使用水预分散气相二氧化硅改善水性涂料| PCI Magazine的成膜

预分散的气相二氧化硅水溶液不仅易于添加，而且在水性涂料中表现出增强多种属性的能力。最有趣的特性之一是使用这些分散增强了薄膜的形成。本报告重点介绍明尼苏达大学进行的一项研究，以确定在各种乳胶体系中观察到的气相二氧化硅分散改善成膜的机理。

简介

几十年来，气相二氧化硅作为触变性剂、抗沉降剂和抗下垂剂，在各种等级和改性中得到了广泛的应用。然而，由于许多水基涂料粘度较低，导致其研磨环境较差，难以实现传统粉末技术的充分分散和充分解聚。如果没有适当的分散，药效会受到影响，表面外观性能也会受到影响。这两个问题都可以通过在气相二氧化硅的水中使用预先制成的分散体来克服。Evonik Degussa Corporation提供各种气相二氧化硅，氧化铝和二氧化钛分散体。

实验室评估表明，使用这些气相二氧化硅分散体可以改善许多丙烯酸树脂的成膜性能，并降低最低成膜温度(MFFT)。针对这一现象，明尼苏达大学联合进行了一项研究，以确定在这些系统中使用气相二氧化硅分散体改善薄膜形成的机制。本研究中收集的数据表明，气相二氧化硅分散体对成膜的改善是由于气相二氧化硅的增强特性，导致通常在成膜过程中发生的开裂减少。本文主要关注丙烯酸树脂中使用20%的固体，碱性，水分散，200m2 /g气相二氧化硅的薄膜形成的改善。在本文中，这种分散通常被称为PD200/20。还讨论了使用气相二氧化硅分散体可以增强的多种性能属性，如改善颜料、填充剂和消光剂悬浮液，降低粘性，改善污垢粘附性，增强膜强度，而不影响光泽度和其他外观属性。

改善了膜的形成，降低了MFFT2

图1点击放大

在评估气相二氧化硅分散在透明乳胶树脂中，一个有趣的现象被注意到。正如预期的那样，当添加到这些树脂中时，气相二氧化硅分散体不会降低光泽，因为在这些分散体的生产中实现了最佳的分离水平。令人意想不到的是，分散剂在这些树脂中改善了成膜，没有助溶剂或聚结助剂。在图1中，与单独使用树脂相比，在Rhoplex™AC337N丙烯酸树脂中添加5%的PD200/20可以看到膜形成的改善。

通过明尼苏达大学的研究，我们对气相二氧化硅分散改善成膜的机理有了清晰的认识。在大多数测试的丙烯酸树脂中，预分散的气相二氧化硅通过减少涂层的裂纹倾向和降低MFFT来改善膜的形成。图1所示的控制膜上的裂缝是由于干燥过程中膜上发生的自然应力造成的。PD200/20有助于防止这种裂纹，因为气相二氧化硅的模量更高，这导致需要更多的能量来形成裂纹，从而增加了涂层的抗断裂性。这似乎是较软的树脂的情况，它们没有合并的困难，但在室温下不能形成一个清晰的膜，因为它们倾向于开裂，没有加入助溶剂或增塑剂。

图2 - 3点击放大

明尼苏达大学的研究表明，预分散的气相二氧化硅在干燥过程的早期是活跃的，立即减少薄膜的自然破裂倾向。本研究的数据如图2-6所示。

图2和图3在显微镜下显示了两种不同的树脂，在不同的温度下，在MFFT棒上使用PD200/20和单独使用树脂。在AC337N和EI 2000树脂中，含有PD200/20的薄膜在每个温度下的开裂都比单独使用树脂的薄膜要小。即使在低至5°C的温度下，含pd200 /20的样品也表现出较少的频繁开裂和较大的裂纹间距。

图4点击放大

图4显示了PD200/20对MFFT的影响。在这两种情况下，与单独使用树脂相比，使用PD200/20可以在更低的温度下形成完全无裂纹的膜，避免了任何助溶剂或增塑剂的需要。

在不同温度下，当PD200/20存在时，气相二氧化硅分散体会增加裂纹间距，这进一步表明气相二氧化硅分散体会减少丙烯酸树脂中的裂纹趋势。这在图5和图6中可以看到，其中仅AC337N和EL2000树脂在不同温度下的裂缝间距与PD200/20树脂中的裂缝间距进行了比较。在所有的温度下，树脂与PD200/20的裂缝之间有更多的空间，表明更少的裂缝频率。

图5点击放大

明尼苏达大学收集的数据表明，在含有软乳胶颗粒的丙烯酸树脂中，气相二氧化硅分散对成膜性能的改善最大。含有软乳胶的树脂应该是MFFT小于15°C的树脂。这些树脂在室温下聚合没有问题。因此，使用这些树脂形成薄膜的问题可能是由于裂纹的形成，而预分散的气相二氧化硅将有助于克服这一问题。

在含有较硬颗粒或MFFT大于22°C的树脂中，膜形成问题可能是由于缺乏聚结。因为这些气相二氧化硅分散体在帮助薄膜结合方面没有发挥作用，所以在这些情况下，它们可能无法单独改善薄膜的形成。增塑剂或助溶剂可用于克服这种裂缝，也可降低最低成膜温度。然而，助溶剂有助于挥发性有机化合物和增塑剂往往使薄膜更软，更不耐用。PD200/20能够在不增加VOC的情况下克服这种开裂倾向，同时保持或增加薄膜的硬度和耐久性。因此，气相二氧化硅分散体可以作为一种工具，减少或消除增塑剂或助溶剂的使用，从而产生更硬的膜，或低voc水性涂料。

图6点击放大

气相二氧化硅分散体在水性涂料中的优点

物理及化学属性
由于其负电荷和酸性，标准气相二氧化硅在水性涂料中的应用受到一定的限制。在预分散形式中，气相二氧化硅可用于酸性和碱性形式，以及阳离子改性，为配方剂提供了更大范围的通用性。根据配方剂的需要，也有几种方法来修改pH值，如氨、KOH和NaOH。各种等级的气相二氧化硅分散可用二氧化硅的表面积从90到300 m2/g，固体含量从12 - 40%二氧化硅。也可用二氧化钛、氧化铝和混合氧化物的分散体。这些分散剂不含溶剂或表面活性剂。因此，添加到配方中时，它们对挥发性有机化合物没有影响，引起不相容的可能性很小。

细分散聚合
在气相二氧化硅分散体的生产中达到最佳的分离水平，以提供不会显著影响粘度或对光学性能产生负面影响的集料尺寸。使用标准分散方法，在水性涂料中使用标准粉状气相二氧化硅来实现这种水平的分离是极其困难的。在大多数情况下，当试图分散粉状气相二氧化硅时，骨料粒度分析显示产生了双峰分布，一个峰是细分散的骨料，第二个峰是大得多的聚集颗粒。这些较大的聚集体会对光泽度、雾霾和薄膜清晰度产生负面影响。

利用气相二氧化硅的预制备分散体克服了分散粉末的障碍。这些色散是由非常小的聚集体组成的，d50约为100纳米，远低于光学范围。由于预分散形式的聚集体非常小，这些产品通常不会增加粘度。因此，如果需要粘度构建，则建议采用标准的传统粉状气相二氧化硅。预分散气相二氧化硅的重要技术进步是它们在不影响粘度的情况下为水性涂料提供了广泛的其他增强效果。

水气相二氧化硅分散体抗沉降剂
水气相二氧化硅分散体在消除颜料和消光剂的硬沉淀方面产生了有效的结果，而不显著影响水基涂料的粘度。细分散的硅团聚体有助于颜料、填料和消光剂颗粒保持分散，并防止它们重新团聚和硬填充。抗沉降性能在高度着色的半弹性体砌体涂料中进行了测试，以及几种缎面透明木材清漆，在丙烯酸和PUD系统中。在所有情况下，加入气相法二氧化硅分散体的实验版本都比对照样品有明显的改善。

图7 - 8点击放大

测试也做了在丙烯酸透明缎面木材清漆与竞争的抗沉降技术。2022世界杯八强水位分析这些技术包括2022世界杯八强水位分析52%的改性尿素固溶体和15%的聚酰胺蜡固溶体胺盐。使用0.2%气相二氧化硅预分散形式(1%分散)在室温下性能略好，在高温下显著优于其他技术。2022世界杯八强水位分析不同于其他类型的抗沉降技术，气相二氧化硅分散的悬浮机制不是基于增加粘度。因此，它们不受温度升高的影响。悬浮机制是基于精细分散的团聚体结合在一起，创建一个网状结构，悬浮颜料和填充剂。这种网状结构不会增加黏度，其稳定性不受典型热老化环境的影响，因此具有更好的热老化稳定性。这种比较可以在图7中看到。

此外，由于这些分散剂不能增加粘度，与其他抗沉降技术相比，它们带来的另一个好处是改善流平。这一点可以通过在黑色玻璃面板上刷出气相二氧化硅分散涂料，并与含有其他抗沉降技术的涂料进行相同测试得到清楚的证明。在含有其他非气相二氧化硅基抗沉降剂的涂料中会留下刷痕，但涂料中有气相二氧化硅分散剂完全稳定。图8中可以看到一个这样的例子。

图9点击放大

与其他抗沉降剂相比，气相二氧化硅分散体的硬度也提高了König。水基涂料的许多非硅基防沉降技术的缺点之一是它们对膜硬度的固有负面影响。2022世界杯八强水位分析硬的，无机颗粒，如二氧化硅，众所周知，提高抗划伤性，有助于增加树脂基质的硬度。由于有效地保持消光剂颗粒悬浮，薄膜干燥，改善消光效率也观察到气相二氧化硅分散。与其他测试技术相比，使用PD200/20提高了König硬度和消光效率，如图9所示。2022世界杯八强水位分析

改善了吸污阻力/降低了膜粘性

图10点击放大

气相二氧化硅，虽然不多孔，但具有显著的吸油性，当与高填充系统结合时，有助于降低膜粘性。当混合粉末和预分散形式时，可以观察到这一点。由于它能够吸收和填充较大的填料和颜料颗粒之间的小空间，它还有助于使最后的涂层膜少多孔，增加污垢的粘附性。使用预分散的气相二氧化硅可以在图10中观察到污垢吸附和膜粘性的降低。

改进气相二氧化硅分散剂的抗凹陷性
另一个受PD200/20影响的性能属性(与粘度无关)是抗凹陷性和垂向稳定性。为了解决这一问题，研究人员使用了半弹性体涂层。在该体系中，在1%二氧化硅固体(5%分散)中使用该分散剂，抗凹陷性从对照组的30-35密耳提高到实验的40-45密耳。当涂层被涂到基体上，然后受到垂直应力时，分散的二氧化硅团聚体与颜料颗粒的相互作用改善了下垂行为。在不影响粘度的情况下，再次实现了垂直稳定性。图11演示了这一点。

图11点击放大

减少了重填充配方中的薄膜开裂

PD200/20也被测试，发现有助于防止外部绝缘整理系统开裂。这种涂层是一种灰浆状的，富含沙子的涂层。这种涂层的棒是用1/8英寸厚度的模具形成的强度测试。在干燥过程中，观察到对照棒材经常开裂。在配方中加入1%二氧化硅固体(5%分散)的PD200/20，就不再观察到这种开裂。由分散引入的硅团聚体与砂粒和树脂的结合，产生了强度和粘性的提高，消除了开裂。开裂的减少可以在图12中看到。

结论

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水气相二氧化硅分散体是一种新的形式，众所周知，长期存在的添加剂，可以改善水性涂料的各种性能属性。它的液体，水状的形式克服了使用传统的粉状气相硅胶的挑战。

由于其独特的能力，防止开裂和降低MFFT，水相气相二氧化硅分散作为一个独特的工具为水性涂料的配方。预分散气相二氧化硅通过改善成膜和减少与若干丙烯酸树脂的助溶剂，提供了降低VOCs的潜力。它们也可以作为一种潜在的方法，通过帮助取代常用的增塑剂来提高水性涂料的耐久性。

作为一种抗沉降剂，气相二氧化硅分散剂被证明是高效的，具有良好的流动和平整性，改善热老化稳定性，提高了磨砂系统的磨砂效率，并提高了König硬度，与其他传统的水性涂料技术相比。2022世界杯八强水位分析由于其不含溶剂和表面活性剂的性质，它易于使用，在广泛的水性系统中非常通用。

除了这些主要的好处外，在水性涂料中使用气相法二氧化硅分散体进一步提高性能是其他可以预期的次要属性。这包括:提高抗凹陷性;