水性涂料的颜料分散特性（日文）.doc

水性涂料的颜料分散特性
寺田刚
近年来,全球都高度关注环境问题。为适应形势,涂料业界从现在普遍使用的溶剂涂料到以VOC对策为目的的水性涂料的开发正以惊人的速度进行着。其中,如何保证作为化学特异溶媒的水系颜料的分散性尤其成为重要的研究课题。
关于颜料分散,一直都认为颜料的湿润,机械解碎,分散定性化这三个过程同时进行的。
湿润过程是将颜料粒子/空气界面或颜料粒子/颜料粒子界面置换成颜料粒子/树脂溶液界面。这时,树脂溶液向颜料粒子形成的凝集体中的微小间隙浸透,这对于颜料分散来说很重要。
机械解碎过程是指,湿润的附着力变小的颜料粒子凝集体在せん断力和冲击力的作用下,变为更小的凝集体或一次粒子。
分散安定化的过程是指,为使解碎的颜料粒子不再凝集,在激发颜料粒子间的斥力上下功夫。
至今为止,关于溶剂系,特别重视颜料的安定化,为了达到使颜料安定化的目的,而以对颜料/树脂间的亲和性有巨大作用的酸碱基的相互作用和三次元溶解性参数等为中心的研究已经展开。研究各种颜料分散剂或开发分散用树脂,这些想法已被广泛采用。
另一方面,关于水系胶体的安定化过程,以DLVO理论为基础,认为在静电斥力作用下可以使水系胶体粒子安定化,这样的理论非常盛行。但是,由于实用型水性涂料,离子强度大(1mol/l以上),粒子浓度高(10vol%以上),而且还混合了调色用的多种(异种电荷的)颜料粒子在其中,因此,实际上DLVO
理论中所说的只依靠双电层的静电斥力就能达到稳定分散是很困难的。
这样,在一般的乳胶涂料系里,使用苯乙烯-马来酸酸系,苯乙烯-丙烯基系等市场上销售的分散剂。还有,水溶性树脂涂料系也使用上述分散剂,或者是将媒介物中所含水溶性树脂作为分散用树脂使用。
目前,笔者们正在讨论,以***中和型的阴离子性水溶性树脂或酸中和型的阳离子性水溶性树脂为中心的水溶性树脂(尤指汽车用涂料系)的特性与分散的联系。其结果,在水相分散过程中,如何促进被水的特异性即高表面张力所左右的湿润性或者如何使容易受PH值影响的颜料表面的电荷达到安定化这两个问题的重要性得到认识。
图1 颜料电荷和悬浊液PH值值的关系
说明: ゼータ電位:泽塔电位
カチオン性树脂水溶液:阳离子性树脂水溶液
アニオン性树脂水溶液:阴离子性树脂水溶液

下面从颜料/树脂的相互作用观点出发,从水系的静电(酸碱基)相互作用对安定化的影响及水特有的相互作用——疏水性相互作用对颜料安定化的效果,特别是树脂自体的水和安定性的重要性这几个角度为中心进行叙述。
(酸碱基)相互作用下的树脂吸着与分散安定化
1-1 基本思路
首先,从静电(酸碱基)相互作用的观点出发,将常用涂料颜料的PH值所对应的(泽塔)电位表示在图1中。颜料的电荷随悬浊液PH值变化而变化,低PH值用正值表示,高PH值用负值表示。一般的阴离子性为水溶性树脂系,为了使其保持充分的水和安定性而中和了过剩的***,因此,PH值在8~9左右,这时,一般的涂料用颜料的电荷显负值,因此,与树脂之间存在着斥力。同样的,阳离子性水溶性树脂系中,颜料/树脂间也是斥力。这样,颜料中的电荷受各假漆(varnish)PH值的影响,与树脂的相互作用也会受到影响。
为了了解静电相互作用对分散安定化的影响,当典型颜料的等电点(IEP),,,,分别将二氧化硅,二氧化钛和氧化铝,在阳离子性或阴离子性水溶性树脂中进行分散。颜料各等电点相应的糊状物的贮藏前后的粘度安定性如图2所示。
图2 颜料等电点及树脂电荷跟分散安定性的关系
阳离子树脂系,颜料的等电点越低,即负电荷越容易保持,贮藏安定性好,颜料就越安定。而阴离子树脂系,颜料的等电点越高,即正电荷越容易保持,颜料就越安定。这样,对应各树脂的电荷,在PH值域内选择对应最佳电荷的颜料,就能得到安定的颜料糊状物。
涂料中使用的很多无机颜料,考虑到分散性,耐候性,要进行各种表面处理。通过这样的处理,颜料的等电点也会发生变化,因此,有必要考虑与电荷相适应的树脂进行吸着。
为了积极利用静电的相互作用而讨论使树脂***化,并使吸着颜料的关键部分和促进水和安定化的部位分担机能。这时,促进吸着的主要官能基的酸碱基强度比中和水和官能基的物质的酸碱强度更强,因此,更加促进了分散安定性。
1-2 树脂的水和安定性和分散安定性
在利用静电相互作用时要特别注意的是树脂的水和安定性,上面所记的树脂有充分的水和安定性能力,但是,一般用的涂料如假漆(varnish),由于涂膜性能,涂装作业性等的制约,水和安定性不充分的很多。图3是从树脂水和安定性的角度出发,将典型的颜料分散安定性表示出来。
图3树脂和颜料带异种电荷时的吸着形态和分散安定性
树脂的水和安定性充分的系,如图的上面所示