水性涂料用高分子分散劑的研究進展

1、水性涂料用高分子分散劑的研究進展摘要:本文總結(jié)了水性涂料用高分子分散劑的結(jié)構(gòu)特點、在顏料粒子表面的吸附行為及研究方法、常用種類、以及影響高分子分散劑分散穩(wěn)定性能的因素并展望了其發(fā)展方向。關(guān)鍵詞:水性涂料高分子分散劑吸附分散穩(wěn)定性Abstract:Thepaperbrieflysummarizedtheacterofpolymericdispersantsadsptionofdispersantsontopigmentsurfacemai

2、nkindsofdispersantstheeffectondispersestability.Thedevelopmenttrendofpolymericdispersantswasalsopointedout.Keywds:waterbnecoatingpolymericdispersantadsptiondispersionstability在涂料等化工產(chǎn)業(yè)中顏料的分散是涂料制造技術(shù)的重要環(huán)節(jié)。為了使涂料中的有機、無機顏料得到均一

3、穩(wěn)定分散經(jīng)常使用分散劑。分散劑在涂料的貯存、涂裝操作、涂膜的形成、涂料的性能等方面有著重要作用。盡管傳統(tǒng)的分散劑在水性分散介質(zhì)中顯示出有效的分散穩(wěn)定作用但由于它們在顏料粒子表面的吸附不十分牢固容易從粒子表面上解吸從而導(dǎo)致被分散的粒子重新聚集或沉淀體系的長期穩(wěn)定性欠佳對漆膜外觀、硬度及耐老化等性質(zhì)也有不利影響。為克服傳統(tǒng)分散劑的局限性近年來開發(fā)并應(yīng)用了高分子分散劑。高分子分散劑是指分子質(zhì)量在數(shù)千以上的具有表面活性的高分子化合物本質(zhì)上屬于表

4、面活性劑。其概念是在20世紀80年代初期首次提出的80年代中期推出相關(guān)產(chǎn)品并進入推廣應(yīng)用階段。高分子分散劑對顏料的分散有顯著效果尤其對潤濕性、穩(wěn)定性等方面有相當(dāng)大的作用對顏料的應(yīng)用性能也有較大改善已成為新一代的高效分散劑。目前全世界只有ICI、DuPont、SunChemical、KVK等少數(shù)幾家國際知名的大公司生產(chǎn)這種產(chǎn)品(主要是ICI公司的Solsperse系列產(chǎn)品)[1]生產(chǎn)技術(shù)嚴密封鎖產(chǎn)品以壟斷價格出售。我國對聚合物分散劑的研究

5、起步較晚在90年代才有聚合物分散劑的綜述性報道。[2]近年來我國也開發(fā)了一些聚合物分散劑品種如NBZ3、DA50、WL系列等但效果不理想產(chǎn)品也未系列化。關(guān)于分子量的分布和分散劑鏈基團的選擇基礎(chǔ)理論研究較少產(chǎn)品的性能與國外同類產(chǎn)品相比還有很大差距。1水性涂料用高分子分散劑的結(jié)構(gòu)特征及在顆粒表面的吸附1.1水性涂料用高分子分散劑的分子結(jié)構(gòu)特征高分子分散劑通過靜電斥力和立體位阻障礙作用來維持顏料粒子在介質(zhì)中的性能為了使分散體系均勻穩(wěn)定并滿足性

6、能要求吸附在顆粒表面的高分子分散劑的分子結(jié)構(gòu)需要具備以下兩個特征:①與固體顆粒表面能形成牢固的結(jié)合的錨固段如COOH、COO、NR2、NR3、SO32、PO43、OH等②在分散介質(zhì)中有一定長度的溶劑化鏈段如聚乙二醇。與傳統(tǒng)的表面活性劑型分散劑相比其結(jié)構(gòu)中的錨固基團及溶劑化鏈取代了表面活性劑的親水基團與親油基團。1.2超分散劑在顆粒表面的吸附機理分散劑在分散相上的吸附是其顯示潤濕分散性能的前提。在水體系中錨固端一般在顆粒的表面形成吸附它與

7、顆粒的相互作用與錨固基團的種類和粒子的表面性質(zhì)有關(guān)。固體顆粒與分散劑之間的結(jié)合力主要有以下幾種:1.2.1離子對對于強極性表面的無機物顆粒當(dāng)粒子表面電荷和超分散劑官能團帶有的電荷相反時高2.2分散劑用中和劑羧酸基或磺酸基聚合物在水中并不溶解要在其中加入中和劑使其解離為COO或SO32聚合物才具有水溶性。早期使用NaOH、KOH作中和劑鈉離子和鉀離子具有吸濕性滯留在體系中會影響涂層的耐水性。后改用氨水但中和后的聚合物鹽會逐漸釋放出氨使分散

8、劑的水溶性降低分散效果變差。揮發(fā)性較低的醇胺作中和劑既可保證分散穩(wěn)定又不影響涂層性能。2.3分散體系的pH值體系的pH值不同時羧基的解離程度不同這會影響分散劑與水介質(zhì)之間的作用力。陰離子型聚合物一般pH8～9時可充分溶解陽離子型聚合物pH4～5時溶解較好。體系的pH值、離子強度會影響粒子雙電層的厚度和ζ電勢粒子間的靜電斥力也隨之變化從而影響體系的穩(wěn)定性。2.4分散劑的用量[6]分散劑的用量過小時一個聚合物分子鏈有可能連結(jié)在不同的兩個或多

9、個顏料粒子上只起到“架橋”的作用導(dǎo)致絮凝。同時不足量的分散劑使粒子表面仍有未被分散劑覆蓋的部分存在。這些未覆蓋部分相互作用為減少表面能量而聚集從而降低體系的分散穩(wěn)定性。分散劑用量過大時溶解在介質(zhì)中的部分粒子互相纏結(jié)同樣會造成絮凝。分散劑用量進一步增大時有足夠多的卷曲形狀的分散劑分布在粒子周圍又可起到分散作用。但此時分散劑與粒子間的結(jié)合力不夠牢固分散穩(wěn)定性較差。2.5分散劑的分子量及分子量分布聚合物鏈至少要含有65個以上的碳原子才能起到有

10、效的立體位阻作用。[7]分散劑鏈過短則與傳統(tǒng)的表面活性劑相似不能提供足夠的位阻斥力分子量過大則會發(fā)生“架橋”效應(yīng)。一般來說伸展在溶劑中的聚合物分散劑鏈含50～100個碳原子分子量103～104。而分散劑的分子量分布對聚合物的物理、化學(xué)、力學(xué)性質(zhì)及溶液性質(zhì)的影響都很大。分子量較低且分子量分布較窄的聚合物較之分布寬的聚合物作為顏料分散劑效果較好。分子量分布較寬的聚合物會在溶液中發(fā)生“分級”效應(yīng)即某一段分子量范圍的分散劑較多吸附于粒子表面剩余

11、部分則殘留在體系中。3水性涂料用顏料高分子分散劑的種類水性涂料中除了水溶性涂料外顏料和樹脂都是分散在水性介質(zhì)中。吸附在顏料表面的高分子分散劑通過靜電斥力、立體位阻作用使粒子分散穩(wěn)定化。目前涂料工藝中所用的分散劑大多是聚羧酸類分散劑非離子型分散劑(如聚氧乙烯類衍生物、聚乙烯毗咯烷酮等)研究應(yīng)用較少。聚羧酸類聚分散劑由含羧基的乙烯基單體(如丙烯酸、馬來酸酐等)均聚或與其他單體共聚后用堿中和醇酯化得到[8～12]。S.Creutz等人[8]用

12、異丁烯酸胺和二甲氨基異丁烯酸胺為原料采用不同聚合方法合成了嵌段或無規(guī)共聚物分散劑用于水性涂料各種有機或無機顏料的分散對鐵紅、酞菁銅藍及桔紅為基色的吡咯顏料非常有效。朱金麗等[12]以馬來酸酐、甲基丙烯酸甲酯為單體采用溶液聚合制備的聚羧酸型高分子分散劑當(dāng)其中馬來酸酐的摩爾百分數(shù)為25.5%時分散劑對顏料紅22在水介質(zhì)中分散效果良好能有效地減少顏料顆粒的絮凝。苯乙烯馬來酸酐共聚物(SMA)是近年來研究較多的聚合物因其含有可與顏料分子平面形成

13、強ππ鍵的苯環(huán)以及水解后可形成提供空間位阻的羧酸陰離子故可用于水性顏料體系。[13、14]田安麗等[13]以丁酮為溶劑采用溶液均相自由基聚合合成了一系列聚合物SMA用該聚合物作顏料水性體系的分散劑制備的超細顏料分散液具有良好的分散性能其黏度、粒徑、表面張力均達到噴墨印花用墨水的要求。徐燕莉等人先用苯乙烯和馬來酸酐為單體采用懸浮聚合合成了共聚物再以丁醇為酯化劑將其酯化后將羧酸轉(zhuǎn)變成鈉鹽。發(fā)現(xiàn)該類分散劑能有效地改善酞菁藍顏料的潤濕性、流動性