涂料中的粒子稳定性探究

在树脂溶解、颜填料分散完成之后，基础的涂料生产就已经完成，也就是完成了材料的液化，制成了涂料。但涂料不是液体短暂的能够展现涂装性能就能满足实际应用需求的，涂料还需要能够在一定时间内稳定存在，直到施工完成都能够保持涂料制备出来之后的状态，才能满足涂料的实际应用需求。

如果没有助剂将已经分散开的原级粒子进行稳定，或稳定性不够，一旦剪切力消失，静止后，颜料等粉体在涂料体系当中会受到重力、浮力、与其他粒子之间的作用力的影响。直观的表现就是出现浮色、沉降等问题。沉降也就是粉体粒子再一次聚集在涂料体系的底部，常称为沉底，如果沉底时间足够长，或沉底微粒表面稳定作用太弱，沉底粉体将变成结实的硬块，也就是图3—4所示的过程4。过程4是涂料配方设计、生产控制、储存控制等系列环节所需要共同控制、极力避免或尽量延后的过程。而要使得分散的原级粒子稳定存在于涂料体系当中，就必须要了解粒子之间的相互作用以及涂料颗粒之间的相互作用。其中最主要的是分子/原子之间相互作用以及颜填料粉体与涂料体系当中其他物质之间的相互作用。

1.分子间相互作用

分子之间的相互作用普适性的有范德瓦尔斯力、氢键、化学键，而这些普适性分子之间作用的强弱，一方面与分子的自身性质有关，另一方面与分子之间的距离有关系。这些分子间相互作用力的大小以及变化规律如图3—7所示。

图3—7　分子之间相互作用力

由图3—7可知，范德瓦尔斯力、氢键和化学键这三种分子之间的作用力，都出现在分子之间的距离在小于5 nm的条件下。当分子之间的距离超过4 nm时，分子之间很难形成化学键，因而难以形成化学键的作用；当分子之间的距离超过6 nm，范德瓦尔斯力都可忽略。因而上述三种作用力主要说明的是原子、分子之间的作用力。这在涂料当中主要体现在溶解状态的树脂与树脂以及树脂与溶剂之间、溶剂与溶剂之间、溶解的助剂与树脂和溶剂之间、助剂与颜填料、树脂与颜填料之间可能存在。

在涂料体系生产制备和储存过程中，极少涉及化学键的形成和断裂，也就不会过多的出现化学键的作用。涂料体系当中的作用力主要还是范德瓦尔斯力和氢键。范德瓦尔斯力和氢键的理论简化计算公式以及能量范围如表3—5所示。

表3—5　分子之间作用力分类及计算公式表

表3—5中的静电力、诱导力、色散力三种作用力均属于范德瓦尔斯力，由表3—5可知，色散力是最小的，而静电的能量比色散力大很多，但是分子的极性并不是普遍存在的，所以静电力和诱导力都不具有普适性。所以在实际当中色散力是大多数分子之间最主要的相互作用。氢键是另一种分子间的相互作用，但是能量要远超范德瓦尔斯力，是一种介于化学键/离子键与范德瓦尔斯力之间的相互作用。在涂料当中处于分子级别的微粒要能够长期处于稳定状态，就必须按照各种相互作用的合力来评判。涂料体系当中，各种分子、粒子能够长期保持自身状态，与其他分子之间的作用能够保持相对稳定的状态，决定涂料体系的稳定性。

在合理配方设计下，这种分子级别的相互作用能够在涂料体系当中达成热力学稳定的状态，即在各个物质状态不变的情况下，分子级别的微粒可以在整个体系中保持长期稳定。

2.微粒间相互作用

在涂料体系当中不仅仅存在范德瓦尔斯力、氢键、化学键这种亚微观（＜10 nm）范围存在的相互作用。微观范围（30 nm ～ 100 μm）内的相互作用，在很大程度上更能描述和表征涂料的状态和特点。颜填料的引入使得涂料的整个体系当中微粒种类变得更加丰富，微粒之间的相互作用就远不局限于分子之间的相互作用了。本小节就简单地介绍一下颜填料在涂料体系当中的相互作用。(www.xing528.com)

颜填料在涂料体系当中通常需要研磨、分散，形成的原级粒子需要通过分散介质和分散助剂提供一定的稳定作用，才能使得分散开的微粒稳定地存在于涂料体系当中。其中主要的稳定方式有在分散介质中的微粒（胶体）表面形成双电层，如图3—8所示。

图3—8　微粒溶剂中形成双电层的示意图

图3—8中示意的双电层是内部为负电荷，外部富集正电荷的一种现象，实际的双电层也可以是内部为正电荷，外部富集负电荷。微粒表面都形成了这种双电层之后，由于同种电荷相互排斥，所以微粒之间将不容易聚集到一起，使得微粒分散开之后便处于一个相对稳定的状态。双电层能够在微粒表面形成，需要分散介质当中具有离子存在，或至少具有极性微粒的存在，才可能在微粒表面形成双电层的结构。通常仅仅依靠分散介质（溶剂或树脂），很难为粉料微粒提供这样完美的稳定环境，需要在涂料体系当中添加分散剂才能实现。

在涂料生产过程中，对颜填料进行分散时都会加入分散剂，但也不是所有的含有分散剂的涂料体系都具备形成双电层的条件。在这种涂料体系当中微粒的稳定依靠另外一种作用—大分子在微粒表面进行包裹，形成微粒之间的空间位阻。这种通过大分子在微粒表面形成的空间位阻，阻止微粒的聚集。其中大分子对于微粒表面包裹状态理论示意图如图3—9所示。

图3—9　微粒表面被大分子包裹形成空间位阻示意图

图3—9（a）中示意的包裹状态能够为微粒提供很好的稳定作用，这是因为包裹的大分子在微粒表面形成的锚定点多，同时分子链也足够长，因而能够形成的空间位阻也足够大，能够很好地阻止其他微粒与该微粒融合到一起，形成聚集。图3—9（b）示意的包裹状态，虽然大分子形成的空间位阻够大，但是大分子在微粒的表面形成的锚定点太少，不足以稳定该微粒与其他微粒之间碰撞融合，稳定性存在不足。对于图3—9（c）示意的包裹状态，大分子虽然在微粒表面形成了诸多的锚定点，但此时形成的空间位阻不够大，在微粒之间碰撞时，也容易融合进而聚集，稳定性也不好。图3—9（d）示意的包裹状态，虽然大分子较微粒表面包裹的很严密，但是空间位阻的作用几乎没有体现出来，在涂料体系当中，微粒之间的碰撞，很容易形成聚沉的现象。

双电层与空间位阻对于微粒的稳定作用是对涂料当中颜填料的分散剂设计的重要考虑项目。很多时候为了满足涂料体系当中微粒的稳定性要求，需要对分散剂在分子结构上进行特殊的设计，使得在微粒表面能够形成双电层和空间位阻两种作用，如图3—10对比所示。

如图3—10所示，图3—10（a）示意的为双电层的作用，而图3—10（b）示意微粒表面既有双电层，也有空间位阻的作用。在空间位阻的作用下，微粒表面形成的双电层的电势能会稍低于没有空间位阻的环境，仅有双电层形成的稳定性较低，但是在双电层和空间位阻的双重作用下，微粒的稳定性更好。

图3—10　微粒形成双电层与双电层和空间位阻共同作用对比示意图

（ζ —电势；d —距离；δ —双电层稳定距离）

在涂料当中对于颜填料的分散是极为重要的环节，其中理论上对于颜填料的分散和研磨都需要达到颜填料的原始粒径和最终着色力才能确保微粒的稳定性得到最佳的保证。但是大多数的实际生产当中，鉴于能耗和效率的问题，都只是将颜填料的研磨分散到一定的细度，能够满足着色力和稳定性的基础要求就停止了继续研磨。颜填料的粒径控制是颜填料能够稳定存储于涂料体系当中的重要指标。