表面活性剂是水系统的关键成分，因为它们提供了广泛的性能属性。在水性颜料分散物中，如油漆或着色剂，表面活性剂必须促进颜料的研磨，并提供分散颜料足够的稳定性，同时确保降解相容性和最佳的应用性能。很少只使用一种表面活性剂在颜料分散;更多情况下，为了达到特定的性能和工艺属性，需要添加两种或三种表面活性剂。配方商必须平衡这些要求，管理系统成分之间复杂的相互作用，以避免添加一种表面活性剂来解决一个缺陷，只会导致一个新问题的令人沮丧的循环。这篇文章将回顾在水性颜料分散中常见的表面活性剂的基本类型，并就何时和如何最好地使用每种表面活性剂提供指导，以减少配方开发和故障排除。
了解表面活性剂
水分散是在水介质中使用表面活性剂使不溶性固体稳定。这一过程通常分为三个步骤:1
- 干燥固体的润湿;
- 研磨至最佳粒径;
- 稳定的粒子。
在水分散体系中，分散剂是使能表面活性的化学物质，但附加的表面活性剂被广泛使用，并且已知会显著影响分散过程和配方性能。关键是要了解如何最有效地使用表面活性剂。
表面活性剂一词是包含所有表面活性剂的总称。行业内使用的语言并不总是清晰的，这可能导致在制定方和供应商之间的讨论中出现沟通问题。表面活性剂的描述通常是基于它们在系统中的益处，而不是它们可能提供的核心功能作用;因此，相同的化学反应可能会以不同的方式描述给不同的观众。简单的乙醇乙氧基酸酯可被称为乳化剂、共分散剂、助润滑剂、泡沫剂、润湿剂或表面活性剂，这取决于其性质。了解表面活性剂在复杂体系中所起的特定作用，通常是可以解释的。即使在使用化学已知的表面活性剂时，想要了解表面活性剂在完全配制体系中的影响，配方者也必须依靠大量的猜测和试错。认识到配方剂面临着已知和未知的添加剂化学，关键是根据它们的核心功能对它们进行非常笼统的分类。在水性颜料分散中，通常有三个关键类别的表面活性化学物质:分散剂，稳定表面活性剂(通常称为共分散剂或研磨辅助剂)和非稳定表面活性剂(通常称为润湿剂)。每一个都将被描述，并将审查稳定表面活性剂作用的其他方面。
分散剂
分散剂是颜料分散中的使能表面活性剂。它们被设计为在颜料和水的界面上发挥作用，提供了两个关键属性:对颜料表面的亲和力和保持粒子分离的稳定力。有非常广泛的分散剂可用于水分散，然而，许多化学物质是商业机密，使配方商几乎没有选择，除了广泛的试验和错误测试。虽然耗时，但这项工作是非常值得的，因为选择最佳的分散剂通常会减少进一步配方的需要。如果这是不可用的，或库存最小化或成本考虑驱动分散剂的选择，与其他表面活性剂配方成为一个非常有价值的工具，以提高性能和工艺。
分散剂通常分为两大类:商品聚合物和高性能分散剂。商品聚合物通常基于低成本的单体和聚合过程，具有较高的分子量，通常提供静电稳定。最佳商品分散剂的鉴定通常会提供具有足够分散稳定性的配方，但可能导致颜料性能次优，并在分散过程中面临挑战。高性能分散剂通常基于特殊单体、更复杂的生产工艺、较低的分子量和通常的空间或电空间稳定性。一种最佳的高性能分散剂通常会提供一种具有特殊分散和衰减稳定性的配方，并具有足够的显色和研磨效率。这两种分散剂的相对性能比较见图1。
对于许多配方商来说，找到一种最佳的高性能分散剂通常会减少进一步配方工作所需的工作量。分散剂成本是决定优化基于商品分散剂的系统所需时间投资的一个重要因素。当需要配方时，下一步通常是使用额外的表面活性剂。在图1中，满足每个性能标准所需的关键属性以斜体显示。例如，在研磨效率或显色方面表现较弱的商品分散剂聚合物通常最好与一种次级添加剂配制，该添加剂可以提供额外的界面张力降低或提供动态稳定——一种低分子量、稳定的化学物质，可以促进更快的粒径减小。或者，如果颜色发展和研磨是足够的，有时少量的润湿表面活性剂是所有必要的，以改善颜料的切割和减少任何可能加剧衰减冲击的界面张力梯度。配方是提高性能的一个有价值的工具，但必须强调的是，分散剂的选择是首要和最优先考虑的。确定一种最佳分散剂往往能减少配方工作和添加剂的使用。
当需要配方时，稳定性和非稳定性表面活性剂通常都被用于优化图1中的性能。水溶液分散体中通常有三种不同的类型。
1.高亲水亲脂平衡(HLB)稳定表面活性剂
基于高乙氧基化结构、离子特性或两者的组合的表面活性剂常被用于改善水分散体的稳定特性。使用稳定的表面活性剂通常能最好地改善分散稳定性、颜色和粘度稳定性以及衰减相容性。必须小心，因为这些材料是典型的泡沫，往往难以在分散过程中利用。它们还具有乳化作用，并可能对其他配方成分(如结合增稠剂)产生负面影响。对消泡剂使用、配方流变性和涂层耐水性的影响是过量使用这些材料的常见问题。
2.中hlb稳定表面活性剂(研磨辅助剂或研磨表面活性剂)
基于中hlb聚氧乙烯基酯的表面活性剂在分散应用中非常常见，像壬基酚9eo和类似的表面活性剂等材料多年来一直是这一组别的标准化学成分。8-15 EO块的非离子表面活性剂和10-14 HLB的非离子表面活性剂提供了一定的稳定性，可以提高降解相容性、磨铣效率和小颗粒稳定性，同时大大减少了阴离子或高HLB非离子稳定剂所存在的泡沫和水敏感性问题。它们通常用于分散过程中，因为泡沫通常是可控的。过量使用仍然会导致类似的耐水性、泡沫和流变性问题，但中等hlb的表面活性剂通常比高hlb的稳定剂更宽容。这类表面活性剂通常被称为研磨辅助剂或研磨表面活性剂。
3.润湿剂
基于低hlb、最低或无乙氧基结构的表面活性剂常被用作润湿剂。这些类型的表面活性剂通常是非胶束的，没有稳定性属性。它们仅用于降低界面张力，有利于干色素脱泡和减少衰减冲击。
配方方向应从选择分散剂时遇到的缺陷出发。考虑到稳定性问题，如果不可能再进行进一步评估以找到更好的分散剂，则有必要使用协同分散剂和高hlb表面活性剂。使用应该最小化，梯式研究总是找到最小使用水平以避免新问题的最佳方法。
通常情况下，它是适合尝试研磨表面活性剂代替。低hlb表面活性剂的稳定效益可能足以解决分散剂的不足，通常还能提供协同分散剂所不能提供的额外工艺效益。对于任何稳定的表面活性剂，关键是要保留它的使用和评价，直到分散剂被选择之后。在分散剂评估中，将表面活性剂作为常规成分常常会导致假阴性。图2和图3显示了研磨表面活性剂的总体性能趋势。
图2显示了在评估不同分散剂时所看到的性能差异类型的广义代表。通常情况下，这些分散剂将表现出不同程度的颜料性能属性，如颜色、光泽、隐藏度或粒径，这与分散剂的化学性质和特性对颜料和配方的适用性有关。理想情况下，选择顶级分散剂，但其他因素可能导致选择性能稍低的分散剂。研磨表面活性剂的使用可以显著改变分散剂的表观性能，如图3所示。研磨表面活性剂通常能在研磨和分散过程中更快地降低颜料粒径，2由于干颜料更好的润湿性，以及改进的动态稳定属性;然而，最终的性能属性可能会有很大的不同。改进和降低性能都是可能的。这为正确的配方创造了重要的价值，但对配方者来说是危险的。在评估分散剂时，稳定的表面活性剂应该很少使用，因为假阴性可能导致失去机会和不必要的工作。只有在确定了首选分散剂后，才能进行进一步的配制。
图4显示了橙色颜料(PO 5)分散剂的实验结果，这是一种含有和不含两种不同研磨表面活性剂的商品丙烯酸分散剂。虽然两种研磨表面活性剂都表现出最初的效果，但与不含表面活性剂的毛坯相比，助磨剂2的显色效果显著降低，而助磨剂1的显色效果显著。
在含有额外表面活性剂的配方中，使用水平也是一个非常重要的考虑因素。为了确定最佳使用水平的阶梯研究是非常重要的，因为过量的表面活性剂会导致次生问题，如泡沫和水敏感性。更多的表面活性剂并不总是更好的，通常在一个水平上，额外的表面活性剂不能提供更多的好处。图5显示了在0 ~ 2.25% wt%的使用水平范围内，使用一种商品丙烯酸分散剂和两种不同的研磨表面活性剂对酞青蓝(PB 15:3)颜料的评价。研磨辅助工具A1和A2在1.5 wt%的载荷下似乎都能达到最佳效用，额外的载荷不能提供进一步的好处。研磨援助A1的性能明显更好，甚至比2.25%的研磨援助A2的负载。表面活性剂与分散剂的匹配程度决定了分散剂的性能，如果分散剂与表面活性剂的匹配程度较差，则不能通过添加添加剂来改善。
水分散的优化通常是通过使用表面活性剂来实现的，但正如图中的数据所示，这不是一个简单的努力。分散剂是表面活性剂，合理的预期是，添加额外的表面活性剂可能会与初级分散剂发生协同和拮抗作用。前者为制定者创造了机会，而后者则产生了问题和不必要的工作。至关重要的是，在进行任何配方时都要意识到潜在的问题，理想情况下，应该在选定分散剂后再加入其他表面活性剂。识别和优化附加表面活性剂的使用往往比识别分散剂容易得多。
总结
表面活性剂是水性颜料分散的使能化学和有价值的配方工具。这些材料的使用应始终遵循主要表面活性剂-分散剂的识别。分散剂与要分散的固体的配对以及配方的化学和性能需求将决定存在哪些不足，以及可能需要添加哪些类型的表面活性剂。普通分散剂通常需要比高性能分散剂更高的配方度，但这两类分散剂通常都可以通过添加表面活性剂来改进。无论哪种分散剂，都应该在评估时不使用或只使用少量额外的稳定或研磨表面活性剂，因为相互作用和性能影响可能非常大。首先确定分散剂，评估可能需要添加哪种类型的表面活性剂，并使用阶梯研究来确定达到预期性能所需的最小使用量。
确认
作者要感谢空气产品和化学品公司的迈克·波利和蒂莫西·史密斯的工作。
参考文献
1粉末在液体中的分散，爱思唯尔的科学、纽约、1969．
2温克勒，J.分散颜料和填料，文森特茨网络，汉诺威，2012。
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