润湿分散剂的分类特性与应用润湿分散剂的分类特性与应用0陈友

润湿分散剂的分类特性与应用,润湿分散剂的分类特性与应用

润湿与分散是涂料制备的重要工艺过程。由于涂料品种的多样性，所使用的相关分散助剂也品种繁多。由于涂料助剂大多价格不菲，取舍之间更有着经济意义因此，有必要对助剂的选择问题作深入浅出的探讨，达到整体把握的目的。将润湿分散剂从化学上加以分类是困难的。原因是不同品牌的产品，其组成、结构差别非常大。从实际应用需要，对其进行大致分类则是可能和有意义的。考察润湿分散剂的分类特性，宜从应用范围(主要是相容性问题)、极性、离子性以及相对分子质量特征等方面进行。按应用领域分为水性、油性和通用型分散剂。按功能又分为润湿剂和分散剂。实际上，这种分类方法有很大的随意性，因为润湿与分散根本就是一个统一连续的过程。 1 水性润湿分散剂1.1 润湿剂 润湿剂都是一些相对分子质量低于1 500的界面活性剂，主要作用是降低体系的界面张力。一般可在室温下把水溶液的表面张力从7.2×10-4N/cm降至4.0×10-4N/cm以下，从而有利于分散剂对颜料的作用。微观上是促进颜料的可润湿性，使分散剂易于在颜料表面铺展而结合，形成所谓的锚固关系。另一方面，润湿剂这种降低体系表面张力的作用还是涂料施工必不可少的性能。因为高表面张力的涂料不易在基面上涂覆，易出现流平不良等缺陷。应用于涂料配方中的润湿剂有别于乳液合成用的表面活性剂。后者以离子型居多，而前者主要是非离子型的酚基或烷基聚氧乙烯类。 润湿剂的HLB(亲水亲油平衡值)是衡量极性大小的重要参数，一般供应商可以提供这类数据。HLB高则水溶性好，反之在水中不稳定，需要恰当把握。过高的HLB易使涂料对商品色浆的接受性变差，易出现浮色、发花等涂料质量和施工缺陷。色浆与基础涂料之间HLB差距过大可能是水性涂料调色故障的主要原因。另外，泡沫的产生对涂料制造也是个敏感的问题。理论上有一些计算已知结构表面活性剂HLB的方法。 有必要指出的是，钠盐或钾盐型分散剂的HLB可能超过30以上，而合适的HLB应该在20以下。遗憾的是，准确测定助剂的HLB还是相当困难的。简单测定助剂HLB的方法列于表1。将少量助剂与水相混，观察产生的现象，大致评价出HLB的范围一个题外问题是，广泛使用的烷基酚类聚氧乙烯醚(AEO)活性剂由于确．切的生殖损伤毒性而被列入应淘汰的化学品。 1.2 水性分散剂 市面上广泛使用的水性分散剂经历了一个逐步升级换代的过程。目前，曾广泛使用的卵磷脂类和无机磷酸盐/酯类，如KTPP(三聚磷酸钾)、TKPP(焦磷酸四钾)等聚电解质类分散剂，由于其生物性缺陷(促进微生物滋生)以及高电解质浓度的副作用，正在被淘汰。新一代的水性分散剂大致可分为以下5类。 表1 水分散法测定助剂的HLBHLB范围 分散现象5-6 不稳定，或分散不良7-8 经强烈摇荡后呈乳状分散9-10 经强烈摇荡后呈乳状分散11-13 稳定的乳状分散体>13 半透明或灰色分散体，清澈透明溶液 (1)水溶性高分子聚电解质类。以聚丙烯酸盐(钠、钾、铵)类为代表，属强离子性。商品形式多为20％—30％的水溶液，其金属盐有的制备成固体粉末。大部分易溶于水，无味。依靠在颜料表面产生ξ电位的静电斥力作用使颜料分散。聚合度在12～18之间具优良的分散能力，主要用于无机颜料的分散，可急剧降低研磨料的黏度，但形成的色浆具触变性。由于离子浓度大，分散体的稳定性并不好，且HLB偏高，初期对颜料的润湿差，需润湿剂的密切配合。涂料的色浆接受性差，易出现调色障碍(商品色浆主要用HLB较低的高分子助剂制造)，但价格便宜，用于白漆制备，添加量低，不适合基础漆的制备。 (2)亲水性丙烯酸酯共聚物。由于离子浓度大大降低，研磨料既有适宜的剪切力，又可形成黏度稳定的分散体，对分散无机颜料非常适合，其结构多含有聚氧乙烯、磺酸基等接枝单元。除具静电斥力稳定机制外，尚依赖空间位阻使分散体得以稳定。由于HLB适中，配漆性能良好。 (3)线性大分子离子型或非离子型化合物。大部分为聚氧乙烯类活性剂。由于相对分子质量低，聚集态易于流动，所以商品形式多为100％或85％等高固体含量组成。具有一端高密度活性基团结构的品种用于无机颜料的分散性能优良。用于有机颜料和炭黑的品种具二端平面大л键环结构或亲颜料基团。此类助剂HLB与第(2)类相似，但属水溶性，可能会从涂膜中游离，有损涂层的理化性能。也有疏水性的此类助剂，应用上较为安全。 (4)疏水性共聚物分散剂。大部分也是丙烯酸类，但基本不显示离子性，有的含有胺类接枝单元等，以空间位阻和有效锚固基团作用稳定颜料。HLB低，制备颜料浆时提供适宜的剪切力环境，既适宜分散无机颜料，又可分散有机颜料和炭黑，是水性分散剂的开发方向。虽然其用量较大(可为离子性助剂的数倍)，但同时作为载体树脂，所得颜料浆具优良的展色性和稳定性，又由于不可逆的水溶性和较高的相对分子质量，可作为成膜物看待，不会产生副作用。 (5)用于阴极电泳涂料的阳离子型共聚物分散剂。如丙烯酸共聚体接枝PU,主要用于工业涂料，不宜与阴离子助剂复配。实践中，往往要试验一下助剂的水复溶性，以决定是否适用于耐水涂层场合。 将助剂在50-70℃烘干，再用水试验溶解性。结果可出现3种情况：溶解、乳浊、不溶。分别代表：水溶性、亲水性、疏水性。 水性分散剂除以上分析的一般特性外，尚需关注它们在涂料配方组成的协调性。除前已述及的基础涂料对色浆的接受性，还应考察它们对增稠系统的影响。已经证实，分散剂的高电解质浓度对增稠过程和涂料的光泽是不利的。而亲水的或疏水的高分子共聚物类分散剂倾向于加强和稳定增稠系统的作用并且改善涂料的光泽。另外(2)、(4)类共聚物分散剂无需润湿剂配合。 2 溶剂型润湿分散剂由于有机介质普遍具有低的表面张力，因此在这一领域使用的润湿剂也是分散剂，只不过它们的相对分子质量低，不能形成稳定的分散体，需要与相对分子质量高的分散剂配合使用才能发挥它们独有的作用。溶剂型涂料涉及的介质极其复杂而广泛，不仅因其溶剂种类，更因其成膜物质的特性而要求在相容的原则下选择不同组成特性的分散剂。所以形成了品种众多的分散剂系列。 就一般分类看，也像水性助剂那样有离子型、非离子型，相当数量的具有阳离子结构特征的产品。相对分子质量从数百量级的普通大分子到数万量级的高分子组成。只不过，在溶剂型涂料中，由于介质普遍不像水那样具有高介电常数，所以离子性作为其特征并不具太大意义。溶剂型涂料所使用的分散剂主要发挥锚固作用和空间位阻作用 2.1 溶剂型涂料用相对分子质量低的分散剂 此类助剂又称传统型分散剂，顾名思义，这是化学上最早开发的一类产品，也是现代高分子分散剂的前身。相对分子质量在400-2000之间。主要是线型烷基酰胺类或枝型多聚羧酸，或是多聚羧酸与多元胺组成的低聚物，非离子型居多。不会向涂层引入亲水性，机理上是多元酸的羧基紧密排列在基面(如金属)上，疏水一端向外，排列成疏水层。因为这一特性而被用于防腐、防锈涂料中。缺点是相对分子质量低，不能形成有效的位阻空间。不适宜分散有机颜料和高色素炭黑。所能达到的细度值和流动性有限。用于工业涂料也有泛黄倾向。但它们的低极性特征使之能溶于脂肪烃类溶剂。因而广泛适用于传统油漆以及溶剂型丙烯酸建筑涂料中。 2.2 溶剂型涂料用相对分子质量高的分散剂 溶剂型涂料用相对分子质量高的分散剂又称超分散剂，是现代分散剂的主流设计方向。前已述及，在溶剂型涂料中介质的低介电常数使得静电斥力机制不能发挥作用。为了稳定颜料的分散，特别是有机颜料和炭黑，必须开发相对分子质量高的分散剂。使空间位阻成为主要作用方式。大体上，相对分子质量高的分散剂有以下3类。(1)聚酯主链结构的活性衍生物典型结构如下： [T-(0-A-C-0)nP-Z 式中：A—C8—20线型亚烷基或链烯基； T—H或链终止基团； Z—多元胺或聚亚胺的残基，n=2～10，p≥2。 其中[T(OAC0)n]p：Z=(5：1)～(20：1)(质量比) 聚酯类分散剂可用于中高极性的工业涂料和粉末涂料(2)聚氨酯类这是目前开发较为成熟的一类高分子分散剂。其特征是在分子链中均匀分布着一系列氨基甲酸酯基团或链段，或者是分布于接枝的侧链上，并以叔胺和环结构为锚固基团。适用于中高极性系统各种颜料的分散。性能较为全面，形成的色浆黏度低，展色优异。在溶剂型涂料中，惟一对颜料分散提出苛求的品种是汽车涂料等工业涂料。使用最高等级的色素炭黑和有机颜料，所使用的介质也以含氧溶剂为主。普通中、低相对分子质量的分散剂难以适应，PU型高分子分散剂满足了需要。然而，不仅由于此类助剂成本较高，还由于它的高极性，不适合用于极性低的涂料品种。因为，在普通烃类溶剂中不能很好溶解。分子链不能有效的被溶剂化以形成空间位阻。 (3)接枝丙烯酸共聚物由于存在游离的羧基等，也用于水性系统，相对分子质量高，分散能力不如PU分散剂，但稳定性同样好，价格适中，适用范围广。普通工业涂料，从低极性到高极性均可应用。上述2类高分子分散剂构成了当今分散剂的代表性品种。另外还有尚在开发的特殊结构的分散剂。如根据亲颜料基团要求设计的具有类似颜料结构特征的分散剂等。高分子分散剂的主要应用技术是建立与之相适应的极性体系。因为极性相似的体系意味着更多热力学相容的机会。从而能够使助剂很好地溶于涂料，起到稳定分散状态的作用。保证相容性也是涂膜光泽的重要条件。但是，也要防止溶剂与助剂过分强烈的相互作用，以免发生助剂从颜料表面脱离吸附。<

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