超细滑石粉的分散及其在水性涂料中的应用

超细滑石粉的分散及其在水性涂料中的应用

张 婧1, 钱建刚1, 田佩秋2
( 1. 北京航空航天大学材料学院, 北京100083; 2. 北京利强技术开发有限公司, 北京101102)

0 引  言
超细滑石粉是一种含水的镁硅酸盐矿物, 组成为3M gO.4S iO2.H2O。在超细滑石粉的晶格构造中, 硅氧四面体连结成层状结构, 层与层之间以微弱的余键相吸而极易解裂[ 1] , 同时它还具有较高的长径比。目前, 超细滑石粉已被广泛应用在涂料、造纸、塑料和化妆品等行业[ 2] 。当应用在涂料中时, 能赋予涂料优异的可刷性、流平性、保光性, 由此制得的涂层具有较好的耐冲击性和柔韧性, 且硬度较高, 同时还能有效提高涂层的耐蚀性和干性[ 3]。随着人们环保意识的增强, 水性涂料的发展速度逐渐加快, 超细滑石粉因其具有优异的性能也被应用于水性涂料中, 但因具有天然疏水性[ 4] , 使它在水性涂料中的分散稳定性不好。为此, 本文探讨了几种不同类型的高分子分散剂对超细滑石粉( 2 500目)悬浮液稳定性的影响,并将其应用于水性涂料中。

1  实  验
1 1  滑石粉沉降试验
分别在10 mL 量筒中配制10 mL 含不同分散剂浓度的2%滑石粉悬浮液, 超声分散30 m in 后静置10 h, 记录沉淀层的厚度并计算其沉降率。分散剂的分散效果用沉降率来衡量, 其值越小越好[ 5]。

1 2  分散剂FSJ- 502吸附等温线的测定
( 1)配制0.1%的FSJ- 502溶液, 用紫外- 可见分光光度计测定其吸收波长( 入);
( 2)配制质量分数分别为0. 01%、0. 04%、0. 07%、0.1%、0.3%、0.5%和0.7%的FSJ- 502溶液, 分别测定其在入处的吸光度值, 做出标准曲线;
( 3)在10 mL量筒中分别配制10 mL 含不同FSJ- 502量的2%滑石粉悬浮液, 经超声分散、静置、离心分离后取上层溶液测出其吸光度值, 根据标准曲线得出FSJ- 502的平衡浓度( ce ) 。FSJ- 502的起始浓度与ce的差值即为FSJ- 502 在超细滑石粉上的吸附量, 最后得到FSJ- 502的吸附等温线。

1 3  涂层的制备
将超细滑石粉加入到以苯丙乳液作为主要成膜物质的水性涂料中, 具体配制过程为: 在20 g 的苯丙乳液(固含量为48.4% )中加入10%的成膜助剂, 并在磁力搅拌机上搅拌使其混合均匀; 在10 mL去离子水中分别加入0. 2 g、0.6 g 和1. 0 g的超细滑石粉, 并加入FSJ- 502, 超声分散30 m in; 将上述两部分混合, 同时加入一定量的助剂, 搅拌均匀即得到所制涂料。将制备好的涂料均匀喷涂在A3碳钢上, 涂层厚度控制在( 25+- 3) um。

2  结果与讨论
2 1 不同类型分散剂对滑石粉分散的影响
分别在超细滑石粉悬浮液中加入分散剂FSJ- 502、DA -01、5040、S- 100后经沉降试验, 得出其沉降率。图1 为不同分散剂用量对超细滑石粉悬浮液沉降率的影响。

图1  分散剂用量对沉降率的影响

由图1可以看出: 加入不同的分散剂后, 超细滑石粉悬浮液的沉降率不同, 其分散效果不同, 具体结果为: S – 100 <5040< DA – 01< FSJ- 502。当加入DA – 01、5040、S- 100时,沉降率随其加入量的增加逐渐变小, 分散效果逐渐变好, 但当沉降率降到某一值后, 继续加入分散剂, 沉降率反而开始变大, 分散效果变差; 当加入FSJ- 502时, 沉降率随其量的增加逐渐变小, 达到一定值后, 沉降率不再变化, 分散效果趋于稳定。这是因为5040和DA – 01 均为阴离子型分散剂, 加入到悬浮液中后, 由于超细滑石粉的疏水性, 分散剂中的疏水基团吸附在超细滑石粉的表面, 带负电的亲水基团伸向水中, 增加了超细滑石粉的亲水性, 降低了颗粒间的疏水作用力, 同时增加了颗粒间的静电排斥力, 达到了良好的分散效果; 随着分散剂量的增加, 分散剂在超细滑石粉颗粒表面的吸附量逐渐增加, 超细滑石粉的亲水性增强, 颗粒间的静电排斥力逐渐增大, 分散效果逐渐变好; 当分散剂量加入到一定值时, 吸附达到饱和, 此时分散效果最好, 形成相对稳定的滑石粉悬浮液。但由于颗粒间的静电作用受离子浓度的影响较大[ 6] , 向静电稳定的超细滑石粉悬浮液中继续加入分散剂, 颗粒间的静电斥力反而逐渐减弱, 分散效果变差, 最终导致颗粒絮凝。S -100为非离子型分散剂, 加入到悬浮液中后, 可以使其高分子长链的疏水端紧密吸附于颗粒表面, 亲水端尽可能伸向水中,通过空间位阻效应, 降低颗粒间的吸引力。在颗粒表面达到饱和吸附之前, 由于分散剂量较少, 高分子长链所占的自由空间较大, 在溶液中尽可能呈直链, 随其量的增加, 颗粒表面的吸附量逐渐增加, 产生的位阻效应逐渐增强, 分散效果越来越好。当达到饱和吸附后, 分散效果最好, 悬浮液相对较稳定。继续加入分散剂, 高分子长链所占的自由空间减小, 在溶液中趋向于无规线团状, 颗粒间的距离变小, 吸引力增强, 易引起团聚, 导致悬浮液的稳定性下降。

2 2  FSJ- 502分散剂在滑石粉上的吸附等温线
为了更好地解释FSJ- 502用量对沉降率的影响, 测定了FS J- 502的吸附等温线。图2 为0.1% FSJ- 502溶液的紫外吸收光谱。

图2 FS J- 502的紫外吸收光谱

由图2可看出FSJ- 502在波长为300~ 340 nm 的范围内均有吸收, 且吸光度较大。因此, 选择320 nm 作为FSJ- 502的入。在320 nm 下, 测得FSJ- 502的标准曲线和吸附等温线分别如图3、图4所示。

图3  FS J- 502的标准曲线

由图3可以看出, FSJ- 502的质量分数与吸光度呈较好的线性关系。由图4可以看出, 随溶液ce的增大, 吸附量迅速增大, 当ce达到0. 657 5 g /L时, 吸附量趋于饱和。对照图1和图4可以看出, 随FSJ- 502加入量的增加, 吸附量逐渐增大, 悬浮液的沉降率逐渐降低, 说明分散效果与分散剂在颗粒表面的吸附量有着直接的关系。这是因为FSJ- 502吸附在超细滑石粉颗粒表面时, 其高分子长链能在水性介质中充分伸展, 形成几纳米至几十纳米厚的吸附层, 产生的空间位阻效应能有效阻止颗粒间的相互聚集; 当FSJ- 502的加入量达到一定值后, 其在颗粒表面的吸附量趋于饱和, 悬浮液的沉降率也基本趋于稳定。这可能是因为对于此粒径的超细滑石粉, 存在一个分散剂的最佳相对分子质量, 若相对分子质量过小, 吸附能力较弱, 反之则容易发生桥连或空位絮凝[ 7]。FSJ- 502的相对分子质量可能刚好处于最佳相对分子质量的范围内, 所以随FSJ- 502加入量的增大, 悬浮液的分散稳定性仍较好。因此可确定要达到最佳分散效果所需加入FSJ- 502的最少量, 即FSJ- 502的ce达到0􀀁657 5 g /L时, 吸附量刚好达到饱和吸附, 此时加入量最少, 分散效果最好。

2 3  滑石粉对涂层性能的影响
表1为超细滑石粉加入量对涂层性能的影响。

由表1可以看出, 随着超细滑石粉加量的增加, 涂层的表干能力、回粘性、硬度和耐蚀性均得到了明显提高; 当加入量较多时, 涂层的透光率、附着力却有所下降; 涂层的柔韧性和耐冲击性几乎没有变化。由于超细滑石粉的加入, 涂料的固含量增加, 涂层的表干能力、回粘性均得到了提高。滑石粉的莫氏硬度为1, 加入的滑石粉量越多, 涂层的硬度就越高, 而且超细滑石粉的片状结构既可以有效改善涂料的流平性, 减少涂层缺陷, 又可以有效延长腐蚀介质的扩散路径, 从而提高涂层的耐蚀性。但加入过多的超细滑石粉, 会导致涂层的遮盖力增加, 透光率下降, 同时由于滑石粉层间的结合力较弱易解裂, 使得涂层的附着力有所下降。超细滑石粉因其具有较高的长径比, 可赋予涂层较高的耐冲击性和断裂韧性, 故涂层的柔韧性能和耐冲击性能稳定。

3  结 语
超细滑石粉悬浮液中加入不同分散剂后, 分散效果为FSJ- 502> DA – 01> 5040> S- 100, 所以本试验的最佳分散剂是FSJ- 502, 并通过实验发现, 随分散剂FSJ- 502量的增加分散效果逐渐变好, 且当分散剂FSJ- 502 的平衡浓度达到0. 657 5 g /L时, 达到最佳分散效果且趋于稳定。
将分散稳定的超细滑石粉悬浮液加入到苯丙乳液中制成涂料, 其涂层的干性、回粘性、硬度和耐蚀性均得到了较大程度的提高, 且涂层的柔韧性能和耐冲击性能稳定。

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