1、表面活性剂在涂料中的应用 -颜料润湿分散剂 时间： 2009-04-01 13:20 文字选择： 大 中 小 1 颜料 润湿分散剂的作用 提高生产效率、降低制造成本。颜料的研磨与分散过程是制造 涂料 的主要工序，大约 80的电能和工时消耗在该工序上。选择合适的颜料润湿分散剂，一方面达到同样细度的时间最短，可以缩短工时；另一方面，可以降低体系的粘度，使制造高颜料的色浆 颜料浓缩浆成为可能。颜料浓缩浆可以提供涂料合理生产的机会，使实现计算机配色成为可能。通用色浆可与差不多全部的涂料体系相混容，涂料厂家可以较少的原料贮备制作各种类型的色漆，减少了贮运、管理各方面的麻烦。 提高涂料的贮存稳定性、减少浪
2、费。颜料 (填料 )润湿分散得不好，得到 的产品稳定性差，贮存一定时间后，会出现分层现象。轻者返粗，需要返工，增加损耗。颜、填料沉底，严重时会发硬、结块，导致涂料无法使用而报废。只要使用恰当的润湿分散剂，都会提高涂料贮存稳定性，防止颜料返粗、沉底等问题。 改善涂膜状态。使用润湿分散剂，使颜料分散得更好，可以提高颜料的着色力和遮盖力，改善涂料的流平性，增加光泽，使用控制絮凝的润湿分散剂还可以防止复色漆的浮色、发花现象。譬如现在国际上一些大公司生产的 钛白粉 ，其表面处理已做得非常好，研磨时甚至不加润湿分散剂也可能很快达到所要求的细度。但在配制灰色漆时，不加助剂的就可能会有发花现象，而加了助剂的就
3、会防止该现象的发生。 其它作用。最佳的颜料分散可以提高紫外线的吸收和反射能力，增加颜料的耐候性和耐化学药品性。 控制絮凝的润湿分散剂可使涂料成为假塑性流体，一般场合下，假塑性的流变行为是配方设计者所追求的，它可以防止施工时的流挂现象。 2 润湿分散剂的作用原理 前面已经 讲过，涂料生产过程的第一步就是研磨 以达到最佳颜料分散。 颜料有三种存在状态： 原始颗粒，即单个颜料晶体或一组晶体，粒径相当小； 凝聚体，以面相接的原始颗粒团，其表面积比其单个粒子组成之和小得多，再分散困难； 附聚体，以点、角相接的原始颗粒团，其总表面积比凝聚体大，但比单个粒子组成之和小，再分散较容易。如图 1 所示。 图 1
4、 附聚体和原始颗粒 颜料分散在基料里的过程可划分为三个阶段，即： 润湿。指颜料颗粒表面吸附的水分和空气等被基料所置换，进而润湿颜料颗粒表面。这里存在一个固气界面到固液界面的转换过程。 分散 (又叫研磨 )。指颜料聚集成的较大颗粒被机械打开或分离成原始颗粒或接近原始颗粒，其常用设备前面已介绍过。 稳定。指已润湿的颜料颗粒移至基料中使颗粒永久分离。 这三个阶段并非截然分开的，而是互相重叠进行的。如图 2 所示。 图 2 润湿和分散过程 (a)润湿； (b)分散； (c)稳定 润湿剂 可以促进基料对颜料聚集体的润湿，分散剂可以改进颜料分散体的稳定性。同一种产品常兼具润湿和分散双 重作用。基料渗入颜料
5、中的速度可用 Washbarne 公式表示： (1) 式中， v 表示润湿速度； K为常数； 表示基料的表面张力；口为接触角； R 表示颜料颗粒的间隙半径； L 为颜料颗粒的间隙长度； 表示基料的粘度； cos 为扩散压力。 对于固体的颜料来讲， R、 L 都是定值， 的改变范围 也比较小，要使润湿效率提高，缩小接触角是非常有效的，这就是使用润湿剂的意义。 颜料分散后，因为重力作用、布朗运动等，二次粒子可能会再度聚集成粒子团 这叫做絮凝。 DLV0 理论从理论上论述了絮凝动力学和分散体的稳定性。其主要观点为：电磁力使粒子互相吸引，静电力使粒子产生排斥，空间位阻也产生排斥力。颜料润湿分散剂可包覆
6、在颜料粒子表面。因离子的斥力或空间阻碍而防止粒子间互相接触，避免无控制絮凝现象，即返粗的发生。 3 润湿分散剂的选择和评价 随着国外涂料助剂陆续不断地推向中国市场，国内助剂生产厂家也日渐增多 ，这是一种好现象。但面对眼花缭乱、异彩纷呈的各种各样润湿分散剂，使用者不仅要选好合适的品种，还要找到恰到好处的用量，做到经济实惠，这就要注意选择原则和试验、评价方法。 (1)选用润湿分散剂应考虑的因素 尽管厂家不会详细地提供助剂的组成和制造工艺，一般厂家的说明书中都会讲到性能和应用。因此，通过阅读说明书、与厂家服务人员交流，基本上可以掌握某种助剂用于何处。对于涂料配方设计者来说，就要注意以下原则： 涂料体
7、系。涂料按介质不同划分为水性、 溶剂 型、粉末等几大体系。一般情况下，所用的润湿分散剂是不通用的。助剂提供者首先应介绍该助剂是用于水性的或是溶剂型，以与使用者的要求相吻合。如果用错，不仅起不到润湿分散效果，还会造成意想不到的弊病。 颜料。不同颜料其电荷性质不同，首先要分清是 无机颜料 还是 有机颜料 ；有机颜料中还要看是酞菁系列的还是炭黑。国际上一些大的公司产品已细化到某一颜料使用某一助剂达到最佳效果的地步，但大多数还只是通用，这就需要使用者逐渐试验，缩小范围来选择。 基料 (即树脂 )。不同的树脂体系对颜料的润湿性不同，因此对润湿分散剂的选择也有一些限制。 体系相容性。在一个涂料体系中，所使
8、用的助剂一般 不仅仅是润湿分散剂，可能还有流平剂、 消泡剂 等，这样相容性就极为重要。有些润湿分散剂的乳化性能较强，很可能会使消泡剂乳化而散失消泡能力。注意相容性，有利于配方平衡，使产品综合性能得以兼顾。 施工性。对于厚浆型立面施工的涂料，最好选用能产生控制絮凝、具有触变性的助剂，以达到良好的施工性能。 良好的价格性能比。在低价的产品中使用高质高价的 助剂，造成成本的大幅度上丹，是很不经济的。选用何种润湿分散剂，还要与产品的档次相一致，以求价格与性能的统一。 (2)分散效率的试验方法 试验的目的，在于从众多的润湿分散剂中选出最合适的品种并确定最佳用量。 在初步筛选时，可采用以下两种方法进行：
9、观察颜料粒子的重力沉降。用重力沉降法对分散剂效率进行初步筛选，十分简单易行。其方法是：将待选的分散剂极稀溶液装入一系列试管中，再加入一定而少量的待分散颜料，经猛烈摇动后，置于一旁，观察相对沉降速率、上层清液浊度及最终沉降体积 。相对沉降速率越小，上层清液浊度越大，最终沉降体积越小，说明分散效率越好。 测定颜料分散体的粘度。加入分散剂引起粘度大幅度下降是分散很实际的指标。使用该法可选择最佳的分散剂及其用量。方法是： a将待试的各种少量分散剂加入相同体积的漆料 (含有确定的高固体份的待分散颜料 )中，强烈搅拌后测定粘度，认为粘度最低时的分散剂最合适。 b在待试的高粘度颜料和漆料混合物中，边搅拌边滴
10、加选好的分散剂，每滴加一次，便测定粘度，确定得到最低粘度时的分散剂用量为最佳用量。 值得注意的是，并非分散剂用量越大，粘度会越 低。由于粘度的逆增长或平稳效应在分散剂浓度低时也常常表现出来，分散剂过量不仅会造成浪费，也会带来其它负作用。有时改变剪切速率测定粘度也有帮助。 润湿和分散助剂归属于研磨范畴，要使性质得到最佳展现，研磨的配方和组分投入的次序都会影响到研磨的质量。因此，要选出最佳分散剂及其用量，得到最佳的研磨配方和操作工艺，还要进行以下反复试验。 采用同样的研磨配方和工艺，选用同样用量、但品种不同的助剂，测定同样研磨时间的细度或达到同样细度时的研磨时间。一般认为，时间越短、细度越低的助剂
11、效果越好。 采用同样的研磨配方和工艺，选用同样助剂的不同用量、 测定同样研磨时间的细度或达到同样细度的研磨时间。一般认为，时间越短、细度越低的助剂用量效果越好。 采用同样的助剂和用量，改变研磨配方和投料次序，测定同样研磨时间的细度或达到同样细度的研磨时间。一般认为，时间越短潮度越低的配方和投料次序越合理。 (3)颜料分散质量的评定方法 所选用的润湿分散剂所达到的效果如何，可用以下方法进行评定： 测定细度。颜料在漆料中的分散程序一般是用 “刮板细度计 ”来测定的。 ASTM 之Dl2l0-64 和 GB T l7241979 规定了涂料工业常用细度计的测定程序。该方法所测定的是颜料分散体中存在的
12、最粗颜料粒子。不同的涂料产品，所应达到的细度指标是不同的。 “指擦 ”试验。对混合颜料 (复色漆 )的浮色发花行为应用 “指擦 ”试验来评估。 电子显微镜观察粒径分布和状态。利用电子显微镜可观察湿涂料中颜料的粒径分布和聚集状态，是否有絮凝、析出等现象，也可观察干涂膜中颜料的粒径分布和状态。 测定着色力和色相。测定分散色浆的着色力和色相可以确定颜料分散得好坏。 一般认为红色带黄相、黄色带绿相、绿色带蓝相、蓝色带红相时，颜料分散效果较好。 测定涂料的贮存稳定性。如果分散效果不好，贮存后粒子会形成絮凝，粘度增加。表明分散不完全，体系稳定性差。 涂膜的光泽和透明度。涂膜的光泽和透明度 (对透明颜料 )
13、是合适的稳定化作用的重要标志，可用来评估助剂的正确用量。颜料分散得好，涂膜表面粗糙度低、光的漫反射低、光泽高、透明度高。测定光泽可用光泽仪来测定，常用的有 20。 、 45。 、 60。 角光泽仪。透明度可用目测或用分光光度计检测。 4 品种和应用简介 (1)品种介绍 颜料润湿分散剂品种繁多，分类方法也多种多样。例如，按来源可分为天然的与合成的，按离子类型可分为阴离子、阳离子和非离子型。这里根据分子结构不同进行以下分类，并分别叙述。 聚合电解质类 (有机类 )。聚合电解质是一个大分子，部分或全部由具有可电离基团的单体构成。其特征是具有一个大离子的骨架和一当量数小而独立的、电荷相反的平衡离子。
14、该类分散剂多用于水性体系，对无机颜料的润湿分散作用比较好。 无机聚合碱盐类。常用的有聚磷酸盐和硅酸盐，是水性涂料广泛使用的离子型分散剂，浓度很小 即可分散多种无机颜料。国内常用的是六偏磷酸钠。 但是，资料表明使用聚磷酸盐有促进霉变、起霜、后增稠、返粗的缺陷，钠盐的起霜现象超过钾盐。 高分子聚合物类。 a天然高分子类：最具代表性的是卵磷脂，适用于溶剂型体系，对无机颜料和有机颜料的润湿分散都十分有效。 b合成高分子类：一般是长链聚酯的酸和多氨基盐、聚 丙烯 酸衍生物、聚醚衍生物等。如 BYK l60 系列，是高分子嵌段共聚物，适用于溶剂系统有机颜料的润湿分散。 下面将国内市场可得到的主要公司的润湿
15、分散剂的类型和应用列表说明 (表 1、表 2)。 表 1 溶剂型涂料用润湿分散剂 品 名 组成 生产商 应用场合 涂料颜料 推荐用量 W Disperbyk-110 含酸性基团 的共聚物 BYK Chemie 汽车漆、工业 漆钛白粉 0.5 O 8 品名 组成 生产商 应用场合 涂料颜料 推荐用量 W Disperbyk-130 不饱和聚羧 酸及聚BYK Chemie 丙烯酸、醇酸 烤漆炭黑 1 2 酰胺 Disperbyk-161 高分子嵌段 共聚物 BYK Chemie 一般工业漆 有机颜料 1 2 Anti-Terra-203 204 高分子聚羧 酸及聚酰胺 BYK Chemie 底漆无
16、机颜 料、膨润土 0.3 0.5 BYKPl04 不饱和聚羧 酸均聚体 BYK Chemie 面漆无机、有机颜料 0.3 0.5 Texaphor 聚羧酸胺盐 Cognis 工业漆无机、有机颜料 0.1 0.5 EFKA47 聚氨酯 EFKAAdditives 工业漆炭黑 1 2 EFKA Polymer-401 聚丙烯酸酯 EFKAAdditives 汽车面漆有 机、无机颜料 0.1 0.5 大豆卵磷脂 甘油脂肪酸 磷酸和胆碱 油脂厂 工业漆无机、有机颜料 0.1 0.5 928 高分子聚合 物 DEUCHEM 醇酸树脂、油 性涂 l41 有机颜料 0.1 0.5 DP-981 983 离分
17、子聚合 DEUCHEM 工业漆有机 颜料 0.1物 0.5 Fl08 磷酸酯盐 临安助剂化工公司 聚氨酯漆无 机颜料 0.3 0.8 Troysol 98c 脂肪胺 TROY Chem 工业漆无机、有机颜料 0.1 O 5 KS-273N 丙烯酸聚合 物加聚酯胺盐 DISPARLON 工业漆各类 颜料 0.2 1.0 表 2 水性涂料常用润湿分散剂 牌号 组成 生产商 使用场合 推荐用量 w SN-5040 阴离子聚羧基酸 Cognis 水性涂料、颜料色浆 1 2.5(对颜料量 ) BYK-154 丙烯酸聚合体 BYK Chemie 有光及半光乳胶漆，适用pH范围宽 1 5(对颜料量 ) BY
18、K-181 高分子嵌段共聚物 BYK Chemie 平光、半光和有光乳胶漆 可与 BYK 一 154合用 Tamol- S聚羧酸铵盐 Rohm&Hass 乳胶漆 1 5(对颜料量 ) G-1 Tamol- 731 二聚异丁烯顺丁烯二酸钠盐 Rohm&Hass 乳胶漆 1 5(对颜料量 ) Dispex 钠盐铵盐 ALLEED GOL- LODS 乳胶漆 1-5(对颜料量 ) 920 阴离子型 DEUCHEM 乳胶漆 0.5-5(对颜料量 ) 六偏磷酸钠 聚合电解质 天津北塘化工厂 乳胶漆 0.5 3(对颜料量 ) (2)应用实例 高分子型分散剂 DP983 在丙烯氨基烘漆中对炭黑的分散效果，见
19、表 3。可以看出，研磨料添加 2的 DP 一 983，分散 lh 即可达 8m。研磨浆粘度大幅度降低，所以漆膜光泽提高。 表 3 研磨料 % % 调 整 % % 丙烯 酸树脂 7150 50.0 50.0 Fw0200 高色素炭黑 10.0 10.0 DP 一 983 分散剂 一 2.0 稀释剂 40.0 38.0 研磨料 33.33 33.33 丙烯酸树脂 7150 36.67 36.67 G-821-60 氨基树脂 l2.70 12.70 稀释剂 12.22 12.22 以震荡式研磨机分散 物化性能 细度 m 1h 50 8 2h 14 5 粘度 /mPa.s(10r min) 4136
20、198 光泽 (60。 ) 93.9 94.2 黑度 差 佳 硬度 2H 2H 附着性 l00 l00 l00 100 德谦 903 在灰色色漆中防发花的效果，见图 3。可以看出，当灰色漆有发花现象时，后添加 0 3的 903，可以解决此问题。 图 3 色漆添加 0 3的 903 效果图 943 颜料分散剂对酞菁蓝醇酸清漆体系分散稳定性的影响。按表 4 配比研磨到细度5m，测定表观粘度，参见图 4。 分散剂 /% 图 4 分散剂浓度对表观粘度的影响 (剪切速率 93s-1) 从图 4 中可以看出， 943 颜料分散剂的加入可显著降低体系的粘度，但随着分散剂浓度的增加，粘度出现逆增长。 DAl6
21、8 分散剂对 CabotBPl300 炭黑的分散效果。 CabotBPl300 在豆油中用三辊机研磨，加和不加 DAl68 分散剂测定研磨不同遍数和贮存两星期后的细度，结果如表 5、表 6。 表 4 酞菁蓝研磨色浆的配比 单位： g 试样号 T一 0 Tl T一 2 T一 3 T一 4 T一 5 45醇酸清漆 酞菁蓝 甲苯 943 分散剂 (50溶液 ) 422 60 18 0 422 60 17.5 0.422 60 16.5 422 60 15.5 422 60 14.5 42 芝 60 13.5 5 1.5 2.5 3.5 4 5 表 5 Cabot 炭黑在豆油中分散情况 (三辊机研磨
22、) 炭黑在豆油中 第一遍炭黑粒度 第二遍炭黑粒度 第三遍炭黑粒度 无助剂 一般粒度 l3m，少量 5m 一般粒度 0.5m，少量 1 3m，大量气泡 一般粒度 0.020.03m，少量 l 2m，大 量气泡 DAl68 炭黑分散剂 一般粒度0.1m，少量 l 2m 一般炭黑已分散，少量 0.05 1m，大量气泡 一般炭黑已分散，少量 0.02m，大量气泡 表 6 二星期后观察炭黑聚凝。溶胀返粗情况 三辊机研磨后 第一遍炭黑粒度 第二遍炭黑粒度 第三遍炭黑粒度 无助剂 一般粒度 0.5 5m，大颗粒增密 且多，出现溶胀大 硬聚集体 一般粒度 l3m，大颗粒增密增多，少量 5m，结构紧密，气泡增多增大 一般粒度 l3m，少量 5m，溶胀均匀，结构紧密，气泡增大 DAl68 炭黑分散剂 一般粒度 l3m，少量 4m，密 度增高
