超细滑石粉的分散及其在水性涂料中应用

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;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

    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(2500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10ml含不同分散剂浓度的2%滑石粉悬浮液,超声分散30min后静置10h,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10ml量筒中分别配制10ml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,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20g的苯丙乳液(固含量为4814%)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10ml去离子水中分别加入0.2g、0.6g和1.0g的超细滑石粉,并加入fsj-502,超声分散30min;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。

    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
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
2.2fsj-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

由图2可看出fsj-502在波长为300～340nm的范围内均有吸收,且吸光度较大。因此,选择320nm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

 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0.6575g/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。因此可确定要达到分散效果所需加入fsj-502的少量,即fsj-502的ce达到0.6575g/l时,吸附量刚好达到饱和吸附,此时加入量少,分散效果。

图4 fsj-502的吸附等温线
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

        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0.6575g/l时,达到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。