水性涂料分水问题研究

高天铱 徐世前 姚有智

水性涂料分水问题研究

高天铱1,2徐世前1姚有智1

（1．芜湖职业技术学院，安徽芜湖，241002；2．芜湖市联合涂料有限责任公司，安徽芜湖，241000）

在分散体系中讨论分散剂的种类和数量对“分水”现象的影响；在增稠体系中对羟丙基纤维素、不同分子量羟乙基纤维素、羧甲基纤维素进行比较，同时研究常用的液体增稠剂聚丙烯酸类和缔合型聚氨酯类对“分水”的影响。结果表明，以引入锚定基团制得的聚丙烯酸酯配伍六偏磷酸钠并以羟丙基甲基纤维素配伍聚丙烯酸类液体增稠剂的方案取得了满意的效果，所制备的水性内墙涂料在贮存一年后无明显分水现象。

水性涂料；分水；分散体系；增稠体系。

引言

涂料行业把涂料中的固体颜填料与分散体系分离的现象称为“分水”，或叫沉底。是指涂料制成后，在贮存过程中，由于颜填料密度比较大而下沉，分散载体及水溶物上浮而引起涂料分层现象。颜填料沉底会引起涂料配方中各成分在包装物中不均匀，影响涂料的施工性能，甚至会出现涂膜发花、橘皮、开裂、起泡弊病等。分水严重的造成涂料硬沉底而很难搅拌均匀，导致涂料报废。

随着人们对环保要求越来越高，国家对涂料VOC排放进行了严格的限制，开发无污染的绿色涂料至关重要[1]。水性涂料日趋成为涂料大家庭中的主流产品。水性涂料是以水为分散介质与成膜物、颜填料、助剂互相配伍而制成。如水性木器漆、水性钢构漆、水性内外墙涂料等在近几十年中得到极大发展。由于大部分颜填料密度都在2左右，和水相差比较大，颜填料在重力场中由于密度的差异，颜填料下沉是必然趋势。同时，颜填料粒子在水中受到水的润湿而使粒子凝聚，微团长大而下沉。如何通过涂料本身的配方设计减缓颜填料的下沉（即分水）是广大涂料工作者一直努力解决的问题。目前市场上大部分涂料或多或少存在着“分水”问题，影响了涂料的贮存期，影响了涂料的施工性和涂膜性能。有关水性涂料“分水”问题的研究尚未见报道。本文在多年涂料生产与研究的基础上，分析了“分水”产生的原因，从分散体系和增稠体系入手，仔细研究了分散剂种类，数量，增稠剂种类等对“分水”的影响，实验取得了满意的结果。

1. 实验

1.1“分水”表征

以内墙乳胶漆配方为例，将制备好的产品放在试管中贮存，分别以1个月，3个月，6个月，12个月为时间段，考察“分水”现象。以漂浮在上方的水溶液的高度（mm）作为“分水”严重程度的判别。

1.2 配方设计

以内墙乳胶漆作为研究问题的实例，具有一定的代表性。因为内墙涂料更考虑成本问题，颜填料大约占涂料重量的50%左右，尤其是填料较其它水性涂料所占比例更多。如此大量的粉体材料更易产生“分水”现象。

表1 内墙乳胶漆基本配方

1.3 内墙乳胶漆制备过程

按表1配方，先称取水、分散剂、消泡剂、成膜助剂、乙二醇在高速分散机上慢速搅拌均匀，搅拌下慢慢筛人纤维素搅拌均匀。然后分别加入锐钛型钛白粉、重钙、滑石粉、高岭土，搅拌均匀后高速分散30min（25000r/min），当细度«45μm后慢速加入苯丙乳液，搅拌均匀，用氨水调节pH=8.5左右，最后用液体增稠剂调节黏度在8000mpa.S，过滤，包装。

2. 结果与讨论

2.1 分散剂种类对“分水”影响

研究阴离子型，阳离子型，非离子型，高分子型及高分子型加无机六偏磷酸钠（重量比为1:1）五种类型分散剂对“分水”的影响。用量均为0.5%(重量百分数，下同)，增稠体系以羟丙基甲基纤维素和聚丙烯酸类液体增稠剂配伍，表1配方中的其它组分及百分比不变。结果如下：

表2 分散剂种类对“分水”影响

从以上可以看出，五种类型的分散剂以高分子型分散剂为优，尤其是高分子型多羟基硬酯酸聚酯与无机六偏磷酸钠配伍更佳。这可能是由于高分子分散剂的锚定基团一端与成膜物缠绕吸附，另一端与颜填料粒子包附，使得粒子微团之间相互隔离，使得颗粒间空间排斥能增大[2]，粒子表面形成双分子结构牢，外层极性端与水亲和力更强，增加了固体粒子被水润湿的程度，粒子间斥力更大。而六偏磷酸钠的加入，增加了电荷的数量，提高形成立体阻碍的颗粒间的作用力，进一步防止了微团的团聚。同时，它的加入降低有机分散剂的用量，因有机分散剂过量在高速分散时会带来更多的泡沫。

2.2 分散剂用量对“分水”性能的影响

分散剂是一种在分子内同时具有亲水和亲油两种相反性质的界面活性剂，可以均一分散那些难于溶解于液体的无机，有机填料的固体，同时能防止颗粒沉降和凝聚。因此分散剂在涂料制备中起着非常关键的作用。其用量一般为母料质量的1-5%[3]。实验结果如下：

表3 分散剂用量对“分水”性能影响（以贮存6个月记）

注：表3与表2分散剂种类相同

由表3可以看出，分散剂用量为母料质量的0.5%时，“分水”严重。当分散用量增加到1%~2%时，各种分散剂“分水”情况明显好转，但从1%增加到2%时，各种分散剂对“分水”结果影响不大。说明0.5%用量的分散剂不能很好包覆颜填料粒子，产生的排斥能低，微团易团聚。

2.3 增稠剂对“分水”性能的影响

纤维素类增稠剂对水相增稠效率高，在水性涂料中得到广泛使用。其增稠机理是疏水主链与周围水分子通过氢键结合，提高了聚合物本身流体体积，减少了颗粒自由活动空间，从而实现增稠。纤维素类增稠剂的使用对涂料施工性能有一定的影响，容易造成飞溅，流平性差等。分子量越大影响越严重。涂料产品要保证一定出厂黏度，一般用液体增稠剂调节。广泛使用的液体增稠剂是丙烯酸类增稠剂和缔合型聚氨酯增稠剂。丙烯酸类增稠剂是通过羧酸根离子的同行静电排斥力，分子链内螺旋状伸展为棒状，另外它还通过在乳胶粒子与颜填料之间形成立体网状结构，实现增稠。缔合型增稠剂是分子中引入了亲水团和疏水基团，在水中形成胶束，胶束和聚合物粒子缔合形成网状结构使液体增稠。

以上述高分子型多羟基硬酯酸聚酯与无机六偏磷酸钠按1:1配伍作为分散体系，按表1配方制备乳胶漆，考察不同纤维素增稠剂和液体增稠剂对“分水”的影响。详见表4和表5

在乳胶涂料中纤维素起主要增稠作用，液体增稠剂主要起调节黏度的作用，用量较小，但作用很大。它不但对“分水”性能有重要的影响，而且对涂料施工，漆膜性能有重要影响。

表4 纤维素增稠剂对“分水”性能影响（贮存6个月）

表5 液体增稠剂对“分水”性能的影响（贮存6个月）

由表4可以看出，羟丙基甲基纤维素对拟制“分水”效果最好，羟乙基纤维素随着分子量的减小，“分水”越来越严重。这可能因为羟丙基纤维素与乳胶和颜填料形成的缠绕网状结构性能更强，不易使网状结构破裂而发生微团团聚。而羟乙基纤维素随着分子量的增加，疏水性能更好，缠绕的网状结构逐渐增强的原因使“分水”下降。而羧甲基纤维素由于和水相容性更好，形成的缠绕网状结构较弱，因此更易“分水”。

表5是在配方中其它成分和用量确定下，专门讨论两种常用液体增稠剂对“分水”性能影响。结果表明，采用聚丙烯酸类增稠剂效果更好，其原因是聚丙烯酸类增稠剂羧酸根离子在乳胶和颜填料间架桥形成网状结构，而缔合型增稠剂可能与相邻的乳胶粒子存在相互作用，引起乳胶分层。

3. 结论

第一，水性涂料，尤其是乳胶涂料，采用高分子型多羟基硬酯酸聚酯分散剂与无机六偏磷酸钠配伍有优良的抗“分水”能力，用量为母料的1%左右。

第二，纤维素增稠剂应选用羟丙基甲基纤维素或分子量更大的羟乙基纤维素，以羟丙基纤维素最优。

第三，液体增稠剂以聚丙烯酸类为佳。不仅能抗“分水”，而且对施工和涂膜性能有很大帮助。

[1] 庾光忠. 水性涂料进展[J]. 化工科技市场, 2006,29(4):14-17.

[2] 黄苏萍,张清岑. 超微SiO2的分散机理[J]. 中国有色金属学报, 2011,11(3):523-525.

[3] 张清岑,黄苏萍. 水性体系分散剂应用新进展[J]. 中国粉体技术, 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

高天铱（1966—），安徽南陵人，硕士，讲师、工程师。

文稿责编 吴为亚