水性涂料用氧化鐵紅色漿的分散穩定性研究

隨著涂料、顏料和助劑工業的發展以及涂料配色工藝由顏料粉調色向色漿調色的轉變，我國的色漿產業也發生了根本性的變化，從20 世紀90 年代中期基本進口，到90 年代末國內兩三家企業與科研機構開始研發，并初步形成較小規模的試推廣，再到近10 年，國內專業生產水性色漿的廠家已增加到近50 家，水性色漿在建筑涂料、木器涂料等涂料中的調色應用已越來越廣泛。水性色漿以水為分散介質，不添加研磨樹脂，不會引起配色時與基礎漆的相容性不良問題，但在后續的貯存和使用過程中，常會出現顏料粒子重新聚集、返粗、體系分層等不良現象，導致配制的色漆出現色差、浮色和發花等弊病。為了提高顏料的分散穩定性，國內外研究工作者開展了多方面的探索，如在顏料表面進行接枝聚合改性或外加分散劑等[1-2]。本文從顏料含量、預分散轉速、色漿的研磨次數、分散劑及增稠劑等方面入手，探討各因素對水性涂料用氧化鐵紅色漿分散穩定性的影響。

1 實驗部分
1.1 原料
實驗用主要原料見表1。

1.2 色漿及色漆的制備
在高速分散機分散罐內加入計量的去離子水，啟動分散機，將轉速調至1000 r/min 左右，依次加入消泡劑、潤濕劑、分散劑、增稠劑等，轉速提至1500 r/min，分散5~10 min；轉速降至1000 r/min 左右，于攪拌軸處緩慢加入氧化鐵紅顏料粉，加料完后高速分散30 min，轉速根據實驗需要而定；補加剩余消泡劑后，以200 r/min 消泡10 min，停機；進一步在三輥機上研磨規定次數，用氨水調節pH 值至8.0～9.0；過濾得水性氧化鐵紅色漿。以自制的PUEA 乳液為基料，添加潤濕劑、分散劑、消泡劑、成膜助劑、碳酸鈣、滑石粉等預分散后，于三輥機上研磨至合格細度，得到水性木器透明基礎漆。將水性氧化鐵紅色漿與基礎漆按一定配比低速分散得水性氧化鐵紅色漆。

1.3 性能測試方法
1.3.1 色漿細度、黏度和遮蓋力
細度參照GB/T 6753.1—2007《色漆、清漆和印刷油墨研磨細度的測定》進行測試；黏度參照GB/T 1723—2009《涂料黏度測定法》（涂-4 杯）進行測試；遮蓋力參照GB/T 1726—1979（1989）《涂料遮蓋力測定法》進行測試。

1.3.2 沉降體積分數
將色漿置于25 mL 量筒中，記錄粒子開始沉降時的體積V，靜置7 d 后讀取其沉降體積Vs，Vs/V 即為沉降體積分數，該值越大，說明色漿的分水越少，分散效果越好，色漿越穩定。

1.3.3 色漿及色漆的穩定性
貯存穩定性參照GB/T 6753.3—1986《涂料貯存穩定性試驗方法》進行測試。取適量樣品置于廣口瓶中，塞緊瓶口，置于恒溫干燥箱內，在（50±2）℃放置7 d，檢查沉降程度、絮凝程度、樣品能否調勻以及調漆時的阻力大小。常溫穩定性則為在（25±2）℃貯存規定時間后檢查上述項目。

1.3.4 色漆的分散形貌
采用HITACHI S-4800 掃描電子顯微鏡對色漆的分散形貌進行表征。

2 結果與討論
2.1 顏料含量對色漿性能的影響
通常在評定水性色漿的特性時，除了細度、耐光性、耐候性、pH 值等以外還有色含量這一項，色含量即為顏料含量。在保證色漿的細度、流動性、貯存穩定性等的前提下，理論上色漿中的顏料含量越高越好。因為色漿加入到基礎漆后，均會對基礎漆的性能產生一定影響[3]，包括貯存性能、施工性能、干膜的物理化學性能及環保性能，尤其表現在耐水性和黏度這兩方面，若色漿的顏料含量越高，配色時所需色漿添加量越小，對基礎漆性能的影響就能降到最小。同時，根據stoke 公式[4]
   
可知，顏填料粒子的沉降速度Vs 與體系的黏度η 成反比，增加顏料濃度將會使體系的黏度上升，從而減少絮凝的傾向，因此顏料含量的增加也有利于提高色漿的貯存穩定性。但顏料含量的增加也會對體系的黏度和流動性產生影響。以顏料含量分別為45%、50%、55%、60%和65%進行試驗，探討顏料含量對色漿性能的影響，試驗結果見表2。

從表2 可知，隨著氧化鐵紅顏料含量的提高，黏度上升，流動性逐步變差，沉降體積分數增大，體系的穩定性增強。當含量達到65%時，Vs/V 達99.60，但黏度急劇上升至75 s，流動性變得很差，影響色漿的輸送及添加，綜合考慮黏度、流動性和穩定性，該色漿體系氧化鐵紅的含量以60%左右為宜。

2.2 制備工藝對色漿分散穩定性的影響
水性色漿制備的關鍵是顏料在水中的分散，即借助機械力將顏料從附集體和聚集體形態解聚成原始顆粒狀態，并均勻分散在體系中，成為懸浮分散體，通常包括預分散和研磨2個過程，預分散的轉速大小和研磨強度均會對產品的分散穩定性產生很大影響。

2.2.1 預分散轉速的影響
在高速分散過程中，對于助劑和顏料的分散需要選擇不同的轉速。在各種助劑添加到去離子水中之后、顏料添加之前，稱之為預分散第1 階段，高速分散機除起到基本的攪拌混合還可起到對部分助劑乳化分散的作用，因此轉速采用中速為宜（1000 r/min 左右）。轉速太高，會混入大量空氣，產生較多氣泡，還會增加生產能耗；轉速太低，分散劑等助劑未被分散均勻，將會影響到顏料的潤濕和分散，并最終影響色漿的貯存穩定性。在顏料粉添加階段（預分散第2 階段），為使顏料能被較快地帶入漿體中并充分分散，轉速需相應提高，但不宜過高，過高容易造成體系湍流而影響分散。預分散第2 階段轉速對色漿性能的影響見表3。

從表3 可以看出，轉速為3000 r/min 已足夠，高速分散后漿體外觀基本無絮凝，并且有較好的貯存穩定性。

2.2.2 研磨次數的影響
要使顏料穩定地分散在體系中，研磨細度應達到一定的標準，因此在預分散之后需要將色漿進一步研磨。通常隨著體系研磨次數的增加，色漿的粒徑變小，貯存穩定性提高，但研磨次數無需過多，因為當顏料粒徑減小到一定程度后，顆粒新生表面強大的表面能會為顏料的重新團聚提供能量，研磨設備產生的機械粉碎力提供的能量一部分將用于阻止顆粒重新團聚，因而有可能表現為研磨次數過多研磨效果基本不變而耗能卻增加。研磨次數對色漿細度和穩定性的影響分別見圖1 和圖2。

從圖1、圖2 可知，隨著研磨次數的增加，色漿細度明顯減小，沉降體積分數增大，穩定性增強，當研磨次數達到4 次時，色漿細度為25 μm，沉降體積分數達到96.61%，可滿足穩定性要求。
2.3 助劑對色漿分散穩定性的影響

2.3.1 分散劑的影響
水性色漿是一個熱力學不穩定體系，隨著時間的推移，已分散的顏料初級粒子在范德華力、靜電力和空間位阻力的綜合作用下，會相互吸引逐漸形成聚集體或聚結體[5]。根據stoke公式可知，顏料粒子的沉降速度與顏料粒徑的平方成正比，粒徑增大，沉降會加劇，穩定性降低。使顏料粒子充分潤濕并穩定地分散在體系中，盡可能地降低其沉降速度，提高貯存穩定性，分散劑具有決定性作用。
本研究依據丹尼爾流動點法[6-7]選擇分散劑的種類和用量。
（1）丹尼爾流動點測試
丹尼爾流動點是使顏料解聚所需分散劑的最低值。對同一種顏料，分散劑的流動點越低，則說明顏料越容易分散，同時配方中需要添加的分散劑用量也越少。其測試步驟如下：稱取5 g 氧化鐵紅顏料，滴加去離子水至形成干硬球體；滴加待選分散劑，直至顏料球分散成流體。通過加入的分散劑用量，可以計算出分散劑活性物對顏料的質量百分數，即丹尼爾流動點。通過測試各種分散劑對氧化鐵紅的丹尼爾流動點，可以篩選出丹尼爾用量較低的幾種分散劑（見表4）。

注：丹尼爾流動點（%）=分散劑用量（g）×活性物含量（%）/5 g。
從表4 可看出，除Hydropalat 1080 和TEGO Disper 740W 的丹尼爾流動點很高外，其余5 種分散劑的丹尼爾流動點都較低，其中Hydropalat 3204 的最低。經初步篩選，淘汰Hydropalat 1080 和TEGO Disper 740 W，考慮其余5 種分散劑作為本試驗的備選分散劑，將其分別制成色漿考察黏度、貯存穩定性、流動性等方面性能，再進一步篩選。

（2）分散劑種類對色漿分散穩定性的影響
選擇Hydropalat 3204、Dispersogen DIP、SN -Dispersant5034、BYK-190 和TEGO Disper 752W 等5 種分散劑進行對比試驗，用量為各自丹尼爾流動點用量的2.5 倍，分散劑種類對色漿產品性能的影響見表5。5 種色漿在50 ℃條件下貯存7 d 后與基礎漆配成色漆后的涂膜分散形貌見圖3，其中Hydropalat 3204 由于制備的色漿貯后穩定性太差，無法配漆，故未做掃描。

從表5 可以看出，Hydropalat 3204、SN-Dispersant 5034和BYK-190 有良好的降黏效果，但Hydropalat 3204 和BYK-190 的穩定性差，尤其是Hydropalat 3204，貯存后嚴重結塊，無法重新調勻，而BYK-190 的沉降分水最為嚴重（沉降體積分數為89.92）。Dispersogen DIP 和TEGO Disper 752W有較好的穩定性，但降黏效果和流動性差。

從圖3 也可看出，以BYK-190 和TEGO Disper 752W 為分散劑制備的色漿有嚴重的團聚；以Dispersogen DIP 為分散劑制備的色漿基本無團聚，但顏料粒子分布不夠均勻；而以SN-Dispersant 5034 為分散劑制備的色漿不僅不存在團聚，并且顏料粒子分散均勻。綜合考慮分散穩定性、黏度、流動性因素，SN-Dispersant 5034 為水性氧化鐵紅色漿體系的最佳分散劑。可能原因如下：SN-Dispersant 5034 為陰離子型高分子聚羧酸鈉鹽類分散劑，它既能利用自身的錨固基緊密地吸附在顏料的表面上，其伸展鏈在分散介質中又能構成有效的空間位阻作用，在二者的共同作用下，被分散的顏料粒子不易聚集，即使受外力（如攪拌等）影響時也不易解吸附，制備出的色漿表現出更好的穩定性。

（3）分散劑用量對色漿產品性能的影響
分散劑用量對色漿的分散穩定性有重要的影響，用量過少，顏料的潤濕和分散不夠充分，必然導致色漿的穩定性降低；用量過多，過量的分散劑會在顏料粒子間“架橋”而重新導致絮凝，引起體系穩定性的下降。以分散劑SN-Dispersant5034 丹尼爾流動點用量的1～3 倍進行試驗，分散劑用量對色漿性能的影響見表6。各色漿在50 ℃條件下貯存7 d 后與基礎漆配成色漆后的涂膜分散形貌見圖4，其中分散劑用量為丹尼爾流動點用量的1 倍時制備的色漿貯后穩定性太差，無法配漆，故未做掃描。

注：①丹尼爾流動點用量的倍數。
從表6 可以看出，當分散劑用量從丹尼爾流動點的1 倍增至2.5 倍時，色漿的黏度降低，沉降體積分數增大，貯存穩定性和遮蓋力增強，但隨著用量的進一步增加，黏度反而升高，沉降體積分數減小，遮蓋力和穩定性也降低。

從圖4 也可看出，隨著分散劑SN-Dispersant 5034 用量的增加，漆膜中顏料粒子聚集的程度降低，分散越來越均勻，但當用量增至丹尼爾流動點的3 倍時分散效果反而變差，此時已超過最佳用量，故該體系分散劑用量選擇為丹尼爾流動點的2.5 倍最合適。分析原因如下：當分散劑用量過少時，不足以在顏料表面形成完整的吸附層，顏料表面未被分散劑覆蓋的部分為減少表面能量而聚集，會導致色漿細度返粗、遮蓋力差、黏度高、分散穩定性差；但如果用量過大，過量的分散劑游離在體系中，易與已經吸附在顏料粒子表面的分散劑相互纏結，在外力作用下易造成分散劑從顏料表面脫落，從而導致遮蓋力變差、分散穩定性下降等問題[8-9]。只有當分散劑為最佳用量，所有的顏料粒子都恰好形成穩定的雙電層結構，達到單分子吸附最大值，能夠產生足夠的位能阻止粒子重新團聚，從而體系具有最佳的穩定性。

2.3.2 增稠劑的影響
根據stoke 公式可知，粒子的沉降速度與體系的黏度成反比，水性色漿以水為分散介質，黏度非常低，因而需加增稠劑來調節。增稠劑有纖維素醚增稠劑、堿溶脹型增稠劑、聚氨酯類增稠劑、聚丙烯酸類增稠劑、無機增稠劑等。各類增稠劑均有其優缺點[10]，實際應用中常搭配不同的增稠劑。本實驗采用無機類SMP-HV2 與堿溶脹型DSX AS 1130 增稠劑進行復配，SMP-HV2 為鋁鎂硅酸鹽類增稠劑，在水中有優異的懸浮性、增稠性和觸變性，DSX AS 1130 是一種堿溶脹型增稠劑，其增稠機理是在堿性體系中發生酸堿中和反應，利用羧基的靜電斥力使聚合物鏈伸展開，從而使體系黏度提高，達到增稠的效果。試驗結果見表7。

從表7 可以看出，添加增稠劑后，體系的黏度明顯增大，穩定性增強，分水明顯減少，同時增稠劑搭配使用的效果比單一增稠劑要好，而且隨著SMP-HV2 的增加，黏度增大，觸變性增強。但觸變性過強色漿的流動性變差，影響色漿的添加和輸送。因此，該體系中增稠劑選擇0.6%SMP-HV2+0.2%DXSAS 1130 較為合適，此時制備的色漿既具有適宜的黏度又有適中的觸變性，可以使色漿具備良好的貯存穩定性。

2.4 水性氧化鐵紅色漆的穩定性
在最佳工藝條件和最優配方下制備氧化鐵紅色漿，將其與實驗室自制的水性木器透明基礎漆按一定比例配制成鐵紅色漆，測試其黏度、穩定性等性能，結果見表8。

從表8 可以看出，該色漆具有合適的黏度、細度（小于60μm）和良好的穩定性，也說明了配制該色漆的色漿有良好的分散穩定性。

3 結論
（1）氧化鐵紅的含量為60%時，配制的色漿具有良好的流動性和穩定性。
（2）預分散第1 和第2 階段的轉速分別為1000 r/min 和3000 r/min 較為合適，研磨4 次色漿的細度和穩定性可達要求。
（3）選用陰離子型高分子分散劑可提高體系的分散性和穩定性，并且其用量存在一個最佳值。
（4）增稠劑對提高體系的穩定性有明顯效果，不同類型的增稠劑復配使用效果更佳。

以上就是氧化鐵紅色漿的分散穩定性研究，希望對大家有所幫助。