水对矿物增稠剂水化及对乳胶漆性能的进一步影响

矿物增稠剂是以沉积物形式自然形成的一组有机粘土。它们是由层叠板片构成的层状硅酸盐，应用于包括吸附剂、猫砂在内的各种行业。由于其吸收液体并形成凝胶的能力很强，所以也被用作涂料增稠剂。在此其中，天然生成的以及改性的膨润土、凹凸棒土、蒙脱石和层状铝硅酸盐尤为出众。 矿物增稠剂是一类非常重要的建筑涂料流变改性剂。它们负责乳胶漆在低剪切（布鲁克菲尔德粘度）和中剪切（斯托默粘度）区域的流变特性，并在高剪切力（ICI粘度）区域与流变改性增稠剂的协同作用。

在中、低剪切率区域，它们负责赋予粘度，并保持流挂、沉降和沉淀等流变特性，储存稳定性，包括防止脱水和罐内的粘稠感。在消除飞溅方面，它们与其它负责中、低剪切率区域流变性的增稠剂（包括纤维素衍生物和高剪切ICI助凝剂）配合使用效果很好。 它们吸收液体并形成凝胶的能力，与其结构以及在水环境中膨胀时发生变化的可能性密切相关。但在各种水中的膨胀是否相同呢？毕竟，正如你所知，水性涂料是由软化水和自来水制成的。不同的生产商也会使用工艺后水（废水、再循环水），而即使自来水的硬度也不尽相同，而这又与其成分中的不同离子有关。本文讨论了水的类型对矿物增稠剂水合作用的基本影响，及其对由矿物增稠剂制备的涂料性能的影响。

本文写作灵感来自一个涂料制造商的故事，他在同一国家的另一地点开了一家乳胶漆工厂，尽管使用了相同的原材料并采用同一配方，但却无法获得与其另一家工厂相同的粘度。水化与纸牌屋矿物增稠剂，例如蒙脱石，由尺寸约为100 x 100 nm、厚度约为1 nm（0.001µm）的薄片层构成。其边缘带少量正电荷，而薄片表面带负电荷（图1）。负表面电荷由钠离子来平衡，钠离子是可交换的，可以被其它阳离子取代，例如NH+、Ca2+（图2）。一粒粘土由成千上万个薄片层叠结构和可交换离子组成，层间则有一个单分子水层。当粘土分散在水中时，水会穿透薄片的间隙。然后离子被交换，并被水分子取代（扩散和渗透），从而使薄片分层（图3）。

随着剪切力的减小，带正电荷的表面对带负电荷的表面显示出吸引力。结果，就会构成“纸牌屋”结构，形成凝胶（图4）。所构成的结构形成空穴，其中可能存在气体（例如空气）、固体颗粒或乳液。因此，通过将其它原材料颗粒捕获到“纸牌屋”结构中，可能会使涂料配方中的原材料之间存在额外的粘度增强效应。

 由此产生的结构很容易被剪切力破坏（图5）。在混合（剪切稀化）过程中，板片松动，粘度下降，这是可逆的。因此，矿物增稠剂呈假塑性，其中一些甚至是触变性的（恢复到原始结构的时间会延迟）。

如果矿物增稠剂水合作用的基图片础是用水颗粒取代离子，水的纯度对适当的水合作用是否重要？水中离子的存在会增强或减弱水化程度吗？本文将回答这些问题。

试验

研究人员进行了案例研究，以确定水对水合作用的影响及其对实验室规模制备的乳胶漆性能的后续影响。实验采用了来自美国市场上不同制造商的三种矿物增稠剂（图6）。

该项目的设定是检查：水的类型对矿物增稠剂水合效率的重要性，以及水的类型对使用单独增稠剂的涂料实验室试验结果的影响。

研究人员使用水分分析仪测定每个样品的湿度，并估计用于制备干增稠剂重量的浓度。根据初步试验和制备特定浓度的可能性，选择水中的不同浓度。

每个样品均在科勒斯实验室溶解器中通过分散在水中制备： 符合ASTM D1193的II类去离子水（电导率1 µScm）； 自来水，中硬30 °f（约17.5 °a），3.0 mmol Ca2+；粘土悬浮液样品以相对较低的圆周速度（2.8至3.9 ms）分散在科勒斯溶解器中，这有助于观察水质对水化程度的更显著影响。 所制备的悬浮液被用于通过如图7所示的配方制备乳胶漆。涂料制备始终采用与用于粘土悬浮液相同类型的水。   

测试结果

以下是在项目范围内进行的测试结果。

KU粘度 研究人员对粘土悬浮液和涂料进行了测定，结果如图8所示。

图9（见下页）所示为#1矿物增稠剂。左边是自来水中的悬浮液，右边是软化水中的悬浮液。样本流动性存在明显差异。

布鲁克菲尔德粘度 在制备72小时后，对经过储存稳定性试验（1载片，52℃125℉）的油墨进行表观粘度测定。结果如图10（见下页）所示。  

涂料的初始粘度大致相同。当然，其变化是同样发生于其它组分之间的反应的结果，然而，样品之间的变量是软化水、增稠剂以及矿物质，在这种情况下，它们对观察到的变化影响最大。#1粘土在软化水中的粘度降低27%，而在采用自来水对其样品进行储存稳定性试验后，粘度增加了22%。#2粘土涂料采用去离子水的粘度差异很小（仅增加了5%），而#2粘土样品采用自来水时则不同（粘度增加了156%）。另一方面，#3粘土涂料在采用去离子水和自来水进行储存稳定性测试后，粘度几乎没有变化。

流挂 研究人员根据ASTM D4400，使用间隙为4至24密耳的缺口敷抹器，通过抗流挂指数测定来获取抗流挂试验结果。图11所示为抗流挂指数结果。

图11. 松弛试验结果 ICNC

在流挂的情况下，矿物增稠剂#1粘土可观察到差异，采用去离子水和自来水的差异为2.8密耳。采用去离子水样品的抗流挂性能比使用自来水的涂料高近16%。对于#2粘土，与粘土#3的情况一样，采用自来水的样品获得了略好的结果。

总结

本文中对两种水中的三种矿物增稠剂进行的案例研究表明，水的纯度对水化过程存在影响，继而又会对涂料的某些性能产生影响。当然，正如之前所提及，去离子水和自来水对配方中剩余原材料的影响并非无关紧要，但是，不同的水和粘土显示出明显的影响，这与增稠剂的类型密切相关，至于去离子水或自来水哪种更好，目前尚无判断规则。这就是为什么简介中提到的那家涂料生产商使用相同的原材料、相同的配方，但使用不同硬度的水，在两家工厂获得了不同的涂料粘度和流变性能结果的原因。

水中存在离子、缺少离子或离子活动严格受限，如脱盐水，会影响许多原材料及其在配方中的有效性，例如分散剂或消泡剂。上述关于矿物增稠剂的例子也证明了这一点。所以，如果你用矿物增稠剂进行配制，不妨检查一下你的样品在去离子水中是否更有效，无论它是硬、是软还是非常硬，这有助于实现最佳效率和可持续发展。

作者：ArturPalasz博士，SPEKTROCHEM 建筑涂料配方和原材料研究实验室

来源：荣格-《涂料与油墨-中国版》

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