区別されます。また、相互作用は通常、pH値や様々なイオンの存在などの要因に依存しません。したがって、ウレア系添加剤は酸、アルカリ、塩溶液の増粘にも使用できます。

水素結合を介した可逆的なネットワークの形成により、強いチキソトロピー性を示す流動性が得られます：このネットワークが力によって破壊されると、ウレア構造の再配向に時間がかかるため、その結果粘度が高くなるのです。

粘度に加え、三次元ネットワークの形成も粘弾性特性に影響を与えます。有機変性ウレアは、弾性成分を増加させることで、粘度を強く上昇させなくても、降伏点を定め、沈降防止効果を得るのにも適しています。粘度上昇、膜厚、沈降防止効果のバランスは、添加量によって制御できます。有機変性ウレアは、ウレア基に加えて他の官能基を含んでいても構いません。例えば、ウレアウレタンは、ウレアとウレタンの機能を組み合わせたものです。ポリウレアは有機変性ウレアのサブグループで、ウレア単位を持つ長い分子配列を持ちます。