涂料助劑

第一節(jié)   概  述

       隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們對(duì)工業(yè)界的無名英雄－涂料也提出了更高要求，涂料助劑在其中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，其理論研究、開發(fā)與應(yīng)用日益為人們所重視。涂料助劑可以改進(jìn)生產(chǎn)工藝，提高生產(chǎn)效率，改善貯存穩(wěn)定性，改善施工條件，防止涂料病態(tài)，提高產(chǎn)品質(zhì)量，賦予涂膜特殊功能，雖然用量很低（一般不超過總量的1%），但已成為涂料不可或缺的重要組成部分。涂料的發(fā)展對(duì)涂料助劑的研究和應(yīng)用提出了更高的要求，也提供了巨大的市場(chǎng)機(jī)會(huì)，涂料助劑的研究和應(yīng)用亦極大地推動(dòng)了涂料的發(fā)展，擴(kuò)大了其應(yīng)用領(lǐng)域，二者相得益彰。

       涂料助劑品種繁多，應(yīng)用廣泛，無論是建筑涂料、工業(yè)涂料還是功能性涂料，無論是溶劑型涂料、水性涂料、高固體份涂料還是粉末涂料都必須使用助劑才能得到預(yù)期的性能和滿足最終的性能要求，在涂料生產(chǎn)和應(yīng)用的各個(gè)階段：樹脂合成、顏填料分散研磨、涂料貯存、施工都需要使用助劑。它可以控制樹脂的結(jié)構(gòu)、調(diào)整樹脂的分子量大小和分布、提高顏料分散效率、改善涂料施工性能、賦予涂膜特殊功能。涂料助劑以涂料樹脂化學(xué)和物理為基礎(chǔ)和核心內(nèi)容，同時(shí)又與高分子科學(xué)前沿、流變學(xué)、色彩學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)、生物學(xué)以及仿生學(xué)等緊密聯(lián)系，是一門正蓬勃發(fā)展的交叉學(xué)科和邊緣技術(shù)。

涂料助劑按照其使用和功能可分為以下幾類：

各種界面張力的作用關(guān)系可以用楊氏方程表示：

γ液-氣cosθ = γ固-氣 — γ固-液     (11-1)

式中 γ液-氣：液體、氣體之間的界面張力

        γ固-氣：固體、氣體之間的界面張力

        γ固-液：固體、液體之間的界面張力

         θ：     固體、液體之間的接觸角

Dr.A.Capelle 等指出：潤(rùn)濕效率BS=γ固-氣—γ固-液 , 即BS = γ液-氣cosθ

由此得出：接觸角越小，潤(rùn)濕效率越高。Washborre 用下式表示了潤(rùn)濕初始階段的潤(rùn)濕效率：

 

 

式中，K為常數(shù)；γF1為基料的表面張力；θ為接觸角（基料/顏料界面）；r為顏料粒子的間隙半徑；為顏料粒子間隙長(zhǎng)度； 為基料的粘度。

式（11-1）和（11-2）表明，配方固定后，降低基料粘度和使用潤(rùn)濕劑來降低顏料和基料之間的界面張力以縮小接觸角可以提高潤(rùn)濕效率，但基料粘度的降低有一定限度，所以使用潤(rùn)濕劑是常用的手段。

 

       顏料充分分散后，由于受到重力和熱力學(xué)因素的影響往往會(huì)發(fā)生沉降、團(tuán)聚，需要使用分散劑穩(wěn)定分散體系。關(guān)于顏料分散體系穩(wěn)定機(jī)理基本上有3個(gè)，即DLVO擴(kuò)散雙電層機(jī)理、空間位阻穩(wěn)定機(jī)理、靜電空間穩(wěn)定機(jī)理。

  

       DLVO擴(kuò)散雙電層機(jī)理又稱靜電穩(wěn)定機(jī)理，分散體系中顏料粒子表面帶有電荷或者吸附離子，產(chǎn)生擴(kuò)散雙電層，顏料粒子接近時(shí)，雙電層發(fā)生重疊產(chǎn)生靜電斥力實(shí)現(xiàn)顆粒的穩(wěn)定分散，調(diào)節(jié)PH值或加入電解質(zhì)可以使顆粒表面產(chǎn)生一定量的表面電荷，增大雙電層厚度和顆粒表面的Zeta電位值，使顆粒間產(chǎn)生較大的排斥力。

 

       空間位阻穩(wěn)定機(jī)理是指不帶電的高分子化合物吸附在顏料粒子表面形成較厚的空間位阻層，使顆粒間產(chǎn)生空間排斥力，從而達(dá)到分散穩(wěn)定的目的。

靜電空間穩(wěn)定機(jī)制是指在顏料粒子的分散體系中加入一定的高分子聚電解質(zhì)，使其吸附在粒子表面，聚電解質(zhì)既可通過所帶電荷排斥周圍粒子，又通過空間位阻效應(yīng)阻止顏料粒子的團(tuán)聚，從而使顏料粒子穩(wěn)定分散。

 

三、常用潤(rùn)濕分散劑

 

       潤(rùn)濕分散劑按分子量劃分，可分成低分子量的和高分子量的。低分子量的潤(rùn)濕分散劑一般指分子量在數(shù)百以下的低分子量化合物，高分子量的潤(rùn)濕分散劑是指分子量在數(shù)千乃至幾萬(wàn)、并具有表面活性的高分子量化合物。

低分子量的潤(rùn)濕分散劑通常為表面活性劑，可分為離子型的和非離子型的。離子型的又可分為陽(yáng)離子型，陰離子型和兩性的表面活性劑，另外還有一種電中性的表面活性劑。

高分子量潤(rùn)濕分散劑是指分子量在數(shù)千乃至幾萬(wàn)的具有表面活性的高分子化合物。分子中必須含有在溶劑或樹脂溶液中能夠溶解伸展開的鏈段，發(fā)揮空間穩(wěn)定化作用。分子中還必須含有能夠牢固地吸附在顏料粒子表面上的吸附基團(tuán)。

 

       常用潤(rùn)濕分散劑見下表：

 

四、潤(rùn)濕分散劑在涂料中應(yīng)用

 

       潤(rùn)濕分散劑主要是在界面處發(fā)揮作用，以吸附層形式覆蓋在固體粒子的表面上，可以改變顏料的表面性質(zhì)，用于顏料改性方法。在生產(chǎn)過程中節(jié)省時(shí)間及能源，提高效率，由于顏料分散穩(wěn)定，提高了涂料貯存的穩(wěn)定性并且顏料的著色力和遮蓋力得以提高，還利于增加涂膜的光澤、降低色漿的粘度從而改善了涂料的流平性，取得防止浮色、流掛、沉降效果，提高涂膜的物化性能。

 

       涂料是一個(gè)多相的分散體，在顏料表面上會(huì)發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)吸附。如何選擇潤(rùn)濕分散劑及其使用方法是十分重要的。分散劑和穩(wěn)定鏈必須溶在樹脂溶液中才能自由伸展，構(gòu)成一定厚度的吸附層，如果與 樹脂溶液不相容，在這種貧溶劑中分散劑雖然能吸附在顏料的表面上，但其穩(wěn)定鏈?zhǔn)球榭s的，不能自由伸展，形成的吸附層會(huì)很薄，這樣就不能充分發(fā)揮高分子分散劑的作用，試驗(yàn)證實(shí)，相容性不好，會(huì)影響顏料的分散效率及涂料性能。

 

       每種顏料一個(gè)特定的分散體系中都存在一個(gè)最佳的濃度值，這個(gè)最佳值跟顏料的比表面積，吸油量，最終要求的細(xì)度，研磨時(shí)間和色漿中所用樹脂聚合物的特性有關(guān)。要根據(jù)這些條件經(jīng)過實(shí)驗(yàn)而確定。

 

       另外還需要考慮與其它助劑的配伍性 ，對(duì)體系穩(wěn)定性的影響，反應(yīng)活性等。

 

五、潤(rùn)濕分散劑的性能評(píng)價(jià)

 

       潤(rùn)濕分散劑的性能可以通過顏料的分散質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，通常采用以下方法測(cè)定顏料分散程度：

刮板細(xì)度計(jì)是測(cè)量顏料分散情況的一種簡(jiǎn)單的方法，但它只表示大的顏料凝聚體，反映不出顏料分散質(zhì)量的真實(shí)情況以及粒徑的分布和粒子的狀態(tài)，由于此速度快，在生產(chǎn)中被廣泛采納。

       電子顯微鏡可以直觀地看到粒徑的分布、粒子的狀狀態(tài)以及潤(rùn)濕分散劑在粒子表面上的吸附形態(tài)，覆蓋程度等，但是效率低、成本高，現(xiàn)在主要應(yīng)用于理論研究。

       光譜分析可以分析出顏料粒子表面發(fā)生的變化，活性劑在顏料表面吸附的情況，但和電子顯微鏡一樣主要應(yīng)用于理論研究。

顏料分散得好，涂膜表面的粗糙度低，比較平整、光的漫反射低、光澤高。否則涂膜表面光的漫反射程度高、光澤低。所以測(cè)量涂膜的光澤高低可以用來判斷顏料分散的好壞。此外還可以利用著色力和色相以及涂料的貯存穩(wěn)定性來測(cè)定分散的情況。