水性分散劑與增稠劑的選擇和配伍

1、水性分散劑與增稠劑的選擇和配伍王春偉1,鄭樹軍1,湯靜芳1,馮炎龍2(1.浙江華特集團(tuán),浙江臨安311300;2.浙江臨安市科達(dá)涂料研究所,臨安311300摘要:以不同類型合成分散劑和締合增稠劑進(jìn)行試驗(yàn),分析其乳膠漆的貯存、施工和應(yīng)用性能,為優(yōu)化沙發(fā)分散劑與締合增稠劑的選擇和配伍提供依據(jù)。關(guān)鍵詞:乳膠漆;分散劑;締合增稠劑;耐水性;吸水率0.引言分散劑和增稠劑是水性涂料中不可缺少的助劑。締合型增稠劑具有親油親水基團(tuán),有類似“聚合型表面活性劑”的作用1,締合型增稠劑與表面活性劑不僅產(chǎn)生類似的行為方式,而且還與相同或相似的組分發(fā)生相互作用。目前廣泛采用的聚合物涂料分散劑實(shí)際上也是一種特殊類型的界面

2、活性劑。分散劑和締合增稠劑處于共同的水相介質(zhì)并在顏料及乳液粒子表面有競(jìng)爭(zhēng)吸附,兩者之間存在著復(fù)雜的競(jìng)合關(guān)系2,它們的搭配組合是否合理直接影響乳膠漆的各項(xiàng)性能。本文重點(diǎn)研究了不同分散劑和締合增稠劑的選擇組合對(duì)乳膠漆的調(diào)色性能、黏度穩(wěn)定性、涂膜光澤和吸水率的影響,探討了影響因素及產(chǎn)生機(jī)理,提出了水性分散劑與增稠劑選擇和配伍使用的建議。1.實(shí)驗(yàn)1.1原材料與儀器設(shè)備1.1.1原材料AC261純丙乳液:進(jìn)口;國(guó)產(chǎn)水溶性分散劑;國(guó)產(chǎn)耐水性分散劑:進(jìn)口水溶性分散劑;進(jìn)口耐水性分散劑;國(guó)產(chǎn)聚氨酯增稠劑;TT-935疏水改性丙烯酸增稠劑;NS801消泡劑;殺菌防霉劑;醇酯12成膜助劑;R930二氧化鈦;125

3、0目重質(zhì)碳酸鈣;丙二醇;AMP-95多功能分散劑;OP-10潤(rùn)濕劑;德固薩酞青藍(lán)漿。1.1.2儀器設(shè)備高速盤式分散機(jī);實(shí)驗(yàn)室砂磨機(jī);NDJ-1旋轉(zhuǎn)黏度儀;斯托默黏度儀;BrooksfieldDV黏度儀;刮板細(xì)度儀;顆粒圖像處理儀;精度01001g電子天平;電腦光澤儀。1.2實(shí)驗(yàn)過程1.2.1分散劑滴定測(cè)試混合33.3份R930二氧化鈦、33.3份1250目碳酸鈣及33.3份蒸餾水,將分散劑慢慢添加到顏料與填料分散體時(shí),分散體黏度下降,用NDJ-1旋轉(zhuǎn)黏度儀3號(hào)轉(zhuǎn)子測(cè)定分散體30r/min黏度。1.2.2分散劑分散穩(wěn)定性試驗(yàn)將水150g、分散劑6g混合,將R930二氧化鈦150g、1250目重質(zhì)

4、碳酸鈣150g慢慢加入到分散劑水溶液介質(zhì)中,以500r/min的速度攪拌進(jìn)行潤(rùn)濕,直至干粉顏料全部潤(rùn)濕,將粘附在壁上和分散軸上的顏料清理到分散體中,分散5min。以3000r/min的速度砂磨30min,分散過程中保持混合體系的溫度在60以下,按照GB/T6753.11986立即測(cè)試顏料初始細(xì)度。按照GB/T27941995測(cè)定顏料分散體在6r/min條件下的黏度和60r/min條件下的黏度。將制得的顏料水分散體密封放置24h后,再攪拌均勻,按照GB/T6753.11986測(cè)試顏料放置后的細(xì)度。試驗(yàn)結(jié)果見表1。 表1分散劑分散及穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果1.2.3增稠劑流變性試驗(yàn)按GB/T27941995

5、的方法測(cè)定水性聚氨酯增稠流變劑的締合增稠作用,稱取350g乳液置于不銹鋼杯中,調(diào)整分散盤與杯底的距離為1cm,以300r/min的速度攪拌,緩慢加入聚氨酯增稠劑,添加量為0.5%,將轉(zhuǎn)速調(diào)至600r/min攪拌15min,取出,用BrooksfieldDV黏度儀測(cè)定6r/min和60r/min條件下的黏度,乳液為AC261純丙乳液。試驗(yàn)結(jié)果見表2。 表2聚氨酯增稠流變劑試驗(yàn)對(duì)比1.2.4分散劑與增稠劑締合試驗(yàn)先制備二氧化鈦顏料漿,(方法同上,耐水性分散劑具有一定的表面活性應(yīng)在分散完成時(shí)加消泡劑消泡。以5001000r/min速度攪拌二氧化鈦顏料分散體,并在攪拌下慢慢添加締合型聚氨酯增稠劑PU4

6、0(加入量為顏料漿總量的1%,繼續(xù)攪拌510min,增稠后的顏料分散體系加蓋靜置12h左右。用20倍的水稀釋顏料水分散體,在40100倍電子顯微鏡下觀測(cè)顆粒間的締合狀態(tài)。試驗(yàn)結(jié)果顯示,國(guó)產(chǎn)分散劑E締合狀態(tài)較為均勻,而進(jìn)口分散劑D締合狀態(tài)不勻,部分過度締合,而部分未充分締合,見圖1、圖2。 圖1國(guó)產(chǎn)分散劑E締合狀態(tài) 圖2進(jìn)口分散劑D締合狀態(tài)1.2.5涂料性能評(píng)價(jià)分散劑和增稠劑直接作用于涂料的流變性能,同時(shí)對(duì)涂膜質(zhì)量產(chǎn)生顯著影響,通過對(duì)這些性能的評(píng)價(jià)對(duì)分散劑和增稠劑選配有十分重要的意義。采用的半光深色外墻調(diào)色基礎(chǔ)漆配方如表3所示;流變性能測(cè)試結(jié)果見表4;涂膜性能測(cè)試結(jié)果見表5。 表3基礎(chǔ)漆配方注:

7、質(zhì)量控制:KU黏度8595,細(xì)度為30m。 表4流變性能測(cè)試結(jié)果2.討論2.1分散劑類型與分散性能大多數(shù)涂料分散劑多為低相對(duì)分子質(zhì)量(100050000、含有羧酸基團(tuán)的聚合物的銨或堿金屬鹽。這些通?？煞譃槎嘣峋畚锱c多元酸共聚物。多元酸均聚物的單體主要包括丙烯酸、甲基丙烯酸、丁烯酸、衣康酸或馬來(lái)酸。多元酸共聚物由前者酸的單體與其他單體共聚而成。根據(jù)共聚單體種類的不同,多元酸共聚物表現(xiàn)出不同的親水性和耐水性。在分散劑滴定試驗(yàn)中,分散劑越有效,在最低分散速度時(shí)黏度的下降程度越大。在分散劑滴定測(cè)試中,理想的分散劑是在最低的分散劑用量能夠提供最低的黏度,同時(shí),當(dāng)分散劑添加量增加時(shí),黏度上升很少。在試

8、驗(yàn)中選用了耐水性(非水溶性分散劑,以往通常認(rèn)為此類分散劑分散效率較低,不適合作為通用型水性分散劑使用,僅在一些低PVC場(chǎng)合應(yīng)用,但試驗(yàn)表明耐水性分散劑也具有優(yōu)良的分散效率。地坪網(wǎng) 表5涂膜性能測(cè)試結(jié)果 注：吸水率測(cè)試方法采用 ASTMD570，光澤為20°光澤。 2.2締合增稠劑的增稠機(jī)理 締合增稠劑是疏水締合型水溶性聚合物， 一般是指在親水性大分子鏈上帶有少量疏水基團(tuán)的 水溶性聚合物。在聚合物水溶液中，疏水基團(tuán)之間由于憎水作用而 發(fā)生聚集，使大分子鏈 產(chǎn)生分子內(nèi)和分子間締合，對(duì)水溶液的流變性帶來(lái)極大影響3。在臨界締合濃度以上，形 成分子間締合為主的超分子結(jié)構(gòu)，增大了流體力 學(xué)體積，

9、故具有較好的增稠性，是新一代 的增稠劑。 由于締合增稠劑相對(duì)分子質(zhì)量較低的水溶鏈上帶有2個(gè)或更多的親油基團(tuán)， 因此， 在水中有表面活性劑的行為， 可以形成膠束。 但分子中的2個(gè)親油基團(tuán)并不一定在同一膠束 內(nèi)，所以連接而形成了結(jié)構(gòu)。締合增稠劑中的親油基團(tuán)可以吸附乳液顆粒和顏料顆粒，這又 增強(qiáng)了結(jié) 構(gòu)。而且被增稠劑大分子架橋的微粒形成物理網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(見圖3。 圖3聚氨酯締合增稠劑在涂料中增稠作用原理圖 地坪企業(yè)黃頁(yè) 地坪網(wǎng) 該網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可在剪切場(chǎng)中受到逐漸破壞， 因此可以控制體系的流動(dòng)性質(zhì)。 這樣的締合在高剪 切速率下脫開， 使黏度降低， 剪切除去后又重新形成， 使黏度恢復(fù)。 但締合的形成需要時(shí)間，

10、所以黏度的恢復(fù)不像纖維素類那樣快， 從而給出了一定的流動(dòng)時(shí)問， 有利于流平和光澤的提 高。聚氨酯締合增稠劑對(duì)黏度的增加通過以下增稠作用來(lái)實(shí)現(xiàn)4： (1通過溶解 PUR 聚合物，增加溶液的黏度； (2膠束形成和/或 PUR 之間膠束的形成； (3與乳液聚合物和顏料粒子締合。 聚氨酯用于乳膠漆和其他涂料時(shí)，其增加黏度的功效以(3>(2>(1的順序降低，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表 明聚氨酯增稠劑有不同的觸變和增稠性能， 一些聚氨酯增稠劑表現(xiàn)出較高的觸變指數(shù)和增稠 能力，部分聚氨酯更接近于牛頓流體，有時(shí)被稱作聚氨酯流平劑。 2.3分散劑與締合增稠劑的締合作用 表4、表5的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在涂料配方2、3中耐

11、水性分散劑 D 和 E 與聚氨酯增稠劑有較好 的締合作用，達(dá)到規(guī)定黏度所需的聚氨酯增稠劑數(shù)量較少，而在 在涂料配方1、4中水溶性 分散劑 A 和 B 與聚氨酯增稠劑沒有締合作用，因而需要更多的聚氨酯增稠劑才能達(dá)到規(guī)定 的黏度。分散劑與締合型增稠劑在顏料及填料顆 粒的表面形成相互競(jìng)爭(zhēng)吸附的關(guān)系。與分 散劑分子相比，疏水改性丙烯酸增稠劑由于其相對(duì)分子質(zhì)量較高，它的分子鏈要長(zhǎng)得多， 分 子鏈上能吸附多個(gè)無(wú)機(jī)顆粒，從 而導(dǎo)致橋式絮凝。如果分散劑不能在吸附競(jìng)爭(zhēng)中勝出，涂 料的性質(zhì)就會(huì)受到負(fù)面影響5，與多元酸共聚物相比，多元酸均聚物的羧酸基團(tuán)含量較高， 因而更能牢 固地吸附到無(wú)機(jī)(顏料與填料顆粒表面。因此

12、，多元酸均聚物分散劑比較不容 易被 HASE 類增稠劑取代，因而如配方5那樣涂料也不易產(chǎn)生橋式絮凝，涂膜不易 出現(xiàn)浮 色發(fā)花。多元酸共聚物分散劑與 HASE 類增稠劑一起使用時(shí)，分散劑產(chǎn)品同時(shí)具有疏水性 及親水性，因此會(huì)表現(xiàn)出許多類似表面活性劑的性質(zhì)，在與 HASE 類增稠劑競(jìng)爭(zhēng)吸附到乳 膠顆粒的表面時(shí)， 表面活性劑具有吸附競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。 因而當(dāng)增稠劑從乳膠顆粒表面置換出來(lái)進(jìn) 入涂料的水相時(shí)，它就只能通過纖維素增 稠劑所適用的體積限制絮凝機(jī)理進(jìn)行增稠6。用 這種方式增稠的涂料具有剪切變稀并且易于絮凝的特點(diǎn)。如配方6中出現(xiàn)黏度下降和浮色發(fā) 花。聚氨酯締合增稠 劑其聚氧乙烯主鏈具有親水性，正常情況下能

13、與水形成氫鍵。然而在 水溶性分散劑離子濃度較大的環(huán)境下， 水則更易與離子結(jié)合， 因此引起主鏈脫水使增稠劑不 能溶 解。如配方1、4中那樣增稠劑不能很好地發(fā)揮作用，在微觀尺度上發(fā)生相分離，產(chǎn)生 絮凝導(dǎo)致流動(dòng)性及光澤下降。 2.4分散劑與締合增稠劑對(duì)涂料性能的影響 實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，分散劑與增稠劑的合理選配可優(yōu)化涂料性能，分散劑對(duì)涂料光澤影響很大， 試驗(yàn)配方1、4、5平均光澤為1617，而配方2、3、6平均 光澤達(dá)到2617。涂料的吸水率與涂 料的耐水性、耐堿性、耐擦洗性和耐沾污性有非常顯著的關(guān)聯(lián)，美國(guó) ASTMD6083水乳型彈 性丙烯酸屋頂保護(hù)涂料標(biāo)準(zhǔn) 規(guī)定涂膜吸水率應(yīng)小于20%。涂料的吸水率除了

14、受乳液質(zhì)量的 影響，分散劑和增稠劑對(duì)此也有很大的影響，在配方3中采用了耐水性分散劑和聚氨酯增稠 地坪企業(yè)黃頁(yè) 地坪網(wǎng) 劑，配方 5中采用的是水溶性的分散劑和丙烯酸增稠劑，兩者的吸水率相差達(dá)1倍。調(diào)色漿 添 加到基漆中時(shí)，基漆中的顏料和填料會(huì)爭(zhēng)奪調(diào)色漿中的分散劑和潤(rùn)濕穩(wěn)定劑，直至達(dá)到 平衡。如果潤(rùn)濕劑不足，便會(huì)造成調(diào)色漿中的彩色顏料不穩(wěn)定，絮凝會(huì)引起浮 色和導(dǎo)致展 色性的下降。 尤其是聚氨酯增稠劑不能與乳液和填料粒子充分締合時(shí)， 將會(huì)在彩色顏料粒子 上過度締合而形成絮凝，造成浮色發(fā)花，如試驗(yàn)配方1、4的 結(jié)果。而試驗(yàn)配方2、3中采用 耐水性分散劑和聚氨酯締合增稠劑配合使用可達(dá)到較好的色漿相容性。 3. 3.結(jié)