全 文 ：超细滑石粉的分散及其在水性涂料中的应用
张 婧 1 ,钱建刚 1 ,田佩秋 2
(1.北京航空航天大学材料学院 ,北京 100083;2.北京利强技术开发有限公司 ,北京 101102)
摘 要:利用沉降试验测定了不同类型的高分子分散剂在水性介质中分散超细滑石粉的分散效果 , 并将分散稳定
的超细滑石粉悬浮液加入到苯丙乳液中制成了水性涂料。结果表明:分散剂 FSJ-502的分散效果最好;超细滑石粉
加入后涂层的干性 、回粘性 、硬度和耐蚀性均有所提高。
关键词:超细滑石粉;水性涂料;沉降试验
中图分类号:TQ630.4 文献标识码:A 文章编号:0253-4312(2008)04-0052-03
DispersingofUltrafineTalcandItsApplicationinWaterborneCoatings
ZhangJing1 , QianJiangang1 , TianPeiqiu2
(1.MaterialColege, BeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics, Beijing, 100083, China;
2.BeijingLiQiangTechnologicalDevelopmentCo., Ltd., Beijing101102, China)
Abstract:Theefectofvarioushighmolecularweightdispersantsondispersingofultrafinetalcinaque-
ousmediumwastestedbysedimentationexperiment.Thestabletalcsuspensionwasaddedintostyrene-ac-
rylateemulsion.TheresultindicatedthattheoptimumdispersantwasFSJ-502, moreover, afteraddingthe
talcintothepaint, thedryness, after-tack, hardnesandcorrosionresistanceofthecoatingareimproved.
KeyWords:ultrafinetalc;waterbornepaint;sedimentationexperiment
0 引 言
超细滑石粉是一种含水的镁硅酸盐矿物 , 组成为 3MgO·
4SiO2·H2O。在超细滑石粉的晶格构造中 ,硅氧四面体连结成
层状结构 , 层与层之间以微弱的余键相吸而极易解裂 [ 1] , 同时
它还具有较高的长径比。目前 , 超细滑石粉已被广泛应用在
涂料 、造纸 、塑料和化妆品等行业 [ 2] 。当应用在涂料中时 , 能
赋予涂料优异的可刷性 、流平性 、保光性 , 由此制得的涂层具
有较好的耐冲击性和柔韧性 ,且硬度较高 , 同时还能有效提高
涂层的耐蚀性和干性 [ 3]。 随着人们环保意识的增强 , 水性涂
料的发展速度逐渐加快 , 超细滑石粉因其具有优异的性能也
被应用于水性涂料中 , 但因具有天然疏水性 [ 4] ,使它在水性涂
料中的分散稳定性不好。为此 , 本文探讨了几种不同类型的
高分子分散剂对超细滑石粉(2 500目)悬浮液稳定性的影响 ,
并将其应用于水性涂料中。
1 实 验
1.1 滑石粉沉降试验
分别在 10mL量筒中配制 10 mL含不同分散剂浓度的
2%滑石粉悬浮液 ,超声分散 30 min后静置 10 h, 记录沉淀层
的厚度并计算其沉降率。分散剂的分散效果用沉降率来衡
量 ,其值越小越好 [ 5] 。
1.2 分散剂 FSJ-502吸附等温线的测定
(1)配制 0.1%的 FSJ-502溶液 ,用紫外 -可见分光光度
计测定其吸收波长(λ);
(2)配制质量分数分别为 0.01%、0.04%、0.07%、0.1%、
0.3%、0.5%和 0.7%的 FSJ-502溶液 , 分别测定其在 λ处的
吸光度值 ,做出标准曲线;
(3)在 10 mL量筒中分别配制 10 mL含不同 FSJ-502量
的 2%滑石粉悬浮液 ,经超声分散 、静置 、离心分离后取上层溶
液测出其吸光度值 , 根据标准曲线得出 FSJ-502的平衡浓度
(ce)。FSJ-502的起始浓度与 ce的差值即为 FSJ-502在超
细滑石粉上的吸附量 , 最后得到 FSJ-502的吸附等温线。
1.3 涂层的制备
将超细滑石粉加入到以苯丙乳液作为主要成膜物质的水
性涂料中 , 具体配制过程为:在 20 g的苯丙乳液(固含量为
48.4%)中加入 10%的成膜助剂 ,并在磁力搅拌机上搅拌使其
混合均匀;在 10 mL去离子水中分别加入 0.2g、0.6 g和 1.0g
的超细滑石粉 , 并加入 FSJ-502,超声分散 30 min;将上述两
部分混合 ,同时加入一定量的助剂 , 搅拌均匀即得到所制涂
料。将制备好的涂料均匀喷涂在 A3碳钢上 , 涂层厚度控制在
(25±3)μm。
52
第 38卷第 4期 涂 料 工 业 Vol.38 No.4
2008年 4月 PAINT＆COATINGSINDUSTRY Apr.2008
2 结果与讨论
2.1 不同类型分散剂对滑石粉分散的影响
分别在超细滑石粉悬浮液中加入分散剂 FSJ-502、DA-
01、5040、S-100后经沉降试验 ,得出其沉降率。图 1为不同
分散剂用量对超细滑石粉悬浮液沉降率的影响。
图 1 分散剂用量对沉降率的影响
Fig.1 Theinfluenceofamountofdisperseronsedimentationrate
由图 1可以看出:加入不同的分散剂后 , 超细滑石粉悬浮
液的沉降率不同 , 其分散效果不同 , 具体结果为:S-100 <
5040
沉降率降到某一值后 , 继续加入分散剂 , 沉降率反而开始变
大 , 分散效果变差;当加入 FSJ-502时 , 沉降率随其量的增加
逐渐变小 , 达到一定值后 , 沉降率不再变化 , 分散效果趋于稳
定。这是因为 5040和 DA-01均为阴离子型分散剂 , 加入到
悬浮液中后 , 由于超细滑石粉的疏水性 ,分散剂中的疏水基团
吸附在超细滑石粉的表面 ,带负电的亲水基团伸向水中 , 增加
了超细滑石粉的亲水性 ,降低了颗粒间的疏水作用力 , 同时增
加了颗粒间的静电排斥力 ,达到了良好的分散效果;随着分散
剂量的增加 , 分散剂在超细滑石粉颗粒表面的吸附量逐渐增
加 , 超细滑石粉的亲水性增强 , 颗粒间的静电排斥力逐渐增
大 , 分散效果逐渐变好;当分散剂量加入到一定值时 , 吸附达
到饱和 , 此时分散效果最好 , 形成相对稳定的滑石粉悬浮液。
但由于颗粒间的静电作用受离子浓度的影响较大 [ 6] , 向静电
稳定的超细滑石粉悬浮液中继续加入分散剂 , 颗粒间的静电
斥力反而逐渐减弱 , 分散效果变差 , 最终导致颗粒絮凝。 S-
100为非离子型分散剂 , 加入到悬浮液中后 , 可以使其高分子
长链的疏水端紧密吸附于颗粒表面 , 亲水端尽可能伸向水中 ,
通过空间位阻效应 , 降低颗粒间的吸引力。在颗粒表面达到
饱和吸附之前 , 由于分散剂量较少 , 高分子长链所占的自由空
间较大 , 在溶液中尽可能呈直链 , 随其量的增加 , 颗粒表面的
吸附量逐渐增加 , 产生的位阻效应逐渐增强 , 分散效果越来越
好。当达到饱和吸附后 , 分散效果最好 , 悬浮液相对较稳定。
继续加入分散剂 , 高分子长链所占的自由空间减小 ,在溶液中
趋向于无规线团状 , 颗粒间的距离变小 , 吸引力增强 , 易引起
团聚 ,导致悬浮液的稳定性下降。
2.2 FSJ-502分散剂在滑石粉上的吸附等温线
为了更好地解释 FSJ-502用量对沉降率的影响 , 测定了
FSJ-502的吸附等温线。图 2为 0.1%FSJ-502溶液的紫外
吸收光谱。
图 2 FSJ-502的紫外吸收光谱
Fig.2 TheUVabsorptionspectrumofFSJ-502
由图 2可看出 FSJ-502在波长为 300 ～ 340 nm的范围内
均有吸收 ,且吸光度较大。因此 , 选择 320 nm作为 FSJ-502
的 λ。
在 320nm下 , 测得 FSJ-502的标准曲线和吸附等温线分
别如图 3、图 4所示。
图 3 FSJ-502的标准曲线
Fig.3 ThestandardcurveofFSJ-502
由图 3可以看出 , FSJ-502的质量分数与吸光度呈较好
的线性关系。
由图 4可以看出 , 随溶液 ce的增大 , 吸附量迅速增大 , 当
ce达到 0.657 5g/L时 , 吸附量趋于饱和。对照图 1和图 4可
以看出 ,随 FSJ-502加入量的增加 , 吸附量逐渐增大 , 悬浮液
的沉降率逐渐降低 , 说明分散效果与分散剂在颗粒表面的吸
附量有着直接的关系。这是因为 FSJ-502吸附在超细滑石粉
颗粒表面时 ,其高分子长链能在水性介质中充分伸展 , 形成几
纳米至几十纳米厚的吸附层 , 产生的空间位阻效应能有效阻止
53
张 婧 ,等:超细滑石粉的分散及其在水性涂料中的应用
图 4 FSJ-502的吸附等温线
Fig.4 TheadsorptionisothermofFSJ-502
颗粒间的相互聚集;当 FSJ-502的加入量达到一定值后 ,其在
颗粒表面的吸附量趋于饱和 , 悬浮液的沉降率也基本趋于稳
定。这可能是因为对于此粒径的超细滑石粉 , 存在一个分散
剂的最佳相对分子质量 , 若相对分子质量过小 , 吸附能力较
弱 ,反之则容易发生桥连或空位絮凝 [ 7] 。 FSJ-502的相对分
子质量可能刚好处于最佳相对分子质量的范围内 , 所以随 FSJ
-502加入量的增大 , 悬浮液的分散稳定性仍较好。
因此可确定要达到最佳分散效果所需加入 FSJ-502的最
少量 ,即 FSJ-502的 ce达到 0.657 5 g/L时 , 吸附量刚好达到
饱和吸附 ,此时加入量最少 ,分散效果最好。
2.3 滑石粉对涂层性能的影响
表 1为超细滑石粉加入量对涂层性能的影响。
表 1 滑石粉对涂层性能的影响
Table1 Theinfluenceoftalcpowderoncoatingperformance
检验项目 滑石粉的加入量 /%
0 0.6 2 3 参考标准
表干时间 /min 25 20 18 15 GB/T1728— 1979(89)乙法
透光率 /% 92.3 90.6 89.3 84.6
附着力 /级 1 1 1 1 ～ 2 GB/T1720— 1979(89)
回粘性 2 1 ～ 2 1 1 GB/T1762— 1980(89)
硬度 0.21 0.28 0.34 0.45 GB/T1730— 1993 B法
柔韧性 /mm 1 1 1 1 GB/T1731— 1993
耐冲击性 /cm 50 50 50 50 GB/T1732— 1993
耐蚀性(45 ℃)/h 72 84 96 120 GB/T1771— 1991
由表 1可以看出 , 随着超细滑石粉加量的增加 , 涂层的表
干能力 、回粘性 、硬度和耐蚀性均得到了明显提高;当加入量
较多时 , 涂层的透光率 、附着力却有所下降;涂层的柔韧性和
耐冲击性几乎没有变化。由于超细滑石粉的加入 , 涂料的固
含量增加 , 涂层的表干能力 、回粘性均得到了提高。滑石粉的
莫氏硬度为 1,加入的滑石粉量越多 ,涂层的硬度就越高 , 而且
超细滑石粉的片状结构既可以有效改善涂料的流平性 , 减少
涂层缺陷 , 又可以有效延长腐蚀介质的扩散路径 , 从而提高涂
层的耐蚀性。但加入过多的超细滑石粉 , 会导致涂层的遮盖
力增加 , 透光率下降 ,同时由于滑石粉层间的结合力较弱易解
裂 , 使得涂层的附着力有所下降。超细滑石粉因其具有较高
的长径比 , 可赋予涂层较高的耐冲击性和断裂韧性 , 故涂层的
柔韧性能和耐冲击性能稳定。
3 结 语
超细滑石粉悬浮液中加入不同分散剂后 ,分散效果为 FSJ
-502>DA-01> 5040>S-100, 所以本试验的最佳分散剂
是 FSJ-502, 并通过实验发现 , 随分散剂 FSJ-502量的增加
分散效果逐渐变好 , 且当分散剂 FSJ-502的平衡浓度达到
0.657 5 g/L时 , 达到最佳分散效果且趋于稳定。
将分散稳定的超细滑石粉悬浮液加入到苯丙乳液中制成
涂料 ,其涂层的干性 、回粘性 、硬度和耐蚀性均得到了较大程
度的提高 ,且涂层的柔韧性能和耐冲击性能稳定。
参考文献
[ 1] 彭小平.滑石之应用与分析 [ J] .陶瓷研究 , 1995, 10(2):89
-95.
[ 2] 杨华明 , 邱冠周 , 高太峰.超细滑石粉的制备及应用 [ J] .非金属
矿 , 1998, 121(1):30-33.
[ 3] 谢海安 , 金小刚.滑石粉的改性及应用 [ J] .国外建材科技 , 2001
(3):31-34.
[ 4] JENKINSP, RALSTONJ.Theadsorptionofapolysaccharideatthe
talcaqueoussolutioninterface[ J] .ColoidsandSurfaces, 1998, 139
(1):27-40.
[ 5] 张旭昀 , 王勇 , 孙丽丽.纳米级多孔 SiO2的分散及在水性涂料中
的应用 [ J] .纳米科技 , 2006, 4(4):11-14.
[ 6] 汉斯·莫利特 , 阿诺德·顾本门.乳液 、悬浮液 、固体配合技术与
应用 [ M] .北京:化学工业出版社 , 2004:165.
[ 7] 沈一丁.高分子表面活性剂 [ M] .北京:化学工业出版社 ,
2002:35.
收稿日期 2007-11-27
54
张 婧 ,等:超细滑石粉的分散及其在水性涂料中的应用