用于改善水性丙烯酸和苯乙烯/丙烯酸涂料展色性的颜料分散剂
作者：Elizabeth H. Lowe，Ethox化工公司特殊项目经理，南卡罗莱纳州格林维尔
为了获得高质量的涂料，颜料分散剂必须是液体的，且需拥有一个最佳粒径和长期稳定的储存时间。表面活性剂可以分散和稳定颜料颗粒。在研磨过程中，分散剂分散和稳定较小的颜料颗粒，防止它们团聚。这些分散剂有助于防止颜料颗粒在储存期间和在白色乳胶底漆中混合时产生絮凝。本研究着眼于提高颜料分散剂的保质期，同时增强颜料分散剂与水性白色乳胶底漆之间的相容性。
实验
原材料
以9-10 mol EO的壬基酚(9-10 mol EO, STD NP)和含有颜料亲和基团的高分子量嵌段共聚物(STD BCP)为标准分散剂(DAs)。用来比较的非离子表面活性剂是E-Sperse®326(326), 343(343)和E-Sperse 345 (345)。用来比较的阴离子表面活性剂有E-Sperse 713(713)、E-Sperse 1202(1202)、E-Sperse 1203(1203)和E-Sperse 1204(1204)。713和1202是硫酸盐，1203和1204是磷酸盐。酞青绿 (PG7)是本研究中分散在水性体系中的有机颜料。所有配方中的润湿剂、消泡剂和杀菌剂均相同。
分散剂预筛选
将50%重量的PG7添加到50%重量的软水（DMW）中。用注射器，以滴状方式滴入STD NP，直至颜料溶入水溶剂中。记录转化为100%质量的活性产物所需的STD NP的用量。STD BCP和其他表面活性剂的评估方法与之相类。在分散剂需求测试中，对任何要求等于或小于STD NP质量的产品进行了测试。
所需的分散剂
将50%重量的PG7添加到50%重量的纯水（DMW）中。计算了分散剂的体积增量添加量，同时考虑了分散剂的密度、有效成份百分比和所使用颜料的克数。在进行高速研磨之前，可能需要添加少量分散剂来湿润颜料和加入消泡剂。研磨后，进行粘度测量。加入一定量的分散剂，搅拌并测定其粘度。重复这个过程，直到粘度稳定下来或继续上升。与标准的粘度或用量相比，任何粘度较低或需要更低添加量就可达到低粘度的分散剂均被考虑用于颜料分散体的制备。
颜料分散体的制备
制备有机颜料分散体的配方如如表1所示。除颜料外，所有材料都装在不锈钢双层壁容器中，然后将其放置在涂有特氟隆研磨叶轮的分散机上。低转速搅拌5 - 10分钟，使之均匀后，再在20到30分钟内慢慢加入颜料。一旦颜料混合，加入Zircoa®微珠并加速搅拌。至少搅拌30分钟后检查研磨状况，当研磨细度达到7+ Hegman后，分散体完成。
水性内墙缎光涂料是购买自当地五金和油漆店。这些涂料的树脂体系是丙烯酸或苯乙烯丙烯酸。颜料分散体以大约8盎司/加仑的量加入乳胶漆中。将涂料放入调漆器中搅拌约4分钟，直至均匀。
粘度
根据ASTM D 2196，在25°C下测试颜料分散剂和有色涂料的初始粘度，静置一夜后使用旋转粘度计再次测试。然后，将颜料分散剂和有色涂料置于一个54°C烤箱，在1周和2周后，再次测试其粘度，以确定贮存稳定性。
色差
ASTM D 2244、E308和E1164是用于计算色差的参考标准，使用CIELab仪器和分光光度计来对对象进行颜色评估。用X-Rite分光光度计测定了使用标准表面活性剂的有色涂料与其他表面活性剂有色涂料之间的色差。用一个自动涂刷器和一个40号的刮涂棒将有色涂料涂在一个Leneta 3B不透明涂膜测试卡纸上，这个40号刮涂棒相当于4密耳的湿膜厚度。允许涂膜挂在挂架上的垂直晾干。干燥后，用CIELab颜色系统测量白色背景上的三个点。取这些测量值的平均值，并与加了标准表面活性剂的着色涂料的平均测量值进行比较。色差可以用一个叫做Δecmc的数值来表示，它是基于亮度、色度和色调的变量来计算的。Δecmc的结果被用来作STD NP和STD BCP与其他DAs的比较。
颜色接受性
对着色涂料的涂膜进行了“指研”测试，以确定颜料分散剂与涂料的相容性。在颜料分散体完成后，立即对涂料进行着色，接着将颜料分散剂放置在一个54°C的烤箱两周，再进行同样的操作。用一个自动涂刷器和一个40号的刮涂棒将有色涂料涂在一个Leneta 3B不透明涂膜测试卡纸上，这个40号刮涂棒相当于4密耳的湿膜厚度。用轻微的压力和戴着手套的手指做圆周运动，便可进行指研测试。允许涂膜挂在挂架上的垂直晾干。干燥后，对指研区域进行检测，注意指研区域与未指研区域的颜色差异。肉眼看来没有明显的颜色差异便是好的测试结果，反之便是差的结果。为了获得定量参考，使用X-Rite分光光度计和CIELab颜色系统对未指研涂料的三个点测量，然后在指研区域表面测量三个点，对指研区与未指研区涂层表面的色差进行比较。如果使用标准分散剂的ΔEcmc大于被测试分散剂的ΔEcmc，就说明相对标准分散剂的颜料浆与涂料的兼容性而言，使用该被测试分散剂的颜料浆与涂料之间的兼容性更好。
析水率
在54℃烘箱中放置一周和两周后，测量着色涂料的析水率或分离度。用尺子在装有着色涂料的4盎司的包装罐中测量涂料顶部形成的半透明液体层。再将这些测量值与未着色的涂料，以及与本研究中使用的标准着色涂料进行比较。
光泽
根据ASTM D 523，使用micro-TRI-gloss光泽计测量20°和60°光泽。用一个自动涂刷器和一个40号的刮涂棒将有色涂料涂在一个Leneta 3B不透明涂膜测试卡纸上，这个40号刮涂棒相当于4密耳的湿膜厚度。允许涂膜挂在挂架上的垂直晾干。干燥后，在白色背景上测量三个点。取这些测量值的平均值，并与使用标准表面活性剂的着色涂料的平均测量值进行比较。
结论
颜料分散剂的粘度
最初，所有的颜料分散剂的粘度都在432 - 6265 cPs之间(表2)。除了1204外，所有用来对比的DAs初始粘度值都低于标准值。
图1显示了颜料分散剂的初始粘度测试结果，在54°C的烘箱中进行了一周后和两周后的测量。放入烘箱后，标准品和1204的粘度显著增加。在初始测量后，STD BCP的粘度太高，无法用旋转粘度计进行测量。STD BCP是一种在搅拌时不会变薄的块膏状物体。在烤箱中放置一周后，STD NP的粘度上升到166000 cPs，然后上升到775000cPs。STD NP是一种引气膏，具有触变性，但不具有流动性。所有包含用于比较DAs的颜料分散体置入烘箱中后，都具触变性，但一旦变薄，便可以测量其粘度。除1204外，所有用来比较的分散体均保持在40000 cPs以下，而阴离子型分散剂713和1202在一周内保持最低的粘度，两周后，343、345、1202和1203的粘度保持在20000 cPs以下。总的来说，1202的表现最好，在烘箱中放置两周后，粘度最高记录为5155 cPs。
涂料的粘度
图2-图4显示了在54°C的烘箱中烘烤一周后和两周后，混合了颜料浆的三种市售涂料的粘度测量结果，并对白色丙烯酸基料进行了初始测量。
在烘箱中储存整整两周后，在丙烯酸涂料1中，326、343、345、1202和1203的粘度皆低于STD NP和STD BCP。在丙烯酸涂料2中，所有与DAs相比较的混合了颜料分散剂的涂料热储两周后，粘度均低于两种标准涂料。储存一周后，STD NP在丙烯酸涂料2中的初始粘度最低。在丙烯酸涂料3中，STD NP的总粘度最低，但与DAs相比较的涂料要优于STD BCP。
颜料分散剂与苯乙烯丙烯酸白色基料混合后的粘度结果如图5所示，测量方式与丙烯酸涂料一样。总的来说，STD NP的粘度最低，但STD BCP在两周的储存期间的粘度明显高于与DAs相比较的其他涂料。
色差
所有着色涂料均与含有STD NP和STD BCP的着色涂料进行检测对照。对每个色浆的L*a*b*值和L*C*h结果进行了评测。图6显示了丙烯酸涂料中与STD BCP相关的PG7颜料分散体的CIELab结果。大多数结果接近标准(轴的交点)，但更多趋于黄色/红色。异常值是位于绿色深处区域的STD NP9，它被标记为勉强可接受，因为它刚好位于仍被认为可与STD BCP相比较的椭圆形区域内。
图7显示了苯乙烯丙烯酸涂料中与STD BCP相关的PG7颜料分散体的CIELab结果。大多数结果都趋向于黄色/绿色，其中一半以上用红色色点标记，表明勉强可以接受。STD NP9也在绿色区域，但更靠近黄色区域。另外两种丙烯酸涂料的测试结果与第一种相同。
一般情况下，如果ΔECMC小于1.0，表面活性剂与颜料分散中使用的标准品相当。表3列出了以STD BCP为标准表面活性剂时着色涂料的ΔECMC。所有分散剂在丙烯酸涂料中的ΔECMC皆小于1.0。在苯丙涂料中，ΔECMC小于1.0的分散剂分别为326、343和1204。
表4列出了使用STD NP作为标准表面活性剂时着色涂料的Δecmc。在苯丙涂料和丙烯酸涂料3中，所有分散剂的ΔECMC均小于1.0。在丙烯酸涂料2中ΔECMC小于1.0的分散剂是阴离子713、1202、1203和1204。在丙烯酸涂料1中所有DAs的ΔECMC均未低于1.0。
展色性
丙烯酸涂料1（图8）的指研结果显示，初始颜料分散体中，没有一种比STD NP具有更好的展色性，同时343、345、1202、1203和1204制成的分散体比STD BCP具有更好的展色性。热老化两周，混合颜料分散体的着色涂料在相容性上有较大差异。343、345和1203的ÄEcmc 低于任何一个标准样品。326和1202在热老化后表现优于STD BCP。
丙烯酸涂料2（图9）的指研结果显示，最初提供的颜料分散体中，没有一种比STD NP具有更好的展色性，而所有分散剂的展色性均优于STD BCP。经过2周热老化后，混合颜料分散浆的着色涂料中，326、343、345和1203的ΔECmc低于任何一个标准样品。1204在热老化后的表现优于STD BCP。
丙烯酸涂料3（图10）中的指研结果表明，所有颜料分散剂的初始展色性均优于STD NP，而没有一种分散剂的展色性优于STD BCP。在经过2周热老化后的着色涂料中，343和1203的Δecmc低于任一一个标准样品。热老化后，1202和1204比STD NP的表现更好。
在苯丙涂料（图11）中的指研结果表明，326、1203和1204制成的颜料分散体比STD NP具有更好的展色性，而除345以外的所有分散体都比STD BCP具有更好的展色性。在经过2周热老化混合颜料分散体的着色涂料中，343和1203的Δecmc低于任何一种标准样品。326热老化后的性能优于STD NP。
析水率
未着色丙烯酸涂料与用标准分散剂制备的混合了颜料分散体的丙烯酸涂料，在析水率
上无明显差异。在苯丙涂料中，无论是透明层，或是白色层，都存在着一些脱水收缩现象。这种情况发生在与DAs相比较的着色涂料中，也发生在标准DAs中。透明层析水率倾向于1.0-1.5 mm，而白色层的范围为8-13 mm。摇晃时，涂料很容易均匀化。
光泽
对于有经验的实验员来说，可直接看出五个光泽度单位或更大单位的差异。光泽度读数显示，初始读数与三到七天后的读数无显著差异。标准着色涂料，与和它们相比较的着色涂料之间也没有显著差异。将三天和七天的样品与初始标准读数进行比较，也没有发现差异。
结论
本研究未发现包括标准分散剂在内的任何分散剂会在所有颜料分散体和涂料中起作用。阴离子分散剂如E-Sperse 1202 和1203的总体应用性能优于标准。 E-Sperse 1202 在颜料分散体中可以保持较低的粘度。 E-Sperse 1202 已被证明有助于所有测试涂料（丙烯酸和苯丙涂料）的颜色接受性。在多数应用测试中，非离子分散剂E-Sperse 326、343和345的结果显示都优于标准，但它们在着色涂料中（包括丙烯酸和苯丙涂料），显著提高了其展色性与分散性。综上所述，在提高颜料分散剂与丙烯酸或苯乙烯丙烯酸涂料的相容性上， E-Sperse 326、343、345和1203的性能均优于标准。用 E-Sperse 1202配制的颜料分散体，更有利于颜料分散体的稳定性。
参考文献：
1. Van de Mark, M.R.; Collier, H.L.; Shuman, Thomas. Basic Composition of Coatings, UMR Coatings Institute, Univer- sity of Missouri-Rolla, Rolla, Missouri, March 14-18, 2005.
2. Jackson, M. Overview of Polymer Types and Coating For- mulation, Specialty Coating Services, Inc., Louisville, Ken- tucky, July 19, 2006.
3. ASTM Standard D 523-14, Standard Test Method for Specu- lar Gloss, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2014, www.astm.org.
4. ASTM Standard D 2196-15, Standard Test Methods for Rheological Properties of Non-Newtonian Materials by Rotational Viscometer, ASTM International, West Con- shohocken, PA, 2015, www.astm.org.
5. ASTM Standard D 2244-16, Standard Practice for Calcula- tion of Color Tolerances and Color Differences from Instru- mentally Measured Color Coordinates, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2016, www.astm.org.
6. ASTM Standard E 1164-12(2017)e1, Standard Practice for Obtaining Spectrometric Data for Object-Color Evalua- tion, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2017, www.astm.org.
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