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解读水性涂料的增稠剂和润湿分散剂“密码”

来源:未知 作者:朱则刚 时间:2019-07-25 点击:
导读:常见水性涂料中的涂料助剂繁多, 例如其中增 稠剂和润湿分散剂的用量虽然很少, 但能突显涂料 的功能,已成为涂料不可缺少的组成部分。水性涂料 常用的增稠剂是一种流变助剂, 不但能够使涂料增 稠,避免施工中呈现流挂表象,而且能赋予涂料优良 的机械功能和
常见水性涂料中的涂料助剂繁多, 例如其中增稠剂和润湿分散剂的用量虽然很少, 但能突显涂料的功能,已成为涂料不可缺少的组成部分。水性涂料常用的增稠剂是一种流变助剂, 不但能够使涂料增稠,避免施工中呈现流挂表象,而且能赋予涂料优良的机械功能和储存稳定性。对于黏度较低的水性涂料来说,是非常重要的一类助剂。湿润剂能使固体物料更易被水浸湿的物质, 通过降低其表面张力或界面张力,使水能展开在固体物料表面上,或透入其表面,而把固体物料润湿;吸附于液固界面并能显著降低界面自由能, 使固体粉末均匀的分散在液体或熔体中,并使之不再聚集的一类物质;分散剂是一种化学品,加入水中增加其去颗粒的能力。促使物料颗粒均匀分散于介质中,形成稳定悬浮体的药剂。

1.水性涂料增稠剂和润湿分散剂的功用及类别
水性涂料以水作为分散介质, 粘度通常都较低,如在立面墙壁上施工会发生流挂现象。为了使涂料具有适当的粘度以改善其施工性能、流平性能及贮存稳定性,常需要加入一定量的增稠剂。低温柔韧性是检测防水涂料性能的一项重要指标, 而该指标由防水涂料所采用胶乳的玻璃化转变温度(Tg)确定。当外界温度高于基料的Tg 时,涂料行为类似橡胶,受载时产生弹性形变,具有较好的柔韧性;当外界温度低于基料的Tg 时,涂料行为类似玻璃易于产生脆性破坏,其柔韧性显著下降。目前所供使用的胶乳的Tg在-5℃左右,都不能满足要求。因此,掺入一定量的增塑剂可以起到降低胶乳Tg 的作用。而随着胶乳Tg的降低,防水涂料的低温柔韧性也随之提高。在制备色浆时,增稠剂的加入使研磨浆稠度增加,加强了剪切作用,有利于颜填料的分散。防水涂料要起到良好的防水效果, 通常要求干膜厚度达到1.5~2.0mm,因此,只有涂料具有一定的粘度和稠度,才能保证每次涂刷的厚度达到0.5mm 左右。
使用于防水涂料中的颜料, 无论是着色颜料还是体质颜料, 都是由数百个到数千个一次粒子凝聚起来的二次粒子组成的。湿润剂的用量一般为千分之几,其作用是起泡和降低涂膜的耐水性,使颜填料中的二次粒子离解成一次粒子。因此,防水涂料中颜填料的分散稳定包括润湿、分散和稳定三个过程。
分散剂是一种在分子内同时具有亲油性和亲水性两种相反性质的界面活性剂, 可均一分散那些难于溶解于液体的无机,有机颜料的固体颗粒,同时也能防止固体颗粒的沉降和凝聚, 形成安定悬浮液所需的药剂。使用润湿分散剂减少完成分散过程所需要的时间和能量,稳定所分散的颜料分散体,改性颜料粒子表面性质,调整颜料粒子的运动性。
当前市场上可选用的增稠剂种类许多, 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四类。纤维素类增稠剂的运用历史较长、种类较多,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,是增稠剂的主流。最常用的纤维素醚类增稠剂为羟乙基纤维素(HEC),根据粘度的不同,有不同的规格。HEC 为粉末状水溶性产品,属非离子型增稠剂,它的增稠效果好,耐水、耐碱性较好,缺点在于较易长霉、腐蚀,流平性较差。聚丙烯酸酯增稠剂为羧基含量较高的丙烯酸酯共聚物乳液,其最大的特点是抗霉菌侵袭性好。这类增稠剂在pH为8~10 的时候,成溶胀状态,使水相粘度增高;但pH大于10 时,溶于水,失去增稠作用。因此,对pH 值有较大的敏感性。
聚丙烯酸酯增稠剂基本上可分为两种: 一种是水溶性的聚丙烯酸盐;另一种是丙烯酸、甲基丙烯酸的均聚物或共聚物乳液增稠剂, 这种增稠剂自身是酸性的,须用碱或氨水中和至pH8~9 才干到达增稠效果,也称为丙烯酸碱溶胀增稠剂。聚氨酯类增稠剂是这些年新开发的缔合型增稠剂。无机增稠剂是一类吸水胀大而构成触变性的凝胶矿藏。主要有膨润土、凹凸棒土、硅酸铝等,其间膨润土最为常用。目前国内乳胶漆最常采用的pH 值调节剂为氨水, 因此,采用该类增稠剂时随着氨水的挥发,pH 值会降低,其增稠效果也会降低。缔合型增稠剂具有其他类型增稠剂不同的增稠机制, 大多数的增稠剂都是通过水合和形成在体系中的弱凝胶结构而带来粘度的。但缔合型增稠剂象表面活性剂一样, 分子中既有亲水部分也有亲油部分, 亲水部分可水合溶胀使水相增稠,亲油端基可与乳液粒子、颜料粒子相缔合形成网络结构。
现代助剂尤其是高分子分散剂, 同时兼具润湿和分散作用,因此,人们常称其为润湿分散剂。润湿与分散是涂料制备的重要工艺过程。分散剂一般分为无机分散剂和有机分散剂两大类。常用的无机分散剂有硅酸盐类(例如水玻璃)和碱金属磷酸盐类(例如三聚磷酸钠、六偏磷酸钠和焦磷酸钠等)。乳胶漆用分散剂分为四大类:磷酸盐类分散剂、多元酸均聚物分散剂、多元酸共聚物分散剂和其他类分散剂。磷酸盐类分散剂中用得最多的是聚磷酸盐, 如六偏磷酸钠、多聚磷酸钠、三聚磷酸钾(KTPP)和焦磷酸四钾(TKPP)。其作用的机理是通过氢键和化学吸附,起静电斥力稳定作用。其优点是用量低,约0.1%左右,对无机颜料和填料分散效果好。但也存在不足之处:一是随着PH 值和温度的升高,多聚磷酸盐容易水解,造成长期贮存稳定性不良;二是多聚磷酸盐在乙二醇、丙二醇等二醇类溶剂中不完全溶解,会影响有光乳胶漆的光泽。据报道,磷酸酯分散剂是单酯、双酯、残余醇和磷酸组成的混合物。磷酸酯分散剂能稳定颜料分散体,包括活性颜料,如氧化锌。在有光涂料配方中,能提高光泽和擦净性。不同于其他湿润分散剂,加入磷酸酯分散剂不影响涂料的KU 和ICI粘度。多元酸均聚物分散剂是甲基丙烯酸均聚物。多元酸共聚物分散剂是二异丁烯和马来酸的共聚物。
这两类分散剂的特点是, 在颜料和填料表面产生较强的吸附或锚固作用, 具有较长的分子链以形成空间位阻,链端具有水溶性,有的还辅以静电斥力,达到稳定的结果。要使分散剂具良好的分散性,要严格控制分子量。分子量太小,空间位阻不足;分子量太大,会产生絮凝作用。对于聚丙烯酸盐类分散剂,聚合度为12~18 能达到最佳的分散效果。氨基吸附在无机粒子表面,羟基伸向水中,通过空间位阻起稳定作用。由于其分子小,空间位阻作用有限。AMP-95主要是PH 调节剂。
由于涂料品种的多样性, 所使用的相关分散助剂也是品种繁多。试图将润湿分散剂从化学上加以分类是困难的。原因是不同品牌的产品,其组成、结构差别非常大。从实际应用需要,运用物理化学原理和方法,对其进行大致分类则是可能和有意义的。市场上众多供应商提供了各具特色的品牌助剂, 令人眼花缭乱。由于涂料助剂大多价格不菲,取舍之间更有着经济上的意义。因此,有必要对助剂的选择问题作一深入浅出的探讨,达到整体把握的目的。考察润湿分散剂的分类特性, 宜从应用范围(相容性)、极性、离子性以及分子量特征等方面进行。大的方面,按应用领域分为水性与油性以及通用型分散剂。功能上又区别为润湿剂和分散剂。实际上,这一区分带有很大的随意性; 因为润湿与分散根本就是一个统一连续的过程。
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