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水性涂料及油墨中最常用的助剂有以下几种,这里就分别就他们的原理和应用做一些简单的介绍:

一、润湿、分散剂

二、消泡剂

三、增稠剂

润湿、分散剂

润湿和分散是涂料或油墨制备的重要工艺过程,润湿分散剂是它们最重要的原料之一,合理利用润湿分散剂能提升整个产品的质量,赋予产品更优异的性能,才能均衡各项指标。

水性涂料或油墨是以水为溶剂或分散介质,以高分子聚合物为分散相,形成的非均相体系,由于水的介电常数大,即极性大,该体系在热力学上是一个亚稳态体系,为了使体系达到足够的稳定周期以满足实际使用要求,往往需要添加一些助剂以获得期望的稳定性。

对于水性涂料或油墨,最主要提供稳定作用的助剂是润湿剂和分散剂,其稳定机理主要有两种:一种是通过双电层重叠时的静电斥力来稳定,另一种是通过吸附在高聚物和颜填料表面上,形成空间位阻来稳定。通常水性涂料和乳液均是以静电斥力和空间位阻二者共同作用而达到稳定结果的。对于以静电斥力稳定为主的体系,其明显缺点是抗电解质能力差,尤其是对高价的电解质。基于上述两种稳定机理,常用润湿剂可分为阴离子型和非离子型,阴离子型以静电斥力来稳定体系,非离子型以空间位阻来稳定。涂料用户通常使用非离子润湿剂来润湿颜填料,改善施工性和涂覆适应性,以及提高展色性并减少浮色发花等问题。阴离子润湿剂越来越多地应用在水性多彩体系中来提高彩点性能并提高体系稳定性。

湿润剂的用量一般为千分之几。过量的使用会降低涂膜的耐水性并会导致气泡问题。水性涂料中目前普遍使用高分子聚合物分散剂,相较于无机小分子分散剂,其具有更好的分散稳定性和长效性以及更优异的漆膜性能。聚合物分散剂可分为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。多元酸均聚物分散剂市场大多是甲基丙烯酸均聚物,这类分散剂又分为均聚物钠盐和均聚物铵盐。多元酸共聚物分散剂,有疏水改性和亲水改性两类,也可以区别为铵盐和钠盐。这二类分散剂的特点是,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,以达到稳定的结果。要使分散剂具有良好的分散性,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。

近些年来,分散剂的研究克服了高分子量会产生絮凝的问题,向高分子量发展是其趋势之一。

分散包括三个过程1.润湿:液体对固体表面的良好润湿。2.解絮凝:颜填料粒子在贮存的过程中,会因为范德华力相互聚集成为聚集体,需要分散剂的作用使粒子均匀分布形成悬浮体而不再絮凝。3.稳定:颜填料分散之后,使其在无外力影响的情况下能处于稳定均匀的悬浮状态。

分散剂发生作用的前提是在颜填料表面的吸附。分散剂吸附在颜料粒子上使其表面带电,并在粒子周围形成双电层,利用同种电荷的排斥力,使粒子保持稳定。无机分散剂,如多聚磷酸盐、羟基胺等,可以达到这一目的。但其只有一个吸附点,容易脱附。高分子分散剂吸附在颜填料表面,也会使表面电荷密度增大,使粒子稳定。

分散剂吸附在颗粒表面,当吸附层达到一定厚度时(8~9nm),其排斥力足以保护粒子不致聚集。高分子分散剂吸附于颜料表面,可以形成厚达50nm的吸附层,而且聚合物有多个吸附点,可以此下彼上,不会脱离颜料,从而可以很好的起保护作用。

分散剂是在颜料的分散过程中帮助润湿,降低浆料粘度使分散容易,并且使分散后的颗粒稳定地悬浮在液体中的助剂,故选择合适的分散剂,对涂料的展色性、体系稳定性、相容性等性能的提高有很大帮助。

分散剂对体系稳定性的影响

分散剂活性基团一端能吸附在粉碎成细小微料的颜料表面,另一端进入漆基形成吸附层(吸附基越多,链节越长,吸附层越厚),产生电荷斥力,使颜料粒子长期分散悬浮于漆基中,避免再次絮凝,因而保证制成的色漆体系的贮存稳定。

分散剂对展色性能的影响

色浆分散不好,色浆中的颜料絮凝体与基料中的白色颜料、填料颗粒有比较明显的迁移性差异,致使颜料絮凝体不再均匀分布,从而导致浮色发花。解决方法:加入合适的分散剂后,分散剂与颜料粒子紧密吸附,颜料粒子粒径分布范围更窄,不断降低着色颜料粒子的絮凝程度,从而改善其展色性。

分散剂对体系相容性的影响

聚合物分散剂可以提高颜料浓度,不仅增加产量,而且减少从研磨色浆直到最终产品中潜在的介质不相容性问题。解决方法:选择含有颜料相容基团的分散剂可以减少或避免相容性的问题。

分散剂对涂膜耐水性的影响

某些分散剂要达到效率高的要求,会使用亲水的物质,而这些亲水的物质留在漆膜中从而会导致漆膜耐水性变差。解决方法:选择疏水或亲水改性分散剂,能减少亲水物质在漆膜中的余留,有助于提高涂膜的耐水性。

分散剂对涂膜耐雨痕性的影响

同上,耐水性不好的漆膜当遇有小雨或雾水天气时,少量水附着在漆膜表面,长时间后,造成亲水性物质迁移并富集于漆膜表面,而其流过的地方,干燥后就会变成条状的高光泽的痕迹。解决方法:使用疏水性的共聚物分散剂,使涂膜具有更好的疏水性,减少涂膜的吸水性,有效阻止表面活性剂的迁移。

要选择合适的润湿分散剂,则要考虑以下因素:

1.涂料系统的极性:低、中、高2.涂料类型:底漆、面漆、底色漆3.颜料类型:有机、无机、炭黑、效应颜料4.比表面及化学表面的酸碱性5.共研磨或单研磨6.有无研磨树脂。

确定最佳分散剂的用量

分散粒子的稳定性跟分散剂的用量有关,用量少,体系不会处于最稳定的状态,用量多,则会由于双电层电性中和引起排斥力下降而导致颜料粒子絮凝,所以实际上分散剂在体系的添加有一个最佳值。

消泡剂

泡沫是空气在液体介质中形成的稳定分散体,在液体中混入了具有表面活性物质后就会形成稳定泡沫,涂料都不是单一组分,配方中的众多成分必然带来一些表面活性物质,使得涂料中产生稳定泡沫,所以消泡剂是水性漆必须使用的助剂之一。

起泡和消泡过程包括三个方面:气泡在液体内部的产生;气泡在液相中的上升,迁移到液体表面;在液相表面的气泡破裂。由气泡形成和稳定过程可知,阻止空气混入液体,加速混入气泡的合并变大并上升至液面,从而促使气泡迅速破裂就是消泡的整个过程。减少和阻止气泡产生的过程称为抑泡,气泡在液体中合并并上升至液体表面的过程为脱泡,气泡在液面破裂则为消泡或破泡,故也有抑泡剂,脱泡剂和破泡剂之分,统称为消泡剂。

由消泡剂的消泡机理和应用要求可知消泡剂应具有以下特性:

1.消泡剂表面张力要小于待消泡体系的表面张力

2.在要消泡体系中的溶解度要尽量小

3.要有良好的渗透能力

4.对体系稳定,不会产生其它副作用,如气味小,毒性低,对漆的生产、储存、施工性均无影响。

消泡剂一般分为:

① 矿物油类——优异的消泡能力和消泡效果的持久性,相容性好,不易产生缩孔。

② 有机硅类——消泡能力强,不影响体系光泽,使用浓度低且对人和环境基本无毒。

③ 聚合物类——抑泡时间长、效果好、消泡速度快、热稳定性好等特点。

由于涂料配方的复杂和多变性,选择合适的消泡剂对涂料的性能如储存稳定性及施工性等相当重要,还需注意的是消泡剂的选择也要考虑对应乳化体系以及树脂体系的配伍性。

增稠剂

涂料从制备到成膜由制造、贮存、施工、流平四个过程组成。在不同过程中,对涂料体系粘度的要求也不同,主要是指涂料静置时的增黏和涂装时的流平,即涂料贮存稳定,不分层,不沉淀,施工时有良好的流动性和流平性,流平后又不会产生流挂。要满足不同过程中不同的粘度要求,增稠剂的选择就显得尤为重要。

增稠剂是使体系的粘度增加的助剂,在低剪切速率下它能使体系粘度增加,而在高剪切速率时对体系的粘度影响很小。它对涂料的增稠、稳定及流变性能,起着多方面的改进调节作用。

生产便利性,在乳液聚合过程中作保护胶体、提高乳液的稳定性。在颜料、填料的分散阶段,提高分散物料的粘度而有利于分散。贮存稳定性。将涂料中的颜料、填料微粒包覆在增稠剂的单分子层中,并由于稠度的增加,改善了涂料的稳定性,防止颜填料的沉底结块,水分分离。施工性。能调节涂料的粘稠度,并呈良好的触变性,在滚涂及刷涂的高剪切率下,粘度下降而不费力。在涂刷后,剪切力消除,则恢复到原来的粘度,使厚膜不流挂,沾漆时不滴落,滚涂时不飞溅。耐水性和耐化学性能,成膜后减少漆膜起泡,失光,变色,这直接关系漆膜的使用寿命。

增稠剂选择时需考虑因素

增稠效率配方匹配性(乳液类型、其他助剂类型)性能要求(贮存稳定性、耐水性、施工性等)涂料类型–高光、半光、亚光、平光经济性。

增稠剂有多种多样,目前常用的是纤维素醚及其衍生物类增稠剂、缔合型碱溶胀增稠剂(HASE)和聚氨酯缔合型增稠剂(HEUR)。

纤维素醚及其衍生物

目前,纤维素醚及其衍生物类增稠剂主要有羟乙基纤维素(HEC)、甲基羟乙基纤维素(MHEC)、乙基羟乙基纤维素(EHEC)、甲基羟丙基纤维素(MHPC)、甲基纤维素(MC)和黄原胶等,这些都是非离子增稠剂,同时属于非缔合型水相增稠剂。其中在乳胶漆中最常用的是HEC。疏水改性纤维素(HMHEC)是在纤维素亲水骨架上引入少量长链疏水烷基,从而成为缔合型增稠剂,其增稠效果可与分子量大得多的纤维素醚增稠剂品种相当,它提高了ICI粘度和流平性,降低了表面张力,如HEC的表面张力约为67mN/m,HMHEC的表面张力为55-65mN/m。

碱溶胀型增稠剂

碱溶胀增稠剂分为两类:非缔合型碱溶胀增稠剂(ASE)和缔合型碱溶胀增稠剂(HASE),它们都是阴离子增稠剂。非缔合型的ASE是聚丙烯酸盐碱溶胀型乳液。缔合型的HASE是疏水改性的聚丙烯酸盐碱溶胀型乳液。使用这两类增稠剂的时候要注意增稠效率、储存稳定性以及流平性之间的平衡,好的增稠剂通常能把这些性能因素综合优化。

聚氨酯增稠剂和疏水改性非聚氨酯增稠剂

聚氨酯增稠剂简称HEUR,是一种疏水基团改性的乙氧基聚氨酯水溶性聚合物,属于非离子型缔合增稠剂。HEUR是由疏水基团、亲水链和聚氨酯基团三部分组成。疏水基团起缔合作用,是增稠的决定因素,通常是油基、十八烷基、十二烷苯基、壬酚基等。亲水链能提供化学稳定性和粘度稳定性,常用的是聚醚,如聚氧乙烯及其衍生物。HEUR分子链是通过聚氨酯基团来扩展的,所用聚氨酯基团有IPDI、TDI和HMDI等。缔合型增稠剂的结构特点是疏水基封端。但有些市售HEUR两端疏水基取代度低于0.9,最好的也只1.7。应严格控制反应条件,以获得分子量分布窄的和性能稳定的聚氨酯增稠剂。大多数HEUR是通过逐步聚合法合成的,因此市售HEUR一般是宽分子量的混合物。

除了上面介绍的线性缔合型聚氨酯增稠剂,还有梳状缔合聚氨酯增稠剂。所谓梳状缔合聚氨酯增稠剂是指每个增稠剂分子中间还有垂挂的疏水基。

疏水改性氨基增稠剂(hydrophobicallymodifiedethoxylatedaminoplastthickener—HEAT)将特种氨基树脂变成可接4个封端疏水基,但这四个反应点的活性是不一样的。在正常的疏水基加量时,也只有2个接上封端疏水基,这样合成的疏水改性氨基增稠剂和HEUR没有多大区别。当然,这也是一种梳状增稠剂。这种疏水改性氨基增稠剂能防止配色时因加入色浆,带入大量表面活性剂和二醇类溶剂,而造成涂料粘度下降问题。原因是强疏水基能阻止解吸以及多疏水基有强缔合作用。

疏水改性聚醚增稠剂(HMPE)性能与HEUR相似。还有一类改性聚脲增稠剂的增稠机理是既有氢键的作用,也有端基的缔合作用。与一般增稠剂比较,它的防沉降和抗流挂性能好。根据端基的不同极性,改性聚脲增稠剂可分为三种:低极性聚脲增稠剂、中极性聚脲增稠剂和高极性聚脲增稠剂。前二种用于溶剂型涂料增稠,而高极性聚脲增稠剂既可用于高极性溶剂型涂料中,也可用于水性涂料增稠。

另外片状填料,为了达到固化后取向或者固化后高光泽度,除了树脂本身的影响很大,通过添加触变剂也会调整出不错的效果。

对比一下常用的蜡类防沉触变剂。

聚酰胺蜡是由二元酸和二元胺通过缩聚反应而制得的低分子量蜡,再通过低温活化制得的浆体。聚乙烯蜡浆是由改性聚乙烯蜡通过溶胀、冷却而制得的预凝胶体。

使用防沉触变助剂的目的就是为了方便的调整不同流体的粘度:如将牛顿性流体、假塑性流体调整为触变性流体,使涂料体系能够在施工时有较低的粘,利于涂膜流动,在储存或者成喷涂后,有较高粘度,从而方便防此颜填料的沉降以及防止涂膜不能流挂。基于以上目的,市面上有七种以上不同物质来改变粘度,气相二氧化硅、聚乙烯蜡浆、聚酰胺蜡浆、膨润土、改性篦麻油、缩脲化合物、聚氨酯缔合型等。

聚乙烯蜡浆是一种胶体,通过高剪切力解絮凝、来达到一个活化的、分散的胶体状态、他的优点是防止硬沉淀,对光泽影响少,粘度稳定性好,对温度不怎么敏感。

聚酰胺蜡中含有丰富的羟基和酰胺基,能形成强烈的氢键化学力,形成网络状结构,从而提高体系粘度来达到防沉和防流挂,每个聚酰胺蜡都相互缠绕形成针状的网络结构,当有外来应力施加时,网络结构就破碎变成单个的针状独立结构,当外来应力或剪切力消失时,他们又重新形成一个缠绕的网络结构。

增稠性触变性防沉降性抗流挂性光泽性储存稳定性不返粗

聚乙烯蜡EDBEABB

聚酰胺蜡AAAABAB

A代表好、E代表差

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