涂料助劑

第一節   概  述

       隨著我國國民經濟的發展和科學技術的進步，人們對工業界的無名英雄－涂料也提出了更高要求，涂料助劑在其中發揮了關鍵作用，其理論研究、開發與應用日益為人們所重視。涂料助劑可以改進生產工藝，提高生產效率，改善貯存穩定性，改善施工條件，防止涂料病態，提高產品質量，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。涂料的發展對涂料助劑的研究和應用提出了更高的要求，也提供了巨大的市場機會，涂料助劑的研究和應用亦極大地推動了涂料的發展，擴大了其應用領域，二者相得益彰。

       涂料助劑品種繁多，應用廣泛，無論是建筑涂料、工業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期的性能和滿足最終的性能要求，在涂料生產和應用的各個階段：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構、調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和物理為基礎和核心內容，同時又與高分子科學前沿、流變學、色彩學、電學、磁學、力學、生物學以及仿生學等緊密聯系，是一門正蓬勃發展的交叉學科和邊緣技術。

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，潤濕效率越高。Washborre 用下式表示了潤濕初始階段的潤濕效率：

 

 

式中，K為常數；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濕效率，但基料粘度的降低有一定限度，所以使用潤濕劑是常用的手段。

 

       顏料充分分散后，由于受到重力和熱力學因素的影響往往會發生沉降、團聚，需要使用分散劑穩定分散體系。關于顏料分散體系穩定機理基本上有3個，即DLVO擴散雙電層機理、空間位阻穩定機理、靜電空間穩定機理。

  

       DLVO擴散雙電層機理又稱靜電穩定機理，分散體系中顏料粒子表面帶有電荷或者吸附離子，產生擴散雙電層，顏料粒子接近時，雙電層發生重疊產生靜電斥力實現顆粒的穩定分散，調節PH值或加入電解質可以使顆粒表面產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，使顆粒間產生較大的排斥力。

 

       空間位阻穩定機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，使顆粒間產生空間排斥力，從而達到分散穩定的目的。

靜電空間穩定機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，使其吸附在粒子表面，聚電解質既可通過所帶電荷排斥周圍粒子，又通過空間位阻效應阻止顏料粒子的團聚，從而使顏料粒子穩定分散。

 

三、常用潤濕分散劑

 

       潤濕分散劑按分子量劃分，可分成低分子量的和高分子量的。低分子量的潤濕分散劑一般指分子量在數百以下的低分子量化合物，高分子量的潤濕分散劑是指分子量在數千乃至幾萬、并具有表面活性的高分子量化合物。

低分子量的潤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。

高分子量潤濕分散劑是指分子量在數千乃至幾萬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，發揮空間穩定化作用。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。

 

       常用潤濕分散劑見下表：

 

四、潤濕分散劑在涂料中應用

 

       潤濕分散劑主要是在界面處發揮作用，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，用于顏料改性方法。在生產過程中節省時間及能源，提高效率，由于顏料分散穩定，提高了涂料貯存的穩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。

 

       涂料是一個多相的分散體，在顏料表面上會發生競爭吸附。如何選擇潤濕分散劑及其使用方法是十分重要的。分散劑和穩定鏈必須溶在樹脂溶液中才能自由伸展，構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，但其穩定鏈是蜷縮的，不能自由伸展，形成的吸附層會很薄，這樣就不能充分發揮高分子分散劑的作用，試驗證實，相容性不好，會影響顏料的分散效率及涂料性能。

 

       每種顏料一個特定的分散體系中都存在一個最佳的濃度值，這個最佳值跟顏料的比表面積，吸油量，最終要求的細度，研磨時間和色漿中所用樹脂聚合物的特性有關。要根據這些條件經過實驗而確定。

 

       另外還需要考慮與其它助劑的配伍性 ，對體系穩定性的影響，反應活性等。

 

五、潤濕分散劑的性能評價

 

       潤濕分散劑的性能可以通過顏料的分散質量進行評價，通常采用以下方法測定顏料分散程度：

刮板細度計是測量顏料分散情況的一種簡單的方法，但它只表示大的顏料凝聚體，反映不出顏料分散質量的真實情況以及粒徑的分布和粒子的狀態，由于此速度快，在生產中被廣泛采納。

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

       光譜分析可以分析出顏料粒子表面發生的變化，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定性來測定分散的情況。