涂料用润湿分散剂

第一节、概 述

润湿与分散是涂料制备的重要工艺过程。而涂料制备过程的中心环节是颜料分散，颜料分散是涂料、油墨、塑料加工、日用化妆品等生产中的一个重要工艺过程。颜料分散，亦即颜料在外力的作用下，成为细小的颗粒，均匀地分布到连续相中，以期得到一个稳定的悬浮体，不仅需要树脂、颜料、溶剂的相互配合，还需使用润湿分散剂才能提高分散效率并改善贮存稳定性，防止颜料在贮存期间沉降、结块，影响施工，此外颜料的良好分散还能够改善涂料的光泽、遮盖力、流变性等。

颜料分散一般经过润湿、粉碎、稳定三个不可分离的阶段。润湿是固体和液体接触时，固/液界面取代固/气界面，粉碎是借助机械作用把颜料凝聚体和附聚体解聚成接近原始粒子的细小粒子，并均匀分散在连续相中，成为悬浮分散体，稳定是指制备的悬浮体在无外力作用下，仍能处于稳定的分散悬浮状态。

在分散系中存在着各种不同的作用力，其产生的原因是各不相同的。分散体系的稳定性是由各种力的合力所决定的。颜料分散体系的稳定机理，主要有电荷斥力学和空间位阻效应。

想要获得一个良好的涂料分散体系，单纯依靠树脂、颜料、溶剂的相互作用有时是难以办到的，必须借助于湿润分散剂的帮助。

润湿剂、分散剂都是表面活性剂。润湿剂在颜料润湿过程中发挥作用，能够降低液/固之间的界面张力，可提高颜料的分散效率，缩短研磨时间。分子量低的湿润效率高。分散剂在颜料分散稳定过程中发挥作用，能够吸附在颜料离子的表面上构成电荷斥力、空间位阻效应，使分散体处于稳定状态。

将润湿分散剂从化学上加以分类是很困难的。原因是不同品牌的产品，其组成、结构差别非常大。宜从应用范围、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，因为润湿和分散根本就是一个统一连续的过程。

第二节、颜料润湿分散基本原理

一、涂料分散体系的构成

干粉颜料呈现三种结构形态：

①原始粒子，由单个颜料晶体或一组晶体组成，粒径相当小；

②凝聚体，由以面相接的原始粒子团组成，其表面积比其单个粒子表面积之和小 ，再分散困难;

③附聚体，由以点、角相接的原始粒子团组成，其总表面积比凝聚体大，但小于单个粒子表面积之和，再分散较凝聚体容易。

按照颜料和基料亲水和亲油的特性，分散体可分成六种：

a.亲水性颜料分散在亲水性的基料中；

b.亲水性颜料分散在亲油性的基料中；

c.亲油性颜料分散在亲水性的基料中；

d.亲油性颜料分散在亲油性的基料中；

e.亲水性和亲油性颜料分散在亲水性的基料中；

f. 亲水性和亲油性颜料分散在亲油性的基料中。

二、润湿作用

当液体与固体表面接触时，是原来的固/气界面消失，形成新的固/液界面，这种现象叫润湿。只有在颜料与树脂溶液之间的接合力大于基料树脂之间的接合力，才会发生润湿作用。 1.润湿与接触角

当液体与固体接触时，会形成一个夹角，这个角被称为接触角，它是液体对固体润湿程度的一个衡量标志。

一、概 述

（a）润湿式 （b）不润湿

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

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；l为颜料粒子间隙长度； η为基料的粘度。

以上两式表明，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。

cos13FlrK润湿效率

利用杨氏定理来衡量润湿程度时，应注意下述

几点：

固体和固/液界面的表面张力不能用实验方法测定：

①只能作相关测定，所以解释这些测定值时必须小心谨慎；

②固体物质表面上吸附了水蒸汽、液体或气体，存在着1个单分子润湿层，因此应用时必须修正杨氏定理；

③物体表面的平整度不同，根据固体物质表面的粗糙度，在计算接触角时必须有一个校正因数。

另外，还应注意固体物质表面的单分子膜层。接触角的滞后现象和温度对触角的影响。

一、概 述

2、润湿分散剂对润湿的作用 当颜料和树脂选定后，配方已基本固定，为了提高润湿效果，除黏度外，几乎没有可变因素，但黏度的降低也是有一定限度的。所以提高润湿效率的最好方法还是采用润湿分散剂，它会吸附在颜料的表面上，降低颜料和展色剂之间的界面张力，缩小接触角，使润湿效率提高。

涂料是多项的分散体，界面关系相当复杂，在颜料表面上可能会产生竞争吸附。在选择润湿分散剂时要注意与其颜料、树脂、溶剂等各种材料的关系，需作仔细的工作才能获得良好的效果。

一、概 述

第三节、 分散体系稳定的基本原理

一、概 述

一、颜料的沉降

制成的分散系，假若颜料粒径过大，由于重力作用会产生沉降。当分散粒子半径比分散介质半径大的多，而且是在无限扩展的牛顿流体中，单一球形粒子的沉降速度可利用Stokes公式求出：

Vs=2a（ρ-ρ0）g/9η

式中 Vs —— 沉降速度； a —— 粒子半径；

ρ—— 分散相的密度； ρ0—— 分散介质密度；

g —— 重力加速度； η—— 分散介质的黏度。

布朗运动和重力沉降并不是等量的运动。沉降产生的浓度，布朗运动会使其扩散，向均一化方向发展。当沉降速度过快，就会出现沉降体积；当布朗运动速度大，粒子就会形成分散的悬浮体。从重力作用考虑，在一定黏度，温度条件下，决定体系的稳定性的是粒径。

二、表面自由能和奥式熟化作用

当较大的颗粒被粉碎成微小粒子时，比表面积增加了。粉碎该物体所用的能量传递给了新形成的表面。在制成的微细分散体内，颜料粒子一般是疏液的。粒子和分散介质间的表面张力为γ，表面张力值和比表面自由能值大体相等，粒径变的越小，比表面积Ｓ增加越大，总表面自由能Ｇs＝γS增加越大，在热力学方面就越不稳定，粒子以凝聚来降低比表面积，如分散介质中含有表面活性剂等吸附物时该物质吸附时，该物质吸附在粒子表面上，表面张力γ下降，自由能也就降低了，分散体系趋于稳定。若颜料粒子亲水时，由于水化作用，焓减少，因此分散体系的自由能就降低了，体系趋向于稳定化。

一、概 述

分散体系中粒径分布不是均一的，粒子多少有溶解性。在微粒系中，由于粒径不同出现溶解性差，大粒子溶解度比小粒子溶解度小，因此小粒子周围溶解的分子向大粒子周围析出扩散。由于这种奥式熟化作用，小粒子逐渐消失，大粒子不断增大。分散系的稳定性也就降低了。

三、表面电荷作用

利用粒子间的表面电荷和吸附层，可以克服粒子间的范德华引力，防止和减缓凝聚作用，使分散体系稳定化。其作用原理在水系和非水系中基本是相同的。

1.电荷的产生

① 电位决定离子 表面电荷是由溶液中的电位决定的，叫电位决定离子。如氧化物离子中的氢离子(Ｈ＋)，氢氧化物离子(OH－)。结晶性粒子中的结构离子，如硫酸钡的Ba2+,SO42-离子结晶性粒子BaSO4，若分散介质中Ba2+离子浓度大，粒子带正电荷； SO42-的浓度大，则带负电荷。

一、概 述

② 表面具有电离基的粒子 具有电离基的离子表面，在水中电离，产生表面电荷，如炭黑，因表面具有酚羟基、羧基等酸性基，在水中带负电荷，不会因pH的高低而改变电荷符号。再如粘土，产生表面电荷的原因是晶格缺陷。水中的H+和OH-都具有强的亲和力，吸附了这些离子也就变成了带电荷的物质。

 涂料中颜料的带电情况：

 树脂对于颜料带电的影响比溶剂大；

 无机颜料由于树脂和表面活性剂的影响，带电极性易发生变化，在酸性树脂溶液中带正电；

 有机颜料不因树脂和表面活性剂而改变带电极性。多数有机颜料具有电子供给置换基的带正电，具有电子接受置换基的带负电。

 涂料中的颜料带电与虚浮分子和颜料表面之间的电荷移动有时没有决定关系。颜料的带电就是由吸附分子和分散介质的接触带电而决定的。

一、概 述

2、颜料分散、凝聚与表面电荷的关系

疏液性胶体的分散主要取决于分散粒子所带电荷的斥力和范德华引力间的能量关系。根据DLVO理论可测其稳定程度。所以分散粒子带电量是分散体系稳定的重要因素。

但在涂料中，颜料粒子是分散在树脂和表面活性剂等组成的漆料之中，颜料分散稳定性未必与带电量有对应关系，其原因是还有树脂或表面活性物质吸附在颜料表面上提供的空间位阻作用。所以颜料带电只是分散系的稳定因素之一。

一、概 述

 双电层的形成 若粒子表面带正电荷，其表面就会吸附负电荷构成了双电层。吸附的负电荷数比粒子表面所带的正电荷少，其厚度约一个离子半径，这层电荷吸附层被称为固定层。其余的负电荷则向分散介质的主体方向扩散，负电荷的数量依次地降低。

 DLVO理论 两个胶体粒子在布朗运动中一经碰撞就会产生粘结和凝聚，在两者间的斥力很大时则又分离。这种斥力主要是由于疏液性溶胶中离子带电所产生的。DLVO理论主要是根据双电层的理论来解释影响分散系稳定的因素。

一、概 述

四、高分子吸附对分散体系稳定性的作用

1. 高分子在固体表面的吸附

当固体颜料和高分子化合物溶液混合时，高分子化合物就会以吸附链吸附在颜料的表面。高分子在颜料表面上的吸附，对涂料中颜料的分散、分散体系的稳定性、涂料施工时的流动性和涂膜的附着力均有较大的影响。所以，如何提高高分子化合物在颜料表面吸附层的厚度，是提高涂料产品质量的重要因素。

影响高分子化合物在颜料表面上吸附的主要的因素有：

① 高分子浓度对吸附的影响 在不同的高分子化合物溶液中颜料表面吸附的高分子化合物的分子量是不相同的。颜料表面的吸附层是高分子化合物和溶剂的混合物。溶剂的吸附量，在高分子浓度低时，吸附量增高，当高分子浓度增加时，溶剂吸附量减少。在浓度低的范围内，高分子量化合物被选择吸附。在高浓度范围内，选择吸附移向低分子量化合物。在低浓度和高浓度范围内，吸附的高分子的分子量分布都是很窄小的。

一、概 述

② 酸—碱基对吸附的影响 酸—碱理论是颜料吸附中的重要理论。应用润湿分散