水性涂料用氧化铁红色浆的分散稳定性研究

随着涂料、颜料和助剂工业的发展以及涂料配色工艺由颜料粉调色向色浆调色的转变，我国的色浆产业也发生了根本性的变化，从20 世纪90 年代中期基本进口，到90 年代末国内两三家企业与科研机构开始研发，并初步形成较小规模的试推广，再到近10 年，国内专业生产水性色浆的厂家已增加到近50 家，水性色浆在建筑涂料、木器涂料等涂料中的调色应用已越来越广泛。水性色浆以水为分散介质，不添加研磨树脂，不会引起配色时与基础漆的相容性不良问题，但在后续的贮存和使用过程中，常会出现颜料粒子重新聚集、返粗、体系分层等不良现象，导致配制的色漆出现色差、浮色和发花等弊病。为了提高颜料的分散稳定性，国内外研究工作者开展了多方面的探索，如在颜料表面进行接枝聚合改性或外加分散剂等[1-2]。本文从颜料含量、预分散转速、色浆的研磨次数、分散剂及增稠剂等方面入手，探讨各因素对水性涂料用氧化铁红色浆分散稳定性的影响。

1 实验部分
1.1 原料
实验用主要原料见表1。

1.2 色浆及色漆的制备
在高速分散机分散罐内加入计量的去离子水，启动分散机，将转速调至1000 r/min 左右，依次加入消泡剂、润湿剂、分散剂、增稠剂等，转速提至1500 r/min，分散5~10 min；转速降至1000 r/min 左右，于搅拌轴处缓慢加入氧化铁红颜料粉，加料完后高速分散30 min，转速根据实验需要而定；补加剩余消泡剂后，以200 r/min 消泡10 min，停机；进一步在三辊机上研磨规定次数，用氨水调节pH 值至8.0～9.0；过滤得水性氧化铁红色浆。以自制的PUEA 乳液为基料，添加润湿剂、分散剂、消泡剂、成膜助剂、碳酸钙、滑石粉等预分散后，于三辊机上研磨至合格细度，得到水性木器透明基础漆。将水性氧化铁红色浆与基础漆按一定配比低速分散得水性氧化铁红色漆。

1.3 性能测试方法
1.3.1 色浆细度、黏度和遮盖力
细度参照GB/T 6753.1—2007《色漆、清漆和印刷油墨研磨细度的测定》进行测试；黏度参照GB/T 1723—2009《涂料黏度测定法》（涂-4 杯）进行测试；遮盖力参照GB/T 1726—1979（1989）《涂料遮盖力测定法》进行测试。

1.3.2 沉降体积分数
将色浆置于25 mL 量筒中，记录粒子开始沉降时的体积V，静置7 d 后读取其沉降体积Vs，Vs/V 即为沉降体积分数，该值越大，说明色浆的分水越少，分散效果越好，色浆越稳定。

1.3.3 色浆及色漆的稳定性
贮存稳定性参照GB/T 6753.3—1986《涂料贮存稳定性试验方法》进行测试。取适量样品置于广口瓶中，塞紧瓶口，置于恒温干燥箱内，在（50±2）℃放置7 d，检查沉降程度、絮凝程度、样品能否调匀以及调漆时的阻力大小。常温稳定性则为在（25±2）℃贮存规定时间后检查上述项目。

1.3.4 色漆的分散形貌
采用HITACHI S-4800 扫描电子显微镜对色漆的分散形貌进行表征。

2 结果与讨论
2.1 颜料含量对色浆性能的影响
通常在评定水性色浆的特性时，除了细度、耐光性、耐候性、pH 值等以外还有色含量这一项，色含量即为颜料含量。在保证色浆的细度、流动性、贮存稳定性等的前提下，理论上色浆中的颜料含量越高越好。因为色浆加入到基础漆后，均会对基础漆的性能产生一定影响[3]，包括贮存性能、施工性能、干膜的物理化学性能及环保性能，尤其表现在耐水性和黏度这两方面，若色浆的颜料含量越高，配色时所需色浆添加量越小，对基础漆性能的影响就能降到最小。同时，根据stoke 公式[4]
   
可知，颜填料粒子的沉降速度Vs 与体系的黏度η 成反比，增加颜料浓度将会使体系的黏度上升，从而减少絮凝的倾向，因此颜料含量的增加也有利于提高色浆的贮存稳定性。但颜料含量的增加也会对体系的黏度和流动性产生影响。以颜料含量分别为45%、50%、55%、60%和65%进行试验，探讨颜料含量对色浆性能的影响，试验结果见表2。

从表2 可知，随着氧化铁红颜料含量的提高，黏度上升，流动性逐步变差，沉降体积分数增大，体系的稳定性增强。当含量达到65%时，Vs/V 达99.60，但黏度急剧上升至75 s，流动性变得很差，影响色浆的输送及添加，综合考虑黏度、流动性和稳定性，该色浆体系氧化铁红的含量以60%左右为宜。

2.2 制备工艺对色浆分散稳定性的影响
水性色浆制备的关键是颜料在水中的分散，即借助机械力将颜料从附集体和聚集体形态解聚成原始颗粒状态，并均匀分散在体系中，成为悬浮分散体，通常包括预分散和研磨2个过程，预分散的转速大小和研磨强度均会对产品的分散稳定性产生很大影响。

2.2.1 预分散转速的影响
在高速分散过程中，对于助剂和颜料的分散需要选择不同的转速。在各种助剂添加到去离子水中之后、颜料添加之前，称之为预分散第1 阶段，高速分散机除起到基本的搅拌混合还可起到对部分助剂乳化分散的作用，因此转速采用中速为宜（1000 r/min 左右）。转速太高，会混入大量空气，产生较多气泡，还会增加生产能耗；转速太低，分散剂等助剂未被分散均匀，将会影响到颜料的润湿和分散，并最终影响色浆的贮存稳定性。在颜料粉添加阶段（预分散第2 阶段），为使颜料能被较快地带入浆体中并充分分散，转速需相应提高，但不宜过高，过高容易造成体系湍流而影响分散。预分散第2 阶段转速对色浆性能的影响见表3。

从表3 可以看出，转速为3000 r/min 已足够，高速分散后浆体外观基本无絮凝，并且有较好的贮存稳定性。

2.2.2 研磨次数的影响
要使颜料稳定地分散在体系中，研磨细度应达到一定的标准，因此在预分散之后需要将色浆进一步研磨。通常随着体系研磨次数的增加，色浆的粒径变小，贮存稳定性提高，但研磨次数无需过多，因为当颜料粒径减小到一定程度后，颗粒新生表面强大的表面能会为颜料的重新团聚提供能量，研磨设备产生的机械粉碎力提供的能量一部分将用于阻止颗粒重新团聚，因而有可能表现为研磨次数过多研磨效果基本不变而耗能却增加。研磨次数对色浆细度和稳定性的影响分别见图1 和图2。

从图1、图2 可知，随着研磨次数的增加，色浆细度明显减小，沉降体积分数增大，稳定性增强，当研磨次数达到4 次时，色浆细度为25 μm，沉降体积分数达到96.61%，可满足稳定性要求。
2.3 助剂对色浆分散稳定性的影响

2.3.1 分散剂的影响
水性色浆是一个热力学不稳定体系，随着时间的推移，已分散的颜料初级粒子在范德华力、静电力和空间位阻力的综合作用下，会相互吸引逐渐形成聚集体或聚结体[5]。根据stoke公式可知，颜料粒子的沉降速度与颜料粒径的平方成正比，粒径增大，沉降会加剧，稳定性降低。使颜料粒子充分润湿并稳定地分散在体系中，尽可能地降低其沉降速度，提高贮存稳定性，分散剂具有决定性作用。
本研究依据丹尼尔流动点法[6-7]选择分散剂的种类和用量。
（1）丹尼尔流动点测试
丹尼尔流动点是使颜料解聚所需分散剂的最低值。对同一种颜料，分散剂的流动点越低，则说明颜料越容易分散，同时配方中需要添加的分散剂用量也越少。其测试步骤如下：称取5 g 氧化铁红颜料，滴加去离子水至形成干硬球体；滴加待选分散剂，直至颜料球分散成流体。通过加入的分散剂用量，可以计算出分散剂活性物对颜料的质量百分数，即丹尼尔流动点。通过测试各种分散剂对氧化铁红的丹尼尔流动点，可以筛选出丹尼尔用量较低的几种分散剂（见表4）。

注：丹尼尔流动点（%）=分散剂用量（g）×活性物含量（%）/5 g。
从表4 可看出，除Hydropalat 1080 和TEGO Disper 740W 的丹尼尔流动点很高外，其余5 种分散剂的丹尼尔流动点都较低，其中Hydropalat 3204 的最低。经初步筛选，淘汰Hydropalat 1080 和TEGO Disper 740 W，考虑其余5 种分散剂作为本试验的备选分散剂，将其分别制成色浆考察黏度、贮存稳定性、流动性等方面性能，再进一步筛选。

（2）分散剂种类对色浆分散稳定性的影响
选择Hydropalat 3204、Dispersogen DIP、SN -Dispersant5034、BYK-190 和TEGO Disper 752W 等5 种分散剂进行对比试验，用量为各自丹尼尔流动点用量的2.5 倍，分散剂种类对色浆产品性能的影响见表5。5 种色浆在50 ℃条件下贮存7 d 后与基础漆配成色漆后的涂膜分散形貌见图3，其中Hydropalat 3204 由于制备的色浆贮后稳定性太差，无法配漆，故未做扫描。

从表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 的稳定性差，尤其是Hydropalat 3204，贮存后严重结块，无法重新调匀，而BYK-190 的沉降分水最为严重（沉降体积分数为89.92）。Dispersogen DIP 和TEGO Disper 752W有较好的稳定性，但降黏效果和流动性差。

从图3 也可看出，以BYK-190 和TEGO Disper 752W 为分散剂制备的色浆有严重的团聚；以Dispersogen DIP 为分散剂制备的色浆基本无团聚，但颜料粒子分布不够均匀；而以SN-Dispersant 5034 为分散剂制备的色浆不仅不存在团聚，并且颜料粒子分散均匀。综合考虑分散稳定性、黏度、流动性因素，SN-Dispersant 5034 为水性氧化铁红色浆体系的最佳分散剂。可能原因如下：SN-Dispersant 5034 为阴离子型高分子聚羧酸钠盐类分散剂，它既能利用自身的锚固基紧密地吸附在颜料的表面上，其伸展链在分散介质中又能构成有效的空间位阻作用，在二者的共同作用下，被分散的颜料粒子不易聚集，即使受外力（如搅拌等）影响时也不易解吸附，制备出的色浆表现出更好的稳定性。

（3）分散剂用量对色浆产品性能的影响
分散剂用量对色浆的分散稳定性有重要的影响，用量过少，颜料的润湿和分散不够充分，必然导致色浆的稳定性降低；用量过多，过量的分散剂会在颜料粒子间“架桥”而重新导致絮凝，引起体系稳定性的下降。以分散剂SN-Dispersant5034 丹尼尔流动点用量的1～3 倍进行试验，分散剂用量对色浆性能的影响见表6。各色浆在50 ℃条件下贮存7 d 后与基础漆配成色漆后的涂膜分散形貌见图4，其中分散剂用量为丹尼尔流动点用量的1 倍时制备的色浆贮后稳定性太差，无法配漆，故未做扫描。

注：①丹尼尔流动点用量的倍数。
从表6 可以看出，当分散剂用量从丹尼尔流动点的1 倍增至2.5 倍时，色浆的黏度降低，沉降体积分数增大，贮存稳定性和遮盖力增强，但随着用量的进一步增加，黏度反而升高，沉降体积分数减小，遮盖力和稳定性也降低。

从图4 也可看出，随着分散剂SN-Dispersant 5034 用量的增加，漆膜中颜料粒子聚集的程度降低，分散越来越均匀，但当用量增至丹尼尔流动点的3 倍时分散效果反而变差，此时已超过最佳用量，故该体系分散剂用量选择为丹尼尔流动点的2.5 倍最合适。分析原因如下：当分散剂用量过少时，不足以在颜料表面形成完整的吸附层，颜料表面未被分散剂覆盖的部分为减少表面能量而聚集，会导致色浆细度返粗、遮盖力差、黏度高、分散稳定性差；但如果用量过大，过量的分散剂游离在体系中，易与已经吸附在颜料粒子表面的分散剂相互缠结，在外力作用下易造成分散剂从颜料表面脱落，从而导致遮盖力变差、分散稳定性下降等问题[8-9]。只有当分散剂为最佳用量，所有的颜料粒子都恰好形成稳定的双电层结构，达到单分子吸附最大值，能够产生足够的位能阻止粒子重新团聚，从而体系具有最佳的稳定性。

2.3.2 增稠剂的影响
根据stoke 公式可知，粒子的沉降速度与体系的黏度成反比，水性色浆以水为分散介质，黏度非常低，因而需加增稠剂来调节。增稠剂有纤维素醚增稠剂、碱溶胀型增稠剂、聚氨酯类增稠剂、聚丙烯酸类增稠剂、无机增稠剂等。各类增稠剂均有其优缺点[10]，实际应用中常搭配不同的增稠剂。本实验采用无机类SMP-HV2 与碱溶胀型DSX AS 1130 增稠剂进行复配，SMP-HV2 为铝镁硅酸盐类增稠剂，在水中有优异的悬浮性、增稠性和触变性，DSX AS 1130 是一种碱溶胀型增稠剂，其增稠机理是在碱性体系中发生酸碱中和反应，利用羧基的静电斥力使聚合物链伸展开，从而使体系黏度提高，达到增稠的效果。试验结果见表7。

从表7 可以看出，添加增稠剂后，体系的黏度明显增大，稳定性增强，分水明显减少，同时增稠剂搭配使用的效果比单一增稠剂要好，而且随着SMP-HV2 的增加，黏度增大，触变性增强。但触变性过强色浆的流动性变差，影响色浆的添加和输送。因此，该体系中增稠剂选择0.6%SMP-HV2+0.2%DXSAS 1130 较为合适，此时制备的色浆既具有适宜的黏度又有适中的触变性，可以使色浆具备良好的贮存稳定性。

2.4 水性氧化铁红色漆的稳定性
在最佳工艺条件和最优配方下制备氧化铁红色浆，将其与实验室自制的水性木器透明基础漆按一定比例配制成铁红色漆，测试其黏度、稳定性等性能，结果见表8。

从表8 可以看出，该色漆具有合适的黏度、细度（小于60μm）和良好的稳定性，也说明了配制该色漆的色浆有良好的分散稳定性。

3 结论
（1）氧化铁红的含量为60%时，配制的色浆具有良好的流动性和稳定性。
（2）预分散第1 和第2 阶段的转速分别为1000 r/min 和3000 r/min 较为合适，研磨4 次色浆的细度和稳定性可达要求。
（3）选用阴离子型高分子分散剂可提高体系的分散性和稳定性，并且其用量存在一个最佳值。
（4）增稠剂对提高体系的稳定性有明显效果，不同类型的增稠剂复配使用效果更佳。

以上就是氧化铁红色浆的分散稳定性研究，希望对大家有所帮助。