影响乳胶漆分层的因素

影响乳胶漆分层的因素
张 丽1,李 涛2,杨华永1,刘建勋1,陈金周1,王经武1
(1.郑州大学 材料工程学院,河南 郑州 450052; 2.美国罗门哈斯公司 郑州办事处,河南 郑州 450004)

1 前言
近几年来,内外墙乳胶漆以其美观、实用、环保等特点,受到了普遍欢迎,并取得了前所未有的发展。我国乳胶漆的开发和应用起步较晚,目前虽然有些产品的性能指标已达到或超过国外同类产品标准,但在乳胶漆的贮存稳定性上仍存在较大的差距。国外乳胶漆产品开罐后,外观细腻、丰满、粘度均匀一致,而国内很多厂家生产的乳胶漆在开罐后,常出现分水、分层现象,有的甚至下层结块。本文以斯托克斯法则(stokes)为依据,分析了乳胶漆沉降的原因。原料的生产厂家不同,对乳胶漆沉降性的影响也有差异,本文所有实验均以美国罗门哈斯公司生产的基料及助剂为原料。分析结果虽有其局限性,但文中的实验方法、理论基础都是能够为众多涂料厂家提供技术支持的,并希望以此引发涂料界人士对乳胶漆贮存稳定性的进一步探讨。

2 实验部分
2.1 理论依据
乳胶漆中的颜料粒子的沉降速度可以用stokes法则[2]来表示:。

式中: V—沉降速度,cm/s ;r—颜填料颗粒的半径,cm ;g —重力加速度,m/s2;ρ1 —颗粒体系密度,g/cm3;ρ2—液体介质的密度,g/cm3;η—液体粘度,Pa · s
由stokes法则可知,减小固体颗粒粒径,增加体系粘度,降低颜填料颗粒与乳液体系的密度差可以降低颜料粒子的沉降速度。在乳胶漆的制造过程中,颜填料的润湿、分散与稳定是通过分散剂来实现的,而体系粘度是靠增稠剂来调节的。将stokes法则引入到研究乳胶漆沉降因素中来,为我们的实验提供了理论依据。
2.2 实验原料
纯丙乳液:Primal  AC-261(罗门哈斯公司提供) ;颜填料:钛白粉(杜邦提供)、重钙粉、高岭土(均为工业级) ;分散剂:Orotan¨ 731A、Orotan¨1288(罗门哈斯公司提供),三聚磷酸钠(化学纯);增稠剂:Acrysol¨ RM-8W、 DR-72、DR-73、RM-2020(罗门哈斯提供),羟乙基纤维素HEC(工业级)。
2.3 乳胶漆的制备
将颜填料、分散剂与水混合,搅拌均匀,用砂磨分散多用机研磨至细度<40 μm,制得色浆。再加入纯丙乳液、增稠剂,分散均匀。在考察分散剂及增稠剂对乳胶漆分层的影响时,乳液和颜填料的配比不变(PVC=30),只改变助剂的种类及用量。
2.4 测试项目(见表1)

3 结果与讨论
3.1 分散剂对乳胶漆分层的影响
3.1.1 分散机理
分散剂是能够提高涂料体系分散稳定性的界面活性物质。添加在涂料中的分散剂吸附在粉碎成细小微粒的颜填料粒子表面,构成吸附层,产生电荷斥力和空间位阻效应 ,防止分散稳定了的颜料粒子再度形成有害的絮凝,从而保持分散体系处于稳定的悬浮状态。乳胶漆中常用的分散剂有多聚磷酸盐、高分子聚电解质(如聚羧酸盐)、非离子水溶性聚合物(如聚乙二醇)等。

从表2 可以看出,用三聚磷酸钠作为分散剂生产出的乳胶漆极易分层。由于小分子分散剂分子量小,分子链短,不能形成很好的空间位阻效应。而且在外力影响下,很易从颜填料颗粒上解吸附,使颗粒重新聚集,粒径增大,沉降速度增加,造成乳胶漆分层。另外,由于颜料聚集,使漆膜的着色力和遮盖力下降,对比率降低。
Orotan¨ 731A、Orotan¨ 1288属于高分子分散剂,其中Orotan¨ 1288 是丙烯酸钠盐的均聚物,Orotan¨ 731A 是丙烯酸钠盐的共聚物(其结构如图1)。高分子分散剂分子链长,被颜填料颗粒吸附后不
仅能形成双电层产生排斥力,而且还有空间位阻的作用,受外力(如搅拌等)影响时不易解吸附,生产出的乳胶漆稳定、不易分层。
Orotan¨ 1288含有很多羧基,所以带较多电荷,其优点在于分散剂用量小,分散效率高,但其亲水能力强,生产出的乳胶漆耐水能力差,所以Orotan¨1288主要用于内墙涂料。Orotan¨ 731A是一种疏水改性的丙烯酸钠盐的共聚物,原来的亲水基团——羧基部分被疏水基团—R取代,耐水能力明显增强。但由于负电荷减少,分散能力大大降低,只有增加分散剂的用量,才能使颜填料颗粒带上有效的电荷形成双电层。因—R基团不能被颜填料颗粒吸附,其在颜填料颗粒上伸出,形成空间位阻效应,加大了颜填料颗粒之间的距离,有利于乳胶漆的稳定。


从表3 可以看出,随着分散剂用量的增加,乳胶漆的稳定性在不断的提高。由于分散剂的加入能提高研磨效率,降低色浆及乳胶漆的粘度,所以当粘度最低时应是分散剂的最小用量(0.45%)[4],此时分散剂恰好使颜填料的一次粒子形成饱和吸附层,再增加用量对粘度影响不大,却能提高乳胶漆的贮存稳定性。但分散剂用量过多,会影响漆膜光泽,所以应找到分散剂的最佳用量。

表4 说明了只有分散剂用量达到最小用量的1.5倍(0.66%)时,乳胶漆的粘度才在储存的过程中不会变化,乳胶漆也不会出现分层现象。这是因为受外力的影响,吸附在颜填料颗粒上的分散剂会有一个吸附和解吸附的过程,此过程存在动态平衡。如果分散剂仅为最小用量,就达不到动态平衡下的饱和吸附,颗粒带电荷减少,不能有效地形成双电层,颜填料又会重新聚集形成二次粒子,造成乳胶漆分层。当分散剂的用量达到最小用量的1.5 倍时,才能在吸附和解吸附的动态平衡下形成饱和吸附,使颜填料颗粒始终保持有很高的势能,整个体系处于一个稳定的平衡状态。
3.2 增稠剂的搭配选择
3.2.1 增稠机理
根据增稠剂与乳胶漆中各种粒子作用关系,可分为缔合型和非缔合型。非缔合型增稠剂,通过水合以及形成在水相体系中起作用的弱凝胶结构来增加粘度,如羟乙基纤维素醚(HEC)、碱溶胀聚丙烯酸(DR-72)等。这类增稠剂的流变特性接近假塑体,具有高的低剪切粘度和低的高剪切粘度,触变性大。缔合型增稠剂实质是疏水改性的水溶性聚合物,包括非离子疏水改性环氧乙烷聚氨酯共聚物(RM-2020)、疏水改性碱溶或碱溶胀乳液等。它和表面活性剂一样,当浓度超过临界胶束浓度后会形成胶束,胶束与聚合物粒子缔合形成网状结构,导致了体系粘度增加。缔合型增稠剂的粘度受剪切速率的影响较小,触变性也较小[6]。在实际应用中,乳胶漆的流变特性是通过配合不同的增稠剂来控制的。

3.2.2 增稠剂的搭配选择
由表5 可以看出,不同增稠剂配合对贮存稳定性和流平性的影响不同。漆E 含有对中高剪切粘度贡献大的缔合型增稠剂(RM-8W、DR-73),而乳胶漆的贮存稳定性是由低剪切粘度决定的,所以稳定性最差,但流平性较好 ;漆D采用羟乙基纤维素(HEC)和DR-73 配合,流平性变差,但稳定性有所改善;漆C只采用对乳胶漆低剪切粘度贡献较大的DR-72,流平性最差,由于碱溶胀聚丙烯酸类增稠剂对乳胶漆中其它成分比较敏感,所以最后仍出现分层;漆A 选择了缔合型与非缔合型增稠剂的合理搭配,既保证了乳胶漆丰满度高流平性好,又保证了乳胶漆的贮存性能。但对低剪切粘度作贡献的增稠剂量不能过大,否则会影响乳胶漆的流平性,如漆B。
3.3 颜料体积浓度(PVC)对乳胶漆分层的影响
在乳胶漆的制备过程中,通过改变纯丙乳液和颜填料的相对含量,得到一系列不同PVC 的样品漆。在每种样品中,分散剂采用Orotan¨ 1288,用量按3.1.2确定 ;增稠剂采用RM-8W/RM-2020/DR-72,调节乳胶漆的粘度,使达到施工要求。

由表6 可见,随着PVC 的增加,触变性增加,流平性变差,贮存稳定性降低。这是因为PVC 的增加使单位体积内颜料粒子数增加,乳液量相对减少,粒子相互碰撞的几率变大,容易发生凝聚 ;另外,当PVC 较大时,没有足够的乳液来浸润颜料粒子,也导致其相互吸引、凝聚,从表观上看,其行为犹如大的颗粒。根据stokes 公式,当体系粘度与密度差不变时,颗粒半径变大,沉降迅速,容易分层〔8〕。但由于分散剂的隔离与增稠剂的缔合增稠作用,颜填料粒子并未真正的絮凝,而是以疏松的网络体系下沉,不会出现硬块状沉淀。PVC越大,越易分层,在低剪切速率下易出现局部粘度过大,因而流平性变差。从避免乳胶漆分层的角度来看,颜填料的体积浓度越小越好,一般应选择在临界颜填料体积浓度附近,这样既可以减少乳胶漆分层的几率,又可以降低成本。

4 结论
(1) 本体系中采用高分子分散剂比小分子分散剂具有更好的吸附和分散稳定性 ;分散剂用量达到最小用量的1.5倍时,才能形成饱和吸附,乳胶漆在贮存过程中不易分层;分散剂种类不同,适用于
不同场合的乳胶漆,如Orotan¨ 1288用于内墙乳胶漆、Orotan¨ 731A 可用于外墙涂料。
(2) 增稠剂的使用应兼顾乳胶漆的贮存稳定性和施工性能,本体系采用了缔合型与非缔合型增稠剂的合理搭配,既保证了乳胶漆丰满度高流平性好,又保证了乳胶漆的贮存性能。
(3) PVC应选择在临界颜填料体积浓度附近,这样既可以减少乳胶漆分层的几率,又可以降低成本。

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