水性涂料用氧化鐵紅色漿的分散穩(wěn)定性研究

隨著涂料、顏料和助劑工業(yè)的發(fā)展以及涂料配色工藝由顏料粉調(diào)色向色漿調(diào)色的轉(zhuǎn)變，我國的色漿產(chǎn)業(yè)也發(fā)生了根本性的變化，從20 世紀(jì)90 年代中期基本進(jìn)口，到90 年代末國內(nèi)兩三家企業(yè)與科研機(jī)構(gòu)開始研發(fā)，并初步形成較小規(guī)模的試推廣，再到近10 年，國內(nèi)專業(yè)生產(chǎn)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(diào)色應(yīng)用已越來越廣泛。水性色漿以水為分散介質(zhì)，不添加研磨樹脂，不會(huì)引起配色時(shí)與基礎(chǔ)漆的相容性不良問題，但在后續(xù)的貯存和使用過程中，常會(huì)出現(xiàn)顏料粒子重新聚集、返粗、體系分層等不良現(xiàn)象，導(dǎo)致配制的色漆出現(xiàn)色差、浮色和發(fā)花等弊病。為了提高顏料的分散穩(wěn)定性，國內(nèi)外研究工作者開展了多方面的探索，如在顏料表面進(jìn)行接枝聚合改性或外加分散劑等[1-2]。本文從顏料含量、預(yù)分散轉(zhuǎn)速、色漿的研磨次數(shù)、分散劑及增稠劑等方面入手，探討各因素對(duì)水性涂料用氧化鐵紅色漿分散穩(wěn)定性的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分
1.1 原料
實(shí)驗(yàn)用主要原料見表1。

1.2 色漿及色漆的制備
在高速分散機(jī)分散罐內(nèi)加入計(jì)量的去離子水，啟動(dòng)分散機(jī)，將轉(zhuǎn)速調(diào)至1000 r/min 左右，依次加入消泡劑、潤濕劑、分散劑、增稠劑等，轉(zhuǎn)速提至1500 r/min，分散5~10 min；轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要而定；補(bǔ)加剩余消泡劑后，以200 r/min 消泡10 min，停機(jī)；進(jìn)一步在三輥機(jī)上研磨規(guī)定次數(shù)，用氨水調(diào)節(jié)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(yù)分散后，于三輥機(jī)上研磨至合格細(xì)度，得到水性木器透明基礎(chǔ)漆。將水性氧化鐵紅色漿與基礎(chǔ)漆按一定配比低速分散得水性氧化鐵紅色漆。

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

1.3.2 沉降體積分?jǐn)?shù)
將色漿置于25 mL 量筒中，記錄粒子開始沉降時(shí)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?jǐn)?shù)，該值越大，說明色漿的分水越少，分散效果越好，色漿越穩(wěn)定。

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

1.3.4 色漆的分散形貌
采用HITACHI S-4800 掃描電子顯微鏡對(duì)色漆的分散形貌進(jìn)行表征。

2 結(jié)果與討論
2.1 顏料含量對(duì)色漿性能的影響
通常在評(píng)定水性色漿的特性時(shí)，除了細(xì)度、耐光性、耐候性、pH 值等以外還有色含量這一項(xiàng)，色含量即為顏料含量。在保證色漿的細(xì)度、流動(dòng)性、貯存穩(wěn)定性等的前提下，理論上色漿中的顏料含量越高越好。因?yàn)樯珴{加入到基礎(chǔ)漆后，均會(huì)對(duì)基礎(chǔ)漆的性能產(chǎn)生一定影響[3]，包括貯存性能、施工性能、干膜的物理化學(xué)性能及環(huán)保性能，尤其表現(xiàn)在耐水性和黏度這兩方面，若色漿的顏料含量越高，配色時(shí)所需色漿添加量越小，對(duì)基礎(chǔ)漆性能的影響就能降到最小。同時(shí)，根據(jù)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(huì)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(wěn)定性。但顏料含量的增加也會(huì)對(duì)體系的黏度和流動(dòng)性產(chǎn)生影響。以顏料含量分別為45%、50%、55%、60%和65%進(jìn)行試驗(yàn)，探討顏料含量對(duì)色漿性能的影響，試驗(yàn)結(jié)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(dòng)性逐步變差，沉降體積分?jǐn)?shù)增大，體系的穩(wěn)定性增強(qiáng)。當(dāng)含量達(dá)到65%時(shí)，Vs/V 達(dá)99.60，但黏度急劇上升至75 s，流動(dòng)性變得很差，影響色漿的輸送及添加，綜合考慮黏度、流動(dòng)性和穩(wěn)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(duì)色漿分散穩(wěn)定性的影響
水性色漿制備的關(guān)鍵是顏料在水中的分散，即借助機(jī)械力將顏料從附集體和聚集體形態(tài)解聚成原始顆粒狀態(tài)，并均勻分散在體系中，成為懸浮分散體，通常包括預(yù)分散和研磨2個(gè)過程，預(yù)分散的轉(zhuǎn)速大小和研磨強(qiáng)度均會(huì)對(duì)產(chǎn)品的分散穩(wěn)定性產(chǎn)生很大影響。

2.2.1 預(yù)分散轉(zhuǎn)速的影響
在高速分散過程中，對(duì)于助劑和顏料的分散需要選擇不同的轉(zhuǎn)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(yù)分散第1 階段，高速分散機(jī)除起到基本的攪拌混合還可起到對(duì)部分助劑乳化分散的作用，因此轉(zhuǎn)速采用中速為宜（1000 r/min 左右）。轉(zhuǎn)速太高，會(huì)混入大量空氣，產(chǎn)生較多氣泡，還會(huì)增加生產(chǎn)能耗；轉(zhuǎn)速太低，分散劑等助劑未被分散均勻，將會(huì)影響到顏料的潤濕和分散，并最終影響色漿的貯存穩(wěn)定性。在顏料粉添加階段（預(yù)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(zhuǎn)速需相應(yīng)提高，但不宜過高，過高容易造成體系湍流而影響分散。預(yù)分散第2 階段轉(zhuǎn)速對(duì)色漿性能的影響見表3。

從表3 可以看出，轉(zhuǎn)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(wěn)定性。

2.2.2 研磨次數(shù)的影響
要使顏料穩(wěn)定地分散在體系中，研磨細(xì)度應(yīng)達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn)，因此在預(yù)分散之后需要將色漿進(jìn)一步研磨。通常隨著體系研磨次數(shù)的增加，色漿的粒徑變小，貯存穩(wěn)定性提高，但研磨次數(shù)無需過多，因?yàn)楫?dāng)顏料粒徑減小到一定程度后，顆粒新生表面強(qiáng)大的表面能會(huì)為顏料的重新團(tuán)聚提供能量，研磨設(shè)備產(chǎn)生的機(jī)械粉碎力提供的能量一部分將用于阻止顆粒重新團(tuán)聚，因而有可能表現(xiàn)為研磨次數(shù)過多研磨效果基本不變而耗能卻增加。研磨次數(shù)對(duì)色漿細(xì)度和穩(wěn)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(shù)的增加，色漿細(xì)度明顯減小，沉降體積分?jǐn)?shù)增大，穩(wěn)定性增強(qiáng)，當(dāng)研磨次數(shù)達(dá)到4 次時(shí)，色漿細(xì)度為25 μm，沉降體積分?jǐn)?shù)達(dá)到96.61%，可滿足穩(wěn)定性要求。
2.3 助劑對(duì)色漿分散穩(wěn)定性的影響

2.3.1 分散劑的影響
水性色漿是一個(gè)熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，隨著時(shí)間的推移，已分散的顏料初級(jí)粒子在范德華力、靜電力和空間位阻力的綜合作用下，會(huì)相互吸引逐漸形成聚集體或聚結(jié)體[5]。根據(jù)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(huì)加劇，穩(wěn)定性降低。使顏料粒子充分潤濕并穩(wěn)定地分散在體系中，盡可能地降低其沉降速度，提高貯存穩(wěn)定性，分散劑具有決定性作用。
本研究依據(jù)丹尼爾流動(dòng)點(diǎn)法[6-7]選擇分散劑的種類和用量。
（1）丹尼爾流動(dòng)點(diǎn)測(cè)試
丹尼爾流動(dòng)點(diǎn)是使顏料解聚所需分散劑的最低值。對(duì)同一種顏料，分散劑的流動(dòng)點(diǎn)越低，則說明顏料越容易分散，同時(shí)配方中需要添加的分散劑用量也越少。其測(cè)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(jì)算出分散劑活性物對(duì)顏料的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，即丹尼爾流動(dòng)點(diǎn)。通過測(cè)試各種分散劑對(duì)氧化鐵紅的丹尼爾流動(dòng)點(diǎn)，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(dòng)點(diǎn)（%）=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(dòng)點(diǎn)很高外，其余5 種分散劑的丹尼爾流動(dòng)點(diǎn)都較低，其中Hydropalat 3204 的最低。經(jīng)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(yàn)的備選分散劑，將其分別制成色漿考察黏度、貯存穩(wěn)定性、流動(dòng)性等方面性能，再進(jìn)一步篩選。

（2）分散劑種類對(duì)色漿分散穩(wěn)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(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，用量為各自丹尼爾流動(dòng)點(diǎn)用量的2.5 倍，分散劑種類對(duì)色漿產(chǎn)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(chǔ)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(wěn)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(wěn)定性差，尤其是Hydropalat 3204，貯存后嚴(yán)重結(jié)塊，無法重新調(diào)勻，而BYK-190 的沉降分水最為嚴(yán)重（沉降體積分?jǐn)?shù)為89.92）。Dispersogen DIP 和TEGO Disper 752W有較好的穩(wěn)定性，但降黏效果和流動(dòng)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(yán)重的團(tuán)聚；以Dispersogen DIP 為分散劑制備的色漿基本無團(tuán)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(tuán)聚，并且顏料粒子分散均勻。綜合考慮分散穩(wěn)定性、黏度、流動(dòng)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(zhì)中又能構(gòu)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(shí)也不易解吸附，制備出的色漿表現(xiàn)出更好的穩(wěn)定性。

（3）分散劑用量對(duì)色漿產(chǎn)品性能的影響
分散劑用量對(duì)色漿的分散穩(wěn)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(dǎo)致色漿的穩(wěn)定性降低；用量過多，過量的分散劑會(huì)在顏料粒子間“架橋”而重新導(dǎo)致絮凝，引起體系穩(wěn)定性的下降。以分散劑SN-Dispersant5034 丹尼爾流動(dòng)點(diǎn)用量的1～3 倍進(jìn)行試驗(yàn)，分散劑用量對(duì)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(chǔ)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(dòng)點(diǎn)用量的1 倍時(shí)制備的色漿貯后穩(wěn)定性太差，無法配漆，故未做掃描。

注：①丹尼爾流動(dòng)點(diǎn)用量的倍數(shù)。
從表6 可以看出，當(dāng)分散劑用量從丹尼爾流動(dòng)點(diǎn)的1 倍增至2.5 倍時(shí)，色漿的黏度降低，沉降體積分?jǐn)?shù)增大，貯存穩(wěn)定性和遮蓋力增強(qiáng)，但隨著用量的進(jìn)一步增加，黏度反而升高，沉降體積分?jǐn)?shù)減小，遮蓋力和穩(wěn)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(dāng)用量增至丹尼爾流動(dòng)點(diǎn)的3 倍時(shí)分散效果反而變差，此時(shí)已超過最佳用量，故該體系分散劑用量選擇為丹尼爾流動(dòng)點(diǎn)的2.5 倍最合適。分析原因如下：當(dāng)分散劑用量過少時(shí)，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(huì)導(dǎo)致色漿細(xì)度返粗、遮蓋力差、黏度高、分散穩(wěn)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(jīng)吸附在顏料粒子表面的分散劑相互纏結(jié)，在外力作用下易造成分散劑從顏料表面脫落，從而導(dǎo)致遮蓋力變差、分散穩(wěn)定性下降等問題[8-9]。只有當(dāng)分散劑為最佳用量，所有的顏料粒子都恰好形成穩(wěn)定的雙電層結(jié)構(gòu)，達(dá)到單分子吸附最大值，能夠產(chǎn)生足夠的位能阻止粒子重新團(tuán)聚，從而體系具有最佳的穩(wěn)定性。

2.3.2 增稠劑的影響
根據(jù)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(zhì)，黏度非常低，因而需加增稠劑來調(diào)節(jié)。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(jī)增稠劑等。各類增稠劑均有其優(yōu)缺點(diǎn)[10]，實(shí)際應(yīng)用中常搭配不同的增稠劑。本實(shí)驗(yàn)采用無機(jī)類SMP-HV2 與堿溶脹型DSX AS 1130 增稠劑進(jìn)行復(fù)配，SMP-HV2 為鋁鎂硅酸鹽類增稠劑，在水中有優(yōu)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(jī)理是在堿性體系中發(fā)生酸堿中和反應(yīng)，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(dá)到增稠的效果。試驗(yàn)結(jié)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(wěn)定性增強(qiáng)，分水明顯減少，同時(shí)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(qiáng)。但觸變性過強(qiáng)色漿的流動(dòng)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(shí)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(wěn)定性。

2.4 水性氧化鐵紅色漆的穩(wěn)定性
在最佳工藝條件和最優(yōu)配方下制備氧化鐵紅色漿，將其與實(shí)驗(yàn)室自制的水性木器透明基礎(chǔ)漆按一定比例配制成鐵紅色漆，測(cè)試其黏度、穩(wěn)定性等性能，結(jié)果見表8。

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

3 結(jié)論
（1）氧化鐵紅的含量為60%時(shí)，配制的色漿具有良好的流動(dòng)性和穩(wěn)定性。
（2）預(yù)分散第1 和第2 階段的轉(zhuǎn)速分別為1000 r/min 和3000 r/min 較為合適，研磨4 次色漿的細(xì)度和穩(wěn)定性可達(dá)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(wěn)定性，并且其用量存在一個(gè)最佳值。
（4）增稠劑對(duì)提高體系的穩(wěn)定性有明顯效果，不同類型的增稠劑復(fù)配使用效果更佳。

以上就是氧化鐵紅色漿的分散穩(wěn)定性研究，希望對(duì)大家有所幫助。