水性涂料分水問(wèn)題研究

高天銥 徐世前 姚有智

水性涂料分水問(wèn)題研究

高天銥1,2徐世前1姚有智1

（1．蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽蕪湖，241002；2．蕪湖市聯(lián)合涂料有限責(zé)任公司，安徽蕪湖，241000）

在分散體系中討論分散劑的種類和數(shù)量對(duì)“分水”現(xiàn)象的影響；在增稠體系中對(duì)羥丙基纖維素、不同分子量羥乙基纖維素、羧甲基纖維素進(jìn)行比較，同時(shí)研究常用的液體增稠劑聚丙烯酸類和締合型聚氨酯類對(duì)“分水”的影響。結(jié)果表明，以引入錨定基團(tuán)制得的聚丙烯酸酯配伍六偏磷酸鈉并以羥丙基甲基纖維素配伍聚丙烯酸類液體增稠劑的方案取得了滿意的效果，所制備的水性內(nèi)墻涂料在貯存一年后無(wú)明顯分水現(xiàn)象。

水性涂料；分水；分散體系；增稠體系。

引言

涂料行業(yè)把涂料中的固體顏填料與分散體系分離的現(xiàn)象稱為“分水”，或叫沉底。是指涂料制成后，在貯存過(guò)程中，由于顏填料密度比較大而下沉，分散載體及水溶物上浮而引起涂料分層現(xiàn)象。顏填料沉底會(huì)引起涂料配方中各成分在包裝物中不均勻，影響涂料的施工性能，甚至?xí)霈F(xiàn)涂膜發(fā)花、橘皮、開裂、起泡弊病等。分水嚴(yán)重的造成涂料硬沉底而很難攪拌均勻，導(dǎo)致涂料報(bào)廢。

隨著人們對(duì)環(huán)保要求越來(lái)越高，國(guó)家對(duì)涂料VOC排放進(jìn)行了嚴(yán)格的限制，開發(fā)無(wú)污染的綠色涂料至關(guān)重要[1]。水性涂料日趨成為涂料大家庭中的主流產(chǎn)品。水性涂料是以水為分散介質(zhì)與成膜物、顏填料、助劑互相配伍而制成。如水性木器漆、水性鋼構(gòu)漆、水性內(nèi)外墻涂料等在近幾十年中得到極大發(fā)展。由于大部分顏填料密度都在2左右，和水相差比較大，顏填料在重力場(chǎng)中由于密度的差異，顏填料下沉是必然趨勢(shì)。同時(shí)，顏填料粒子在水中受到水的潤(rùn)濕而使粒子凝聚，微團(tuán)長(zhǎng)大而下沉。如何通過(guò)涂料本身的配方設(shè)計(jì)減緩顏填料的下沉（即分水）是廣大涂料工作者一直努力解決的問(wèn)題。目前市場(chǎng)上大部分涂料或多或少存在著“分水”問(wèn)題，影響了涂料的貯存期，影響了涂料的施工性和涂膜性能。有關(guān)水性涂料“分水”問(wèn)題的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。本文在多年涂料生產(chǎn)與研究的基礎(chǔ)上，分析了“分水”產(chǎn)生的原因，從分散體系和增稠體系入手，仔細(xì)研究了分散劑種類，數(shù)量，增稠劑種類等對(duì)“分水”的影響，實(shí)驗(yàn)取得了滿意的結(jié)果。

1. 實(shí)驗(yàn)

1.1“分水”表征

以內(nèi)墻乳膠漆配方為例，將制備好的產(chǎn)品放在試管中貯存，分別以1個(gè)月，3個(gè)月，6個(gè)月，12個(gè)月為時(shí)間段，考察“分水”現(xiàn)象。以漂浮在上方的水溶液的高度（mm）作為“分水”嚴(yán)重程度的判別。

1.2 配方設(shè)計(jì)

以內(nèi)墻乳膠漆作為研究問(wèn)題的實(shí)例，具有一定的代表性。因?yàn)閮?nèi)墻涂料更考慮成本問(wèn)題，顏填料大約占涂料重量的50%左右，尤其是填料較其它水性涂料所占比例更多。如此大量的粉體材料更易產(chǎn)生“分水”現(xiàn)象。

表1 內(nèi)墻乳膠漆基本配方

1.3 內(nèi)墻乳膠漆制備過(guò)程

按表1配方，先稱取水、分散劑、消泡劑、成膜助劑、乙二醇在高速分散機(jī)上慢速攪拌均勻，攪拌下慢慢篩人纖維素?cái)嚢杈鶆?。然后分別加入銳鈦型鈦白粉、重鈣、滑石粉、高嶺土，攪拌均勻后高速分散30min（25000r/min），當(dāng)細(xì)度?45μm后慢速加入苯丙乳液，攪拌均勻，用氨水調(diào)節(jié)pH=8.5左右，最后用液體增稠劑調(diào)節(jié)黏度在8000mpa.S，過(guò)濾，包裝。

2. 結(jié)果與討論

2.1 分散劑種類對(duì)“分水”影響

研究陰離子型，陽(yáng)離子型，非離子型，高分子型及高分子型加無(wú)機(jī)六偏磷酸鈉（重量比為1:1）五種類型分散劑對(duì)“分水”的影響。用量均為0.5%(重量百分?jǐn)?shù)，下同)，增稠體系以羥丙基甲基纖維素和聚丙烯酸類液體增稠劑配伍，表1配方中的其它組分及百分比不變。結(jié)果如下：

表2 分散劑種類對(duì)“分水”影響

從以上可以看出，五種類型的分散劑以高分子型分散劑為優(yōu)，尤其是高分子型多羥基硬酯酸聚酯與無(wú)機(jī)六偏磷酸鈉配伍更佳。這可能是由于高分子分散劑的錨定基團(tuán)一端與成膜物纏繞吸附，另一端與顏填料粒子包附，使得粒子微團(tuán)之間相互隔離，使得顆粒間空間排斥能增大[2]，粒子表面形成雙分子結(jié)構(gòu)牢，外層極性端與水親和力更強(qiáng)，增加了固體粒子被水潤(rùn)濕的程度，粒子間斥力更大。而六偏磷酸鈉的加入，增加了電荷的數(shù)量，提高形成立體阻礙的顆粒間的作用力，進(jìn)一步防止了微團(tuán)的團(tuán)聚。同時(shí)，它的加入降低有機(jī)分散劑的用量，因有機(jī)分散劑過(guò)量在高速分散時(shí)會(huì)帶來(lái)更多的泡沫。

2.2 分散劑用量對(duì)“分水”性能的影響

分散劑是一種在分子內(nèi)同時(shí)具有親水和親油兩種相反性質(zhì)的界面活性劑，可以均一分散那些難于溶解于液體的無(wú)機(jī)，有機(jī)填料的固體，同時(shí)能防止顆粒沉降和凝聚。因此分散劑在涂料制備中起著非常關(guān)鍵的作用。其用量一般為母料質(zhì)量的1-5%[3]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

表3 分散劑用量對(duì)“分水”性能影響（以貯存6個(gè)月記）

注：表3與表2分散劑種類相同

由表3可以看出，分散劑用量為母料質(zhì)量的0.5%時(shí)，“分水”嚴(yán)重。當(dāng)分散用量增加到1%~2%時(shí)，各種分散劑“分水”情況明顯好轉(zhuǎn)，但從1%增加到2%時(shí)，各種分散劑對(duì)“分水”結(jié)果影響不大。說(shuō)明0.5%用量的分散劑不能很好包覆顏填料粒子，產(chǎn)生的排斥能低，微團(tuán)易團(tuán)聚。

2.3 增稠劑對(duì)“分水”性能的影響

纖維素類增稠劑對(duì)水相增稠效率高，在水性涂料中得到廣泛使用。其增稠機(jī)理是疏水主鏈與周圍水分子通過(guò)氫鍵結(jié)合，提高了聚合物本身流體體積，減少了顆粒自由活動(dòng)空間，從而實(shí)現(xiàn)增稠。纖維素類增稠劑的使用對(duì)涂料施工性能有一定的影響，容易造成飛濺，流平性差等。分子量越大影響越嚴(yán)重。涂料產(chǎn)品要保證一定出廠黏度，一般用液體增稠劑調(diào)節(jié)。廣泛使用的液體增稠劑是丙烯酸類增稠劑和締合型聚氨酯增稠劑。丙烯酸類增稠劑是通過(guò)羧酸根離子的同行靜電排斥力，分子鏈內(nèi)螺旋狀伸展為棒狀，另外它還通過(guò)在乳膠粒子與顏填料之間形成立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)增稠。締合型增稠劑是分子中引入了親水團(tuán)和疏水基團(tuán)，在水中形成膠束，膠束和聚合物粒子締合形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)使液體增稠。

以上述高分子型多羥基硬酯酸聚酯與無(wú)機(jī)六偏磷酸鈉按1:1配伍作為分散體系，按表1配方制備乳膠漆，考察不同纖維素增稠劑和液體增稠劑對(duì)“分水”的影響。詳見(jiàn)表4和表5

在乳膠涂料中纖維素起主要增稠作用，液體增稠劑主要起調(diào)節(jié)黏度的作用，用量較小，但作用很大。它不但對(duì)“分水”性能有重要的影響，而且對(duì)涂料施工，漆膜性能有重要影響。

表4 纖維素增稠劑對(duì)“分水”性能影響（貯存6個(gè)月）

表5 液體增稠劑對(duì)“分水”性能的影響（貯存6個(gè)月）

由表4可以看出，羥丙基甲基纖維素對(duì)擬制“分水”效果最好，羥乙基纖維素隨著分子量的減小，“分水”越來(lái)越嚴(yán)重。這可能因?yàn)榱u丙基纖維素與乳膠和顏填料形成的纏繞網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)性能更強(qiáng)，不易使網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)破裂而發(fā)生微團(tuán)團(tuán)聚。而羥乙基纖維素隨著分子量的增加，疏水性能更好，纏繞的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)逐漸增強(qiáng)的原因使“分水”下降。而羧甲基纖維素由于和水相容性更好，形成的纏繞網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)較弱，因此更易“分水”。

表5是在配方中其它成分和用量確定下，專門討論兩種常用液體增稠劑對(duì)“分水”性能影響。結(jié)果表明，采用聚丙烯酸類增稠劑效果更好，其原因是聚丙烯酸類增稠劑羧酸根離子在乳膠和顏填料間架橋形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，而締合型增稠劑可能與相鄰的乳膠粒子存在相互作用，引起乳膠分層。

3. 結(jié)論

第一，水性涂料，尤其是乳膠涂料，采用高分子型多羥基硬酯酸聚酯分散劑與無(wú)機(jī)六偏磷酸鈉配伍有優(yōu)良的抗“分水”能力，用量為母料的1%左右。

第二，纖維素增稠劑應(yīng)選用羥丙基甲基纖維素或分子量更大的羥乙基纖維素，以羥丙基纖維素最優(yōu)。

第三，液體增稠劑以聚丙烯酸類為佳。不僅能抗“分水”，而且對(duì)施工和涂膜性能有很大幫助。

[1] 庾光忠. 水性涂料進(jìn)展[J]. 化工科技市場(chǎng), 2006,29(4):14-17.

[2] 黃蘇萍,張清岑. 超微SiO2的分散機(jī)理[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào), 2011,11(3):523-525.

[3] 張清岑,黃蘇萍. 水性體系分散劑應(yīng)用新進(jìn)展[J]. 中國(guó)粉體技術(shù), 2000,6(4):32-34.

A Study on Water Separation of Waterborne Coatings

GAO Tian-yi & XU Shi-qian & YAO You-zhi

In the frame of the dispersing system, the effects of the types and the quantity of dispersants on the water separation were discussed; hydroxypropyl cellulose, hydroxyethyl cellulose with different molecular weights and carboxymethyl cellulose were compared in the frame of thickening system, and meanwhile the effects of common liquid thickeners such as polyacrylic acid and associative polyurethane on water separation were also studied. The results show that when the polyacrylate prepared by introducing the anchoring groups was compatible with sodium hexametaphosphate and hydroxypropyl methylcellulose was compatible with polyacrylic liquid thickener, a satisfactory result is achieved. The prepared waterborne interior wall coating has no obvious water separation after one-year storage.

waterborne coating; water separation; dispersion system; thickening system.

TQ63

A

1009-1114（2019）02-0024-03

2019-04-03

高天銥（1966—），安徽南陵人，碩士，講師、工程師。

文稿責(zé)編 吳為亞