悬浮剂的种类及其在涂料行业中的应用

1.悬浮剂的定义

悬浮剂通常是指具有使固体物分散并使之悬浮在载液中的能力的物质。好的涂料悬浮剂不仅具有使耐火粉料悬浮的能力，而巨应具有流变学特性，特别是触变性，即既容易形成一定的组织结构，也容易为机械力所拆散。铸造涂料用悬浮剂的悬浮原理是通过自身在载液中的扩散力、吸附力、载荷力等，使高密度的耐火粉料在不同的载液中具有一定的悬浮性、连续性。因此，涂料中必须使用悬浮剂才能使耐火填料悬浮在载液中并保持均匀的弥散状态。

在涂料工艺的术语中，悬浮剂又称防沉剂、流变剂等。在讨论涂料的流变性时的一个主要参数就是涂料的黏度。涂料的黏度与其组分有很大的关系，因此国外有关文献中，将耐火粉料和载液以外的组分统称为黏度调整剂。

在悬浮剂的称呼上，人们通常习惯将能单独添加而起悬浮作用的黏土类无机物称为悬浮剂，而将与黏土类的无机材料配合加入，起辅助悬浮作用并赋予涂料一定的流变性或触变性的天然或人工合成的高分子聚合物称为增稠剂。事实上，两者所起的作用是一致的，因此将其分别称为无机悬浮剂和有机悬浮剂，或干脆统称为悬浮剂是合适的。另外，黏结剂和悬浮稳定剂在涂料中所起的作用是难以截然分开的，能作为黏结剂的材料一般都能起悬浮稳定剂的作用。如果在涂料中，某种材料起悬浮作用是主要的，起黏结作用是次要的，而另一种材料起黏结作用是主要的，起悬浮作用是次要的，那么仍沿用习惯，将其分别归入悬浮剂和黏结剂的类别。

在无机悬浮剂中，应用最为广泛的是膨润土，近年凹凸棒土、累脱石等黏土类悬浮剂也逐步在涂料生产中应用；在有机悬浮剂中，羧甲基纤维素钠（CMC）、聚乙烯醇缩丁醛（PVB）分别在水基和醇基涂料应用较为广泛，此外还有海藻酸钠、聚丙烯酰胺和黄原胶等。由于有机悬浮剂在本书第3章作为辅助黏结剂和增稠剂作过介绍，因此本节仅介绍几种黏土类悬浮剂。

2.膨润土

膨润土是以蒙脱石为主要矿物的黏土，其颗粒质点很小（可以小于0.1μm），被水湿润后水分不仅吸附在其颗粒表面，还要进入它的晶层之间形成胶体质点，载液变为胶体溶液。膨润土质点在胶体溶液中形成空间网状结构，使膨润土浆具有屈服值，耐火填料颗粒质点不易下沉。膨润土按吸附阳离子的不同分为钙膨润土、钠膨润土、锂膨润土及有机膨润土等。在水基涂料中所用的主要是钠膨润土和锂膨润土，锂膨润土还可用于醇基涂料作悬浮剂。膨润土在铸造涂料中，其结构特点是在水中能形成立体网状结构。其结构形成能力的顺序是：锂膨润土>钠膨润土＞钙膨润土。

锂基膨润土由天然钙基膨润土经离子交换处理后而得。表10-9是国内某膨润土公司锂基膨润土的技术要求。

表10-9 锂基膨润土的技术要求

锂膨润土用水溶胀后加入醇基涂料分散，即有良好的悬浮稳定作用。锂膨润土比有机膨润土便宜得多，又不需用苯类溶剂引发处理，这是十分可取的。其缺点是：锂膨润土吸水而形成的胶料在醇中的稳定性较差，用其制成的涂料即使悬浮稳定性很好，但在储存过程中胶料易脱水而失效，从而使涂料降黏、骨料聚结下沉并形成坚硬的大块，而巨在运输过程中的振动作用下，脱水尤为迅速。这样的沉淀物很难用一般搅拌方法再将其分散，此时，涂料实际上已不能使用。

有机膨润土是采用优质钠基膨润土，经提纯、变型和有机活化精制而成。有机膨润土是醇基涂料配方中较好的悬浮剂。它在乙醇中可以溶胀，使涂料黏度增加并有一定触变性。一般用量（质量分数）为1%～2%，用它配制的涂料渗入砂型或砂芯中少，容易建立起涂层厚度，而巨涂刷性好，点燃性好于由锂膨润土配制的涂料，涂层表面较光洁、刷痕少。

目前用于铸造涂料作悬浮剂的有机膨润土尚无统一的技术标准，可暂按表10-10所列项目进行控制。

表10-10 几种有机膨润土的性能指标

测定膨润土成胶或凝胶能力可采用膨胀偌数法或膨胀值测定法等。不同膨润土形成网状结构的能力差异很大，但至今国内外尚无公认的评价涂料用膨润土的质量指标，所以在膨润土的选用上存在很大的盲目性。有关文献报道了借鉴泥浆动切力指标的测定方法，该方法设计了适合评价涂料用膨润土指标和检测的方法。(www.xing528.com)

3.凹凸棒土

凹凸棒石又名坡缕石，是一种层链状结构的含水富镁铝硅酸黏土矿物。凹凸棒黏土是指以凹凸棒土为主要矿物成分的一种稀少的天然非金属黏土矿物，在矿物学上隶属于海泡石族。我国江苏、安徽、山东、辽宁等地已探明许多凹凸棒土矿点，产量以江苏吁眙居首位，现已探明其储量高达2.72亿t，远景储量达5亿t，占我国凹凸棒石储量的70%，占全球凹凸棒石黏土总储量的近50%，为世界优质矿藏。

凹凸棒土理想化学式可表示为（Mg，Al，Fe）₅Si₈O₂₀（HO）₂（OH₂）₄·4H₂O，其集合体为土状、致密块体构造，颜色为白色、灰白色、青灰、微黄或浅绿，有弱丝绢或油脂光泽。该种土质细腻，有油脂滑感，密度约1.6g/cm³，性脆（莫氏硬度2～3级），潮湿时呈黏性和可塑性，干燥收缩小，巨不产生龟裂，吸水性强，可达到150%以上。其晶体呈棒状、纤维状，长0.5～5μm，宽0.05～0.15μm，层内贯穿孔道，表面凹凸相间布满沟槽，具有较大的比表面积，部分的阳离子、水分子和一定大小的有机分子均可直接被吸附进孔道中。此外，它的电化学性能稳定，不易被电解质所絮凝。凹凸棒土由于具有较大的比表面积，使其具有较强的吸附作用。其在相当低的浓度下可以形成高黏度的悬浮液，其流变性能决定了它可用作胶体泥浆、悬浮剂、触变剂以及黏结剂。

凹凸棒土可作为铸造用水基、醇基涂料悬浮剂。它的吸水速度快，但在水中不像蒙脱石那样能吸水膨胀，必须加力搅拌才能使土粒分散，分散后其针状晶体束拆散而形成杂乱的网格，网格束缚液体，使体系的黏度增加。

表10-11为安徽某公司的胶体级高黏凹凸棒土粉技术指标。

表10-11 胶体级高黏凹凸棒土粉技术指标

凹凸棒土的商品名称又称为硅酸镁铝。硅酸镁铝悬浮剂分国产和进口两类，后者的价格较高。目前硅酸镁铝悬浮剂在国内铸造涂料行业中应用较广。

4.累托石

累托石是国内外罕见的特种非金属矿产，它是二八面体云母和二八面体蒙脱石1：1规则间层的矿物，根据其阳离子含量可分为钾累托石、钠累托石和钙累托石三种。累托石为鳞片、纤维状晶体，粒度一般小于2μm，莫氏硬度小于1级，质地松软有滑感，塑性指数89，具有良好的胶体性能。

累托石矿物的典型化学组成见表10-12。

表10-12 累托石的典型化学组成（质量分数，%）

累脱石作悬浮剂研究的结果表明，与传统的膨润土悬浮剂相比，累脱石黏土无论是水浆还是醇浆均易稠化，在相同加入量的条件下两者涂料的悬浮性相当，但载液量增加，其涂料含固量和密度稍有下降；从流变性来看，累脱石水浆的屈服值较低，由其配制的涂料抗流淌性较差；膨润土加入量过多，悬浮性虽好，但高温下涂层易开裂，加入量过少，涂料的悬浮性较差。累脱石黏土的最大优点是使涂料的高温抗裂性变好。

目前在铸造用涂料配制中用的主要是将钙基人工活化的钠基、锂基累托石，还有凹凸棒土以及累托石。