水性钛白浆(一种水性高分子润湿分散剂在水性涂料中的应用)

Posted 2023-05-30

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水性钛白浆(一种水性高分子润湿分散剂在水性涂料中的应用)

1. 引言

在低碳经济时代的背景下，人们开始越来越重视环境保护，同时政府也在逐步加强对环境的监管力度。《中国十三五计划》将“绿色”作为五大发展理念之一，各项相关政策也相继出台。从2015年开始，中央开始对VOC含量高于420g/L的涂料征收消费税后，各地方政府也纷纷开始限制VOC的使用。种种措施使得涂料行业逐步由溶剂型涂料转向使用环保涂料，从而使得水性涂料在各应用领域例如木器涂料、汽车涂料、集装箱涂料、防腐涂料的市场份额逐渐攀升。为了配合水性涂料配方的开发，高性能水性涂料的相关助剂的研究也在如火如荼地进行。

颜料的润湿与分散效果对于有色涂料的性能存在至关重要影响，分散良好的浆料流动性佳，颜料粒径较小，在研磨浆料时可以提高颜料含量，增进研磨效率，应用在色漆中可以提高漆膜光泽与着色效果，能让透明颜料更加透明而不透明颜料的遮盖力更佳，从而相对减少色漆中颜料用量，整体来说可以降低涂料的制造成本。本文通过对颜料的形态及粒径以及润湿分散剂对颜料的稳定机理的阐述介绍了一种水性高分子超分散剂。

2. 颜料的形态及粒径

通常情况下，颜料的粒径一般在0.05μm到1mm之间,分布很宽。但研究表明，如果颜料的粒径在0.05～0.5μm时，着色力、光泽和遮盖力等可达到最佳。图1显示了不同颜料粒径的对比。

图1 不同颜料粒径对比

我们将颜料制造过程中形成的最小粒子称为原始粒子，它以单晶体或者一组晶体存在，粒径非常小。而原始粒子之间以面和面相结形成的团块，称为聚集体，聚集体比较紧密，一般的分散设备很难将其分散成原始粒子。而原始粒子和聚集体通过范德华力结合在一起，形成的较大颜料粒状团块，称为附聚体。附聚体粒子之间以点、边、角相接触，粒子间作用力小，可通过机械的力量将其分散成原始粒子或聚集体，见图2。

图2 颜料的附聚体、聚集体和原始粒子

理想情况下，我们希望颜料分散后成为原始粒子的悬浮液，但是，实际上这是很难达到的，一般情况下分散后只能得到聚集体和原始粒子的悬浮液。由于体系的变化趋势是从高能态恢复到低能态，所以微细颗粒分布的颜料容易聚集成絮凝体。从结构上来看，絮凝体与附聚体非常相似，但絮凝体中颜色之间是树脂溶液而不是空气。合理地使用分散剂可以阻止或者减缓絮凝的发生。

3. 颜料的分散过程

颜料的分散过程由润湿、分散、稳定3个步骤组成。润湿过程中，分散剂渗透进附聚体的空间，颜料表面的的空气和潮气被分散剂所替换，固／气两相(颜料／空气)被转换成固／液两相(颜料，分散剂溶液)。分散过程中，通过机械能(撞击和剪切力)，颜料附聚体破裂，粒度随之减小。第三步是稳定的过程，分散剂用于保持颜料分散状态的稳定，阻止失控的絮凝，并依据颜料表面所吸附的分散剂的种类和分子结构，促使悬浮液获得不同程度的稳定状态。

4. 润湿分散剂对颜料的稳定机理

润湿分散剂稳定分散颜料的机制基本上有电荷斥力与空间位阻二种。在水性涂料中电荷斥力是常见且有效的稳定机制，聚电解质类的分散剂如聚丙烯酸盐类分散剂或是疏水改性的聚羧酸盐类分散剂，可以在颜料表面提供稳定的双电层，让颜料粒子因为电荷斥力无法接近而避免絮凝（如图3），但是这类分散剂的化学结构无法对颜料产生润湿效果，往往必须搭配界面活性剂类的润湿助剂来使用，而这些小分子的界面活性剂也可利用空间位阻来产生一定的稳定分散效果（如图4）。

图3 分散剂的电荷斥力稳定机理

图4 分散剂的空间位阻稳定机理

在水性涂料中，乳液树脂也具有电荷相斥的稳定机制，聚电解质类分散剂可以适时地发挥效果，搭配润湿助剂可提供良好的颜料润湿分散效果。但是电荷稳定机制取决于双电层的厚度，如果体系中含有多价离子的盐类物质，则会降低双电层厚度进而破坏颜料的稳定机制，而小分子型的润湿剂对颜料的吸附效果与空间位阻效果较弱，在一些水性涂料中的应用则整体表现较差。

针对上述情况，江西省龙海化工有限公司自主研发的190A是一款高效的水性高分子型分散剂，完全不含VOC和溶剂，用于水性涂料中的颜料润湿与分散，其结构特征在于特殊的多元颜料亲和基团和亲水高分子链段。190A超分散剂不同于小分子分散剂的单点吸附，多元颜料亲和基团可在颜料表面形成牢固的吸附层，使高分子分散剂不易和颜料脱附，能够提供长效的保护；同时，亲水高分子链段伸展在水中，比小分子分散剂提供更多的空间位阻，使高分子分散剂在颜料表面形成厚实的保护层，进一步避免了颜料粒子互相接近而絮凝（如图5）。

另外，水性高分子型分散剂的稳定机理不同于聚电解质分散剂，其稳定分散效果不受到体系中的电解质盐类所影响，其本身的双亲结构又可以提供颜料的润湿效果，不必额外添加润湿剂，涂料配方设计时不需考虑分散剂与润湿剂的比例，仅需找出高分子分散剂的最适添加量即可，大幅减少涂料配方设计的复杂度。