涂料助剂

第一节   概  述

       随着我国国民经济的发展和科学技术的进步，人们对工业界的无名英雄－涂料也提出了更高要求，涂料助剂在其中发挥了关键作用，其理论研究、开发与应用日益为人们所重视。涂料助剂可以改进生产工艺，提高生产效率，改善贮存稳定性，改善施工条件，防止涂料病态，提高产品质量，赋予涂膜特殊功能，虽然用量很低（一般不超过总量的1%），但已成为涂料不可或缺的重要组成部分。涂料的发展对涂料助剂的研究和应用提出了更高的要求，也提供了巨大的市场机会，涂料助剂的研究和应用亦极大地推动了涂料的发展，扩大了其应用领域，二者相得益彰。

       涂料助剂品种繁多，应用广泛，无论是建筑涂料、工业涂料还是功能性涂料，无论是溶剂型涂料、水性涂料、高固体份涂料还是粉末涂料都必须使用助剂才能得到预期的性能和满足最终的性能要求，在涂料生产和应用的各个阶段：树脂合成、颜填料分散研磨、涂料贮存、施工都需要使用助剂。它可以控制树脂的结构、调整树脂的分子量大小和分布、提高颜料分散效率、改善涂料施工性能、赋予涂膜特殊功能。涂料助剂以涂料树脂化学和物理为基础和核心内容，同时又与高分子科学前沿、流变学、色彩学、电学、磁学、力学、生物学以及仿生学等紧密联系，是一门正蓬勃发展的交叉学科和边缘技术。

涂料助剂按照其使用和功能可分为以下几类：

各种界面张力的作用关系可以用杨氏方程表示：

γ液-气cosθ = γ固-气 — γ固-液     (11-1)

式中 γ液-气：液体、气体之间的界面张力

        γ固-气：固体、气体之间的界面张力

        γ固-液：固体、液体之间的界面张力

         θ：     固体、液体之间的接触角

Dr.A.Capelle 等指出：润湿效率BS=γ固-气—γ固-液 , 即BS = γ液-气cosθ

由此得出：接触角越小，润湿效率越高。Washborre 用下式表示了润湿初始阶段的润湿效率：

 

 

式中，K为常数；γF1为基料的表面张力；θ为接触角（基料/颜料界面）；r为颜料粒子的间隙半径；为颜料粒子间隙长度； 为基料的粘度。

式（11-1）和（11-2）表明，配方固定后，降低基料粘度和使用润湿剂来降低颜料和基料之间的界面张力以缩小接触角可以提高润湿效率，但基料粘度的降低有一定限度，所以使用润湿剂是常用的手段。

 

       颜料充分分散后，由于受到重力和热力学因素的影响往往会发生沉降、团聚，需要使用分散剂稳定分散体系。关于颜料分散体系稳定机理基本上有3个，即DLVO扩散双电层机理、空间位阻稳定机理、静电空间稳定机理。

  

       DLVO扩散双电层机理又称静电稳定机理，分散体系中颜料粒子表面带有电荷或者吸附离子，产生扩散双电层，颜料粒子接近时，双电层发生重叠产生静电斥力实现颗粒的稳定分散，调节PH值或加入电解质可以使颗粒表面产生一定量的表面电荷，增大双电层厚度和颗粒表面的Zeta电位值，使颗粒间产生较大的排斥力。

 

       空间位阻稳定机理是指不带电的高分子化合物吸附在颜料粒子表面形成较厚的空间位阻层，使颗粒间产生空间排斥力，从而达到分散稳定的目的。

静电空间稳定机制是指在颜料粒子的分散体系中加入一定的高分子聚电解质，使其吸附在粒子表面，聚电解质既可通过所带电荷排斥周围粒子，又通过空间位阻效应阻止颜料粒子的团聚，从而使颜料粒子稳定分散。

 

三、常用润湿分散剂

 

       润湿分散剂按分子量划分，可分成低分子量的和高分子量的。低分子量的润湿分散剂一般指分子量在数百以下的低分子量化合物，高分子量的润湿分散剂是指分子量在数千乃至几万、并具有表面活性的高分子量化合物。

低分子量的润湿分散剂通常为表面活性剂，可分为离子型的和非离子型的。离子型的又可分为阳离子型，阴离子型和两性的表面活性剂，另外还有一种电中性的表面活性剂。

高分子量润湿分散剂是指分子量在数千乃至几万的具有表面活性的高分子化合物。分子中必须含有在溶剂或树脂溶液中能够溶解伸展开的链段，发挥空间稳定化作用。分子中还必须含有能够牢固地吸附在颜料粒子表面上的吸附基团。

 

       常用润湿分散剂见下表：

 

四、润湿分散剂在涂料中应用

 

       润湿分散剂主要是在界面处发挥作用，以吸附层形式覆盖在固体粒子的表面上，可以改变颜料的表面性质，用于颜料改性方法。在生产过程中节省时间及能源，提高效率，由于颜料分散稳定，提高了涂料贮存的稳定性并且颜料的着色力和遮盖力得以提高，还利于增加涂膜的光泽、降低色浆的粘度从而改善了涂料的流平性，取得防止浮色、流挂、沉降效果，提高涂膜的物化性能。

 

       涂料是一个多相的分散体，在颜料表面上会发生竞争吸附。如何选择润湿分散剂及其使用方法是十分重要的。分散剂和稳定链必须溶在树脂溶液中才能自由伸展，构成一定厚度的吸附层，如果与 树脂溶液不相容，在这种贫溶剂中分散剂虽然能吸附在颜料的表面上，但其稳定链是蜷缩的，不能自由伸展，形成的吸附层会很薄，这样就不能充分发挥高分子分散剂的作用，试验证实，相容性不好，会影响颜料的分散效率及涂料性能。

 

       每种颜料一个特定的分散体系中都存在一个最佳的浓度值，这个最佳值跟颜料的比表面积，吸油量，最终要求的细度，研磨时间和色浆中所用树脂聚合物的特性有关。要根据这些条件经过实验而确定。

 

       另外还需要考虑与其它助剂的配伍性 ，对体系稳定性的影响，反应活性等。

 

五、润湿分散剂的性能评价

 

       润湿分散剂的性能可以通过颜料的分散质量进行评价，通常采用以下方法测定颜料分散程度：

刮板细度计是测量颜料分散情况的一种简单的方法，但它只表示大的颜料凝聚体，反映不出颜料分散质量的真实情况以及粒径的分布和粒子的状态，由于此速度快，在生产中被广泛采纳。

       电子显微镜可以直观地看到粒径的分布、粒子的状状态以及润湿分散剂在粒子表面上的吸附形态，覆盖程度等，但是效率低、成本高，现在主要应用于理论研究。

       光谱分析可以分析出颜料粒子表面发生的变化，活性剂在颜料表面吸附的情况，但和电子显微镜一样主要应用于理论研究。

颜料分散得好，涂膜表面的粗糙度低，比较平整、光的漫反射低、光泽高。否则涂膜表面光的漫反射程度高、光泽低。所以测量涂膜的光泽高低可以用来判断颜料分散的好坏。此外还可以利用着色力和色相以及涂料的贮存稳定性来测定分散的情况。