水性色浆是乳胶漆必配的着色材料, 并且其应用领域不断延伸。生产环保型水性色浆是我们必须探索的课题。水性色浆一般由水、粉状颜料、表面活性剂、助溶剂、保湿剂等组成。
水性色浆, 也称为颜料分散体。优秀的水性色浆必须与水性聚合物乳胶体相容性好、质地均匀、不含交联剂和APE烷基苯酚多乙二醇谜溶剂。在选材上应选用具有优良的耐候性、耐光、耐化学腐蚀及抗紫外线性能的优质颜料。成品着色剂应是着色力强、流动性好、长时间储存不结块, 不沉淀,不返粗、固含量高、产品勃度稳定、泡沫低, 不风干, 遇冰冻可融化后再使用, 不发霉、尽可能低的VOC。
这里对水性色浆的高保湿性、品质稳定性、窄带粒径分布、良好的兼容性作初步的理论探讨。
粒径分布对水性色浆性能的影响
颜料的显色是由光线对其发色基团与助色基团的作用结果, 颜料粒子的大小对其颜色性能也有很大的影响。为了保证少量配色色光反应一致, 需要对着色剂的粒径进行有效分析。色浆体系中的颜料粒径会影响其遮盖力和着色强度, 颜料对光的反射作用与其自身同周围介质的折射系数之差有关, 折射系数差别越大反射作用越强, 遮盖力越强, 因此, 在一定范围内颜料粒度提高, 遮盖力增加。颜料粒子粒径变小时, 比表面增大, 着色强度增加,但达到纳米级时颜料将会是透明的, 其遮盖力将会下降。此外, 粒度对颜料的色光也有影响, 通常粒径大, 粒度分布较宽, 色光发暗反之色光鲜艳。
另外, 粒度还会影响颜料的耐光牢度。颜料粒径越小, 其比表面积愈大吸收光能就多, 细度小, 尽管其着色力提高, 但耐候性相对降低, 受破坏的程度也增加, 因此, 褪色较快。颜料颗粒的粒径对分散稳定性也有影响, 粒径分布越窄, 分散性就越好,平均粒径越小, 越不容易沉降。但是粒径过小, 容易发生絮凝, 发生絮凝是由于粒子小, 比表面积增大, 表面自由能也增大, 粒子总有自动减小表面积的趋势, 从而发生絮凝的机会也会增大, 不利于分散。在生产水性色浆时, 对不同产品应控制一定的细度范围。
色浆的稳定理论
水性色浆的稳定, 可利用电荷稳定理论和空间位阻理论进行解释。电荷稳定理论主要是指DLVO理论, 主要考虑颗粒之间双电层的作用而空间位阻理论则充分考虑了非离子型高聚物的空间位阻作用。分散颗粒之间具有相当大的排斥力, 足以抵消范德华力和布朗运动引起的碰撞, 并且能抵消重力引起的沉降作用时, 才能稳定的存在。这种排斥力主要来自两个方面一是颗粒周围的双电层或者说表面电荷之间的同性电荷的排斥作用另一个方面是颗粒表面所吸附的非离子物质之间的相互作用。
双电层稳定及助剂量的确定
要使得体系稳定, 必须使颗粒不容易接触, 为此可选用离子型分散剂, 利用双电层排斥稳定颜料粒子。要得到高稳定的着色剂颜料浆, 就需要提高双电层的厚度来控制zeta电位。由于电位的测定较复杂, 加之zeta电位的主要来源是由离子型表面活性剂贡献,那么, 要求对助剂的量和种类进行确定。
助剂量的确定可以利用“ 丹尼尔流动点” 的测定, 并在其基础上进行修正, 则可以得出在该体系中稳定化的助剂用量一般对不同品种的着色剂是在其“ 丹尼尔流动点”时助剂用量的2-2.5倍即可达到稳定的良好效果, 综合性价比较理想。助剂量过大会使得体系的勃度升高, 并且会产生“桥联”效应助剂量少则不能达到稳定分散的效果, 同时会引起相容性的问题。
空间位阻稳定
当体系中颗粒浓度较低, 颗粒的距离较大, 超出了电荷稳定的作用范围, 在重力的作用下容易发生沉降。那么可以选用非离子型表面活性剂进行锚固空间位阻稳定, 主要是形成胶束包覆及支链枝‘效应稳定, 稳定效果与胶束的形状有很大关系。胶束的形状与表面活性剂的用量有关, 随着表面活性剂用量的增加, 胶束形状由球状一椭球状一棒状转化。球状稳定效果及综合性能较好, 即临界胶束浓度(CMC)
助剂的选择和色差控制
不同的颜料对助剂有很强的选择性。具有一端有高密度活性基团结构的助剂用于无机颜料的分散, 性能优良用于有机颜料和象炭黑一类具有稠环结构的颜料, 应用具一端平面大键环结构或亲颜料基团的助剂〔。制备氧化铁颜料浆时, 一般只用阴离子型分散剂高分子钠盐。在分散过程中,该分散剂离解成带正电和带负电的离子和离子团。
工业着色剂在调色配色过程中, 希望其每次的颜色的重现性一致, 那么则要求对批次间水性着色剂有严格的色差控制, 一般色差控制依托色差计来加以评定。有较好颜色重现性的水性工业着色剂色差控制在△E<0.5 小于, 着色强度在正负5%。色差可用式表示
高保湿性
水性色浆一般都是由低沸点的表面活性剂和水作液相, 在调色过程中将会有一定时间暴露在空气中。如果体系的保湿性不理想, 由于体系的溶剂挥发, 可能会产生表面变厚或结皮现象, 从而使得体系中局部的色浓度变高, 导致配色的误差大, 高温季节会更明显。因此, 在制备着色剂时要求在非密封情况下, 长期保持稳定勃度、表面润湿’体系的保湿性主要决定于整个体系的溶剂挥发速率。溶剂的挥发速率受个变量的影响温度、蒸气压、表面与体积之比和流过表面的空气流速另外, 水的挥发还受相对湿度的影响。
对温度而言, 重要的是表面温度。随着温度的升高, 溶剂更易气化, 所以选择高气化热的溶剂对保湿是有利的。众所周知, 溶剂的挥发发生在溶剂空气界面, 所以表面积对体积比形成影响再者,挥发速度决定于空气溶剂界面上空气中溶剂的分气压, 所以流过表面的空气流速是重要的。如果挥发出去的溶剂分子不能快速地带走, 那么溶剂的分压增大而挥发受压制。一般来说, 水性体系溶剂的蒸气压在保湿性能中扮演着重要角色。对相对湿度而言, 在相同条件下, 相对湿度越大, 水挥发越慢。
当相对湿度接近100%, 水的挥发速度接近零。湿度和温度对保湿有一定的牵制作用。鉴于水性着色剂体系中的成分复杂, 所选用的溶剂的蒸气压不同, 所以挥发出来的组成与溶剂组成不同。在挥发过程中, 分蒸气压就不断的改变。如果对拉乌尔定律进行修正, 对生产高保湿性着色剂有指导意义, 那么对非理想溶剂组合可以用式表示
着色剂的兼容性
一组良好的着色剂应和各种水性基准物体系高聚物乳胶体都能有良好的相容性。如果着色剂和水性基准物体系的相容性不理想, 则会出现体系
结语
高品质水性色浆对自身的粒径、分散稳定、助剂选择、保湿、相容性有很高的要求, 水性色浆体系中应用拉乌尔定律及GIBBS自由能对合理设计配方有一定的指导意义。一系列优秀的色浆必须具备着色力强、流动性好、长时间储存不结块, 不沉淀,不返粗、固含量高、产品勃度稳定、泡沫低, 不风干, 遇冰冻可融化后再使用, 不发霉、尽可能低的VOC, 批次间色差少等性能。