[涂装] 新型纳米分散剂提高醇基涂料悬浮稳定性的研究

摘要 : 对用新型纳米分散剂提高醇基涂料悬浮稳定性进行了研究 , 试验结果表明 , 只有新型纳米分散剂和有机助剂配合使用 , 才可取得明显的悬浮效果 , 醇基涂料的 2h 、 24h 、 48h 和 72h 悬浮率分别达到 99 % 、 98 % 、 96 % 和 94 % 。这种醇基涂料还具有强度高、发气量低、涂刷性好和点火不起泡等特点。

关键词 : 纳米分散剂 ; 有机助剂 ; 悬浮率 ; 醇基涂料

　　铸型和芯子涂敷涂料是提高铸件表面质量、防止 粘砂的有效途径。但是 , 随着市场经济的发展 , 各铸 造厂家为了不断开拓产品市场 , 对铸件的表面质量、 内腔清洁度以及尺寸精度等都提出了更高的要求 , 现 有铸造涂料已难于满足这种要求。

铸造涂料可分为水基和醇基两大类 , 其中醇基涂 料具有干燥快、节约能源、生产效率高、适用范围广 等特点 , 在我国得到了广泛的应用。年用量可达 3 ～ 4 万吨〔 1 〕 , 而且呈增长的趋势 , 市场应用前景广阔。

可是 , 目前国产的醇基涂料在使用过程中存在的问题 较多 , 主要表现为悬浮稳定性差 , 涂料在长期存放和 运输过程中易产生沉淀 , 特别是在使用锂基膨润土作 悬浮剂时 , 由于胶粒脱水 , 骨料下沉 , 往往形成 死 沉淀” ; 其次是流变性 , 特别是流平性差 , 涂层刷痕 严重 , 影响铸件的表面质量。由于上述原因 , 国内许 多合资或独资企业 , 一些大、中型企业及一般企业的 重要铸件 , 均使用国外公司生产的醇基涂料。因此 , 研究开发国产的优质铸造用醇基涂料取代外国公司生 产的涂料已成为 21 世纪我国铸造工作者急待解决的 任务之一。

醇基涂料主要由耐火骨料、溶剂、悬浮剂、粘结剂和附加物等组成 , 其中 , 悬浮剂是铸型涂料各组分 中最重要的部分。良好的悬浮剂不仅能有效地保证涂 料各组分的均一性 , 充分发挥涂料的作用 , 而且还有 利于施涂 , 提高涂层和铸件的表面质量。然而现有国 产的醇基涂料 , 至今还是采用物理分散的膨润土悬浮 剂 , 涂料的性能很难满足上述要求 , 这是国产醇基涂 料与国外涂料差距较大之处。

过去 , 我国将钠基膨润土用作醇基涂料的悬浮 剂 , 由于它在醇溶液中溶胀性不好 , 悬浮效果差 , 现 已不用。后来采用季胺盐处理的有机膨润土 , 它是一 种较好的醇基涂料的悬浮剂〔 2 〕。但是 , 它必须用二 甲苯引发 , 毒性大 , 成本高 , 采用的较少。近年来 , 人们又开发了含水的铝镁硅酸盐类的粘土矿物作醇基 涂料的悬浮剂 , 如凹凸棒石和海泡石等材料〔 3 ～ 4 〕 , 也由于在醇溶液中分散性较差 , 流平性不够好而没有 得到广泛应用。 20 世纪 80 年代以后 , 我国又开发了 一种醇基涂料用悬浮剂〔 5 〕 , 它是用锂盐与钙基膨润 土进行阳离子交换而得 , 这种材料在醇溶液中具有较 好的悬浮性和使用性能。但是 , 锂基膨润土吸水溶胀 后 , 在醇溶液中稳定性较差 , 由于胶粒易脱水而使醇 基涂料失去悬浮作用 , 致使涂料中耐火骨料下沉结 块 , 形成 “ 死沉淀 ” , 特别是在长期贮存或长途运输颠簸过程中 , 更为严重。不过 , 由于它成本低 , 在国内还是得到了广泛的应用。

为了进一步提高锂基膨润土在醇溶液中的悬浮稳 定性 , 人们又采取了如下两个措施 〔 6 〕 : 其一 , 用 PVB 对酚醛树脂进行改性 , 同时 , 配合使用消泡剂 ; 其 二 , 加入微量表面活性剂 , 进一步提高涂料的悬浮稳 定性。试验表明 , 在用锂基膨润土作悬浮剂的醇基涂 料中 , 加入 PVB 和微量表面活性剂后 , 可使其 24h 的悬浮率从 82 % 提高到 94 % , 明显地改善了醇基涂 料的使用性能。但是 , 用传统的表面活性剂时 , 由于 其分子结构上的局限性 , 醇基涂料的悬浮稳定性不 好 , 在长期存放或长途运输颠簸过程中 , 依旧形成 “ 死沉淀 ” 。

随着科学的迅猛发展 , 纳米材料及其在工业中应 用异军突起 , 成为当今开发新材料、新产品中最富活 力和对工业生产有着十分重要影响的一门科学技术 , 它为改造传统产业 ( 如涂料、粘结剂、陶瓷等 ), 注 入高科技含量提供了新的机遇。纳米材料颗粒极小 ( 一般在 1 ～ 100nm 范围内 ), 由于其表面积特大 , 在颗 粒表面无序排列的原子分数远大于晶态材料表面原子 所占的百分数 , 因而它具有传统固体所不具备的许多 特殊功能 , 例如 , 将其应用于涂料时 , 它能赋予涂料 优良的触变性能和分散稳定性。日本冈本正滕等人将 比表面积 30 ～ 400m 2 / g 的纳米硅粉 , 加入到醇基涂料 中 , 可使其悬浮率大幅度提高 〔 7 〕 , 为提高醇基涂料的 悬浮稳定性及其它使用性能开辟了一条新的途径。

1 　新型分散剂的悬浮分散机理

铸型涂料中耐火骨料等粉状材料的粒子大小大都处在 10 2 2 ～ 10 2 4 mm 之间 , 这样形成的分散体系称为悬浮体。这种悬浮体的稳定性较差 , 容易产生絮凝 , 在涂料中必须加入膨润土悬浮剂。

悬浮剂的分散作用可分为物理分散和化学分散两类。所谓物理分散系指耐火骨料和膨润土等粉料通过机械搅拌的物理方法使之分散于溶液中 , 而涂料中各组分都是孤立地存在于溶液内 , 形成相互没有联系的混合物。这种分散体系很不稳定 , 在存放过程中各种外力可使之絮凝沉淀 , 目前大多数国产醇基涂料就属于这种类型。所谓化学分散是在涂料中加入少量的分散剂 , 改变固体颗粒的表面性质 , 增强它们之间的相互作用 , 从而提高涂料体系的分散稳定性 , 防止固体颗粒的絮凝下沉 , 新开发研究的分散剂的作用机理就属于化学分散。

新型分散剂系一种超微粒的粉状无机纳米材料 , 由于其粒径极小 , 表面积特大 , 其表面活性相当高 , 并具有一定的碱性。当它加入到涂料中可赋予涂料优

良的触变性能和化学分散稳定性 , 可使涂料具有不分层、不沉淀、涂刷性好等特点。一般认为 , 它可能是通过以下三种方式来实现的 〔 8 〕 。

(1) 由于新型分散剂呈碱性 , 可改变固体粒子的端面电性 , 增大颗粒表面电位的绝对值和排斥力 , 起到分散的作用。

(2) 新型分散剂的颗粒极小 , 接近纳米 , 又具有极强的吸咐特性 , 用有机助剂进行表面处理后 , 可增加粒子的表面亲水性 , 加大其水化膜的厚度 , 从而强化其分散作用。

(3) 新型分散剂在增强颗粒之间位阻排斥作用方面比较特殊 , 它不溶于水和醇 , 就不可能象有机高分子材料那样 , 在颗粒表面被吸附 , 而是和耐火骨料颗粒一样 , 在醇溶液中不均匀地分布。因此 , 它对颗粒间位阻排斥作用的增强 , 很可能是通过本身的电性和极性来实现的。因此 , 分散剂的粒度越细 , 其分散效果就越好 , 当达到纳米级尺寸时 , 效果极为显著。另外 , 涂料含固率越高 , 其分散效果越好。

大量的试验发现 , 单独使用新型分散剂的效果不好 , 必须与有机助剂配合使用 , 才能起到良好的分散作用 , 而且不同类型的有机助剂 , 有着截然不同的分散效果。

2 　新型分散剂对悬浮性的影响

新型分散剂加入醇基涂料中 , 可提高固体粒子 ( 锂基膨润土等 ) 的 ε — 电位和粒子表面亲水性 , 从而 , 显著地增强粒子之间的排斥作用 , 提高醇基涂料的悬浮稳定性。图 1 所示为醇基锆英粉涂料中加入不同数量的新型分散剂对其悬浮稳定性的影响 ; 图 2 所示为新型分散剂用量与涂料的存放时间、悬浮性的关系。从图中可看出 , 醇基涂料中加入新型分散剂可明显提高其悬浮稳定性。而且 , 随着存放时间的延长 , 其悬浮稳定性的改善作用更为突出。其次是新型分散剂的加入量有一个最佳值 , 超过此值后 , 醇基涂料的悬浮稳定性有下降的趋势 ( 图 1) 。在本试验条件下 , 新型分散剂的最佳加入量为 0 . 37 % 。

图 1 　新型分散剂加入量对醇基涂料悬浮稳定性的影响

图 2 　新型分散剂用量与涂料存放时间、悬浮率的关系

1 . 分散剂加入量 0 % 2 . 分散剂加入量 1 . 85 % 3 . 分散剂加入量 0 . 74 % 4 . 分散剂加入量 0 . 18 % 5 . 分散剂加入量 0 . 37 %

试验发现 , 加入有机助剂对于进一步提高新型分散剂在醇溶液中的悬浮性影响极大 , 图 3 所示二种不同有机助剂对新型分散剂在醇溶液中悬浮性的影响。

图 3 　有机助剂的种类及加入量对新型分散剂在酒精中悬浮性的影响

　　注 : 取 2 . 5g 分散剂分散到 100ml 醇溶液中 , 以 2000r/ min 的转速搅拌 10min 观察 3h 后的结果。

由图 3 可知 , 某些有机助剂 ( 如助剂 A) 可进一步改善新型分散剂在醇溶液中的悬浮率 , 但是 , 达到最佳加入量之后 , 分散剂的悬浮作用不继续提高 , 反而有下降的趋势。而另一些有机助剂 ( 如助剂 B) 反而降低新型分散剂的悬浮作用 , 所以 , 在使用中必须慎重选用有机助剂。上面的试验结果表明 , 单独使用新型分散剂对醇基涂料的悬浮率的提高效果较小 , 只有与适当的有机助剂配合使用 , 才能得到较理想的分散效果。下表是加入新型分散剂和有机助剂 A 的锆英粉醇基涂料和国外公司生产的同类涂料的有关技术指标的对比情况。

从表中的对比数据可以看出 , 在其它技术性能指标相近的条件下 , 加入新型分散剂和适当有机助剂的锆英粉醇基涂料在悬浮稳定性和发气量等方面 , 明显优于国外公司生产的同类涂料 , 而且 , 生产成本较低 , 这为推广应用国产醇基快干涂料 , 生产优质铸件创造了条件。

表　两种锆英粉醇基涂料性能的对比

3 　结论

(1) 采用新型分散剂可显著提高醇基涂料中锂基膨润土的悬浮分散作用 , 克服其胶粒脱水和形成 “ 死沉淀 ” 的现象 , 这对于保证涂料组分的均一性 , 充分发挥涂料的性能起了极大的作用。

(2) 新型分散剂单独使用效果不理想 , 必须与适当的有机助剂配合使用 , 才能产生较好的分散效果。

(3) 加入新型分散剂和适当有机助剂的锆英粉醇基涂料还具有表面强度大、发气性低、涂刷性好和点火不起泡等特点。