金逐中

0　概论

水性涂料以水为介质，众所周知，水的表面张力（72.5 mN/m）比一般的有机溶剂明显要高（通常为20 ~ 40 mN/m）。除水溶性涂料外，水性涂料多为非均相体系，因水带来的高表面张力不利于水性漆的消泡、渗透、基材润湿乃至流平，很容易导致水性漆的施工性能不良，漆膜容易产生气泡、痱子、缩孔、鱼眼、针孔等缺陷，还可能因漆液润湿和渗透性差而降低漆膜对基材的附着力。水性漆的消泡、脱泡也相对比溶剂型更难，流动与流平、增稠、防霉杀菌等，解决起来都比溶剂型更难一些。另外，水性漆的成膜是一个非均相、非分子级的不可逆过程，经历了乳胶粒子的堆积、压缩和融合的阶段，为了形成质量的涂膜，往往要借助于成膜助剂将乳胶粒子融合均匀。故此，水性涂料对助剂的依赖性比溶剂型要高得多，所需助剂的品种和质量要求也更加广泛和严格。

水性涂料的品种非常多，按照其功能可以分为润湿剂（基材润湿剂及颜料润湿剂等）、分散剂、流平剂（润湿流平剂及表面张力降低剂等）、消泡剂（包括消泡剂、抑泡剂及破泡剂等）、成膜助剂、防腐防霉剂、消光剂、pH调节剂、附着力促进剂、防闪锈剂及缓蚀剂、抗氧剂、紫外光吸收剂等，还包括一些特殊的效果添加剂，如铝粉定向剂、抗黏连、增滑、耐磨、增硬、憎水、防涂鸦等助剂。

水性助剂品种很多，需要筛选合适的助剂搭配应用于涂料体系，而不是用最好的、最贵的就能解决问题，也不是加得越多越好，更不是哪有问题了就加入哪类助剂去解决，用的合适才是最佳的方案。价格昂贵的助剂如果没有用到刀刃上，反而会起负面的作用。而有些常规的助剂如果用得正确，往往能发挥神奇的功效！

1　分散剂

颜料分散是涂料、油墨、塑料加工及日用化妆品等生产中一个重要的工艺过程。颜料分散是指在外力的作用下把颜料颗粒润湿、粉碎、分散到展色剂中，以期得到一个稳定的悬浮体。

1.1　为何要使用分散剂

随着工业的发展与生活水平的提高，颜料被越来越多地应用到涂料油墨工业当中以赋予更好的表观效果。与染料不同，颜料通常不溶于所使用的介质，大多数情况下都是以聚集体的方式存在。要得到好的着色力、遮盖力及色度等，必须将颜料的聚集体打开并保持稳定。

如果颜料没有分散好，许多缺陷就有可能发生，如：絮凝、失光、颜色偏移、浮色/发花、贝纳尔漩涡、沉淀等如图1所示。

而这时，分散剂就发挥作用了。在现代涂料生产中，分散剂主要起以下作用：1）提高研磨效率，缩短研磨时间，降低生产成本；2）防止返粗及起粒；3）提升光泽和鲜映性，改善流平效果；4）改善浮色发花；5）提高着色力，改善展色性能；6）降低黏度，改善色浆体系流动性，增加颜料载入量；7）减少絮凝，增加施工性和使用性；8）提高体系稳定性，包括储存稳定性、防沉性能、抗溶剂冲击性能；9）增加展色性，增加颜色饱和度；10）增加透明度（大部分有机颜料）或遮盖力（大部分无机颜料）。

1.２　颜料的形态及粒径

在涂料中，颜料大多被制成悬浮液使用。颜料的粒径范围分布很宽，可以由很小的胶粒粒子（约为0.05μm）到较大的粒子（1 000μm）之间。但研究表明，当颜料的粒径在0.05～0.50 μm之间时，具有最佳的着色力、光泽、遮盖力和耐候性等。

颜料制造过程中形成的最小粒子称为原始粒子，它以单晶体或者晶体的团块存在。而原始粒子之间以面面相结形成的团块，称为聚集体，聚集体比较紧密，一般的分散设备很难将其分散成原始粒子。而原始粒子和附聚体通过范德华力结合在一起，形成的较大的颜料粒状团块，称为附聚体。附聚体粒子之间以边角相接触，粒子间作用力小，可通过机械的力量将其分散成原始粒子或聚集体，如图２所示。

我们希望颜料分散后成为原始粒子的悬浮液（理想状况），至少也是聚集体和原始粒子的悬浮液。但体系的趋势是从高能态回复到低能状态，故以微细颗粒分布的颜料容易聚集成絮凝体。从结构上看，絮凝体与附聚体非常相似，但絮凝体中颜色之间是树脂溶液而不是空气。分散剂的存在会阻止或减缓絮凝的发生。

1.3　颜料的分散过程

颜料的分散过程由润湿、分散、稳定３个步骤组成，如图３所示。

1）润湿：在颜料凝聚和团聚（群聚态）的粒子表面间，空气和水气被树脂溶液所替换。固/气两相（颜料/空气）被转换成固/液两相（颜料/树脂溶液）。分散剂尤其是低分子型的润湿分散剂能加快润湿的过程。

2）分散：在机械能作用下（冲击和剪切力），颜料的团聚态被打碎成较小的微粒，成为分散状态（均匀分布）。

3）稳定：分散剂用于保持颜料分散状态的稳定，阻止失控的絮凝。并依据颜料表面所吸附的黏接剂种类和分子结构，促使悬浮液获得稳定状态。分散剂尤其是高分子分散剂对颜料粒子的稳定起了很大的作用。

 1.4　分散剂对颜料的锚固机理

由于颜料表面自然状态不同，依其化学结构，可有多种不同基团做为高聚物分散剂与其产生锚固作用。锚固作用能通过不同的过程产生。

1）通过离子或酸性/碱性基团产生锚固作用：当颜料微粒表面活性较高（如无机颜料）时，微粒表面带电荷位能与分散剂的相反电荷位或功能基团形成离子键，如图4（1）所示。事实上，许多无机颜料微粒表面十分复杂，既有正电荷位又有负电荷位。因而颜料被分散剂分散时，既有带负电荷又有带正电荷的基团与其发生锚固作用，如图4（2）及（3）所示。     

能在带电荷或酸性/碱性表面产生锚固作用的功能基团有：胺；铵和季铵基；羧酸、磺酸和磷酸基及其盐；还有硫酸酯与磷酸酯。

2）通过氢键的锚固作用：尽管有机颜料微粒比无机的惰性强，但是氢键的供体和受体是有可能存在的，因此在微粒和高聚物分散剂的锚固基团间也可能形成氢键。单独的氢键有可能较弱，而聚合物分散剂内包含了众多具有氢键供体和受体的锚固链段，因此在颜料微粒与分散剂间的相互作用可大大增强。多胺和多羟基化合物既有供体又有受体，可通过氢键产生锚固作用。聚醚能通过氢键受体产生锚固作用。

3）通过极性基团产生锚固作用：有机颜料微粒表面具有极性或可极性化的基团，类似地在高聚物分散剂中也有极性或可极性化的锚固基团，因而锚固作用也可发生。同样，这种相互作用通常相对较弱，但是在聚合物分散剂中，当由多个这样的基团组合成一个锚固的链段时，则会加强这种相互的作用。聚氨酯常作为极性的锚固基团。

4）通过不溶性高分子链段形成锚固作用：不需离子键、氢键或极性作用，仅依靠范德华力就可以使颜料微粒表面与聚合物分散剂通过锚固作用相结合。分散剂内的聚合链段仅要求在介质中不溶，如图5所示。

聚氨酯锚固基团可能是通过该方式形成的。事实上，在实践中很难区分这种与先前的两种吸附过程。多数的高分子链段很可能是通过混合的静电力（氢键和/或极性作用）和范德华力产生锚固作用。这些作用过程也许有一种是占主导地位，但大多数高效的聚合物分散剂可能会产生所有这3种过程，并使其影响最大化。

5）通过协同分散剂形成锚固作用：某些有机颜料（酞菁蓝和二噁嗪紫等）通过改变粒子本身的化学结构，具有离子基团的衍生物使颜料粒子表面有选择地被活化，使其能与聚合物分散剂中带电荷的锚固基团产生作用。而该衍生物由于极性与颜料相似，也能吸附在颜料的表面。这样的架桥作用使得难于被锚固的颜料得到很好的稳定效果。

1.5　分散剂的稳定机理

发生絮凝的颜料悬浮液会使涂料流变性变差（体系黏度、涂料流动性）、储存稳定性下降、光学和颜色性能发生改变。这些是我们所不希望的，所以要保持颜料悬浮液的稳定，在颜料分散的稳定方面有２种重要机理。

1）静电稳定性：在液体涂料中颜料微粒表面带有电荷。当加入分散剂后，可能会使电荷量增加，并且导致所有的颜料微粒带上相同的电荷。这样会形成双层静电结构。当颜料表面形成一种电荷后，相反电荷的带电离子云将围绕在其周围。当２个微粒靠近时，电荷作用阻止其相互吸引。在这样厚厚的电荷层的作用下，颜料微粒获得了稳定的状态，如图６所示。多磷酸盐及多元羧酸常作为高分子电解质使用，这种静电斥力在水性涂料中非常有效。

2）位阻稳定：分散剂通常由锚固基团和溶剂化链段组成，高分子型分散剂通过锚固基团吸附在颜料表面，溶剂化链段则伸展在树脂和溶剂中。从而形成一定厚度的溶剂化高分子链段的阻隔层，当颗粒吸附层互相靠近而压缩时，压缩区吸附物密度增加，自由度减少，这是个熵减过程，体系的趋势是阻止这种进程进一步发生。随着链段的混合，溶剂被排出粒子间，这也会导致溶剂浓度不均衡，渗透压同样会迫使溶剂返回微粒间以维持微粒的分离状态。这些过程综合作用，就起到了位阻的效应，如图7所示。

位阻稳定作用的2个基本要求是锚定基团对颜料有足够强的吸附力，以及溶解化链段完全溶解在介质中。为了保证分散剂的功效，锚定基团对颜料表面的吸附作用必须是稳定和持久的。另外，当高分子链段很好地溶解和适当地展开时，位阻稳定作用得到加强。若相容性不好，则高分子链段会折叠，使位阻效应丧失。吸附层高分子的相对分子质量越大，空间位阻越大。但过高的相对分子质量可能引起架桥絮凝。通常来说低分子分散剂对体系稳定性略差。

1.6　用于水性涂料的深竹分散剂

1） 超分散剂

表１列出了深竹化工用于水性涂料颜料分散的超分散剂，1000系列的分散剂都是相对分子质量非常高的含有多组锚定基团的超分散剂，对于有机颜料、碳黑等具有极佳的分散效果，也适用于无机颜填料的分散稳定。

表1　水性涂料颜料用超分散剂

品名

组成

外观

活性份

溶剂

特性

适用范围

SN-1727

特殊高分子聚合物

浅黄色透明液体

27%

丙二醇

高分子耐水型分散剂，对各种有机颜料、无机颜料有极佳的分散效果

内外墙乳胶漆、水性工业漆、水性色浆

SN-1790

含亲颜料基团的高分子聚氨酯

黄色透明液体

50%

水

通用性好，适合水性涂料体系的无机及有机颜料分散

各种水性涂料，通用性广

SN-1727适用于多种颜填料，也适用于制备无树脂色浆。在多种颜料体系中，具有最佳的分散效果及降粘效果，并且具有最佳的性价比，是使用非常广泛的一款分散剂。SN-1785则是受控自由基型分散剂，与各种树脂相容性好，制备的色浆稳定性好。SN-1790的通用性非常广泛，适用于各类水性工业涂料。

2）润湿分散剂

表２列出了深竹化工生产的用于水性涂料颜填料分散的润湿分散剂。2000系列的分散剂相对于1000系列的产品而言，相对分子质量略低，一般的分散剂内部锚定基团为1 ~ 5个，多用于水性工业漆及乳胶漆中，分散无机颜料及填料，也适用于有机颜料及碳黑的分散。

表2　润湿分散剂

品名

组成

外观

活性份

溶剂

特   性

适用范围

SN-2320

聚醚叔胺聚合物

浅棕色黏稠液体

100%

无

通用性广，对有机颜料及无机颜料均有较好的分散效果

各种中高极性溶剂型及水性涂料体系

SN-2327

聚醚叔胺聚合物

黄色黏稠液体

100%

无

水溶性好，对各种有机及无机颜料有较好的分散效果，水油通用

水性工业漆，中高极性体系

SN-2376

高分子共聚物的铵盐

浅棕色黏稠液体

100%

无

通用性强，对无机及有机颜料有较好的分散能力，缩短研磨时间，分散碳黑效果优异，水油通用

各种溶剂型和水性体体系中颜料的分散

SN-2725

疏水改性聚丙烯酸铵盐分散剂

浅黄色透明液体

25%

丙二醇

疏水改性，特别适合于无机颜料的分散，具有低泡性、优异的贮存稳定性及不影响涂膜耐水性的特点

乳胶漆（尤适用于外墙）、水性工业漆

SN-2740

钠盐类分散剂

无色至浅黄色液体

40%

水

高效，低黏度水性体系的分散剂。特别适合于无机颜料的分散，具有低泡性、优异的贮存稳定性等特点

内墙乳胶漆、高PVC体系、色浆制备

SN-2742

胺盐类分散剂

无色至浅黄色液体

40%

水

胺盐类分散剂，高效，低黏度水性体系的分散剂。特别适合于无机颜料的分散，具有低泡性、优异的贮存稳定性及不影响耐水性等特点

乳胶漆（尤适用于外墙）、陶瓷、混凝土及无机颜填料表面处理

SN-2774

高分子共聚物

琥珀色黏稠液体

100%

无

高分子型分散剂，对各种有机颜料、无机颜料有极佳的分散效果，适用于色浆制备

水性色浆制备

SN-2320、SN-2327、SN-2376均是水油通用的分散剂，既适用于溶剂型涂料体系，又适用于水性涂料；既适用于有机颜料及碳黑，也适用于无机颜料及填料，通用性非常广泛。其中SN-2320非常适用于水溶性涂料体系。SN-2327的通用性非常广泛，在水性涂料体系中应用效果也比较好。SN-2740及SN-2742是钠盐及胺盐类聚丙烯酸分散剂，多应用于乳胶漆，用于分散钛白粉及填料。而SN-2725则是进行疏水改性的聚丙烯酸分散剂，具有优异的耐水性，适用于普通水性工业漆有耐水要求的分散剂。SN-2774是一款高分子共聚物，多应用于水性色浆的制备，对各种颜料的润湿分散效果非常好。

3）辅助颜料分散的润湿剂

表3列出了深竹化工的颜料润湿剂。润湿剂能促进液体对固体粒子表面的良好润湿，将颜料表面的气-固相替换成液-固相，从而加快研磨速度，促进色浆的展色性和稳定性。

表3　润湿剂

品名

组成

外观

活性份

溶剂

特   性

适用范围

SN-3704

炔二醇类

浅黄色液体

50%

丙二醇

降低体系的动态和静态表面张力、消泡及抑泡，水敏性低、具有很好的底材润湿及颜料润湿作用

水性工业漆、水性烤漆、特别适用于快速施工体系

SN-3710

颜料润湿剂

透明液体

100%

无

对各种颜填料有很好的润湿性，在制浆时加入有助于研磨，适量添加不影响耐水性，可提高涂料的展色性、贮存稳定性，避免浮色发花

各种水性色浆、内外墙乳胶漆、水性工业漆

SN-3711

低泡颜料润湿剂

白色黏稠液体

100%

无

对各种颜填料有很好的润湿性，具有显著的低泡性和较强的基材润湿能力，适量添加不影响耐水性，可提高涂料的展色性、贮存稳定性，避免浮色发花

各种水性色浆、内外墙乳胶漆、水性工业漆

SN-3704是炔二醇类润湿剂，使用安全性好，不稳泡、兼具有润湿、分散、消泡及流平的功能，并且快速降低动态表面张力。当然，SN-3704的润湿、消泡效果均一般，但使用相对非常安全，也可与其他有机硅类润湿剂搭配使用。SN-3710及SN-3711是专用的颜料润湿剂，搭配分散剂使....