聚合物分散剂

聚合物分散剂1. 概述2. 锚固基团3. 聚合物链段描述先前已介绍了聚合物分散剂通过位阻稳定作用对油漆、涂料和油墨体系产生影响。

结合以下两种要求提出了两类结构：1. 必须能强力吸附在微粒表面，拥有特殊的锚固基团2. 分子中必须含有高分子链段，在溶剂或树脂溶液体系中具有位阻稳定作用。

有多种共聚物/功能高分子的结构可能对聚合物分散剂产生影响。

图1给出了六种可能的排列：图1 : 与微粒表面的锚固作用即可通过功能基团(b和c)又可通过高分子链段(a和d-f)而产生。

产生位阻稳定作用的聚合物链段即可在一端(b，d，和f)又可在两端(a，c，和e)与微粒表面发生锚固反应。

聚合物分散剂与其它类型分散剂的区别在于具有相当高的分子量。

聚合物分散剂结构特殊，并同时受到极大的位阻限制，在大量的颜料微粒表面可形成稳定的吸附层。

当高分子链段很好的溶解和适当的展开时，位阻稳定作用得到加强，因此它们必须与周围的树脂溶液很好地相容。

若相容性不好，则高分子链段会折叠，产生位阻效应并使稳定性丧失。

为了保证添加剂的功效，颜料表面的吸附作用必须是稳定和持久的。

因此颜料微粒表面的性能对于添加剂的效力十分关键：•颜料表面拥有高的极性，比如无机颜料具有离子的结构，与任何分散剂产生吸附作用相对容易。

•然而，对于具有非极性表面的颜料，比如由单独非极性分子组成的有机颜料晶体，与常规添加剂很难产生吸附作用。

聚合物分散剂能提供的种类繁多的锚固基团，在与颜料的非极性表面发生锚固反应后，能产生有效的吸附作用。

从传统的观点看来，颜料在水中的稳定性通常会因为污染问题而受到干扰，比如不同的离子、或存在不同zeta-电位的其它颜料，可引起排斥力下降并失去稳定性。

位阻稳定作用能够避免这些问题，使聚合物分散剂在分散所有类型的颜料时都有很好的效果，甚至是有机颜料，而使用传统的润湿和分散剂时有机颜料的抗絮凝作用很差。

锚固基团先前所讨论的由分散剂分子聚合的链段，不论是包含了单个的链段还是成百上千的链段，并不是问题的关键方面，重要的是这些分子链能成功的象铁锚一样固着在颜料表面，使颜料表面覆盖足够密度的链段，将粒子间的相互作用降至最低。

如下图所示能够产生锚固作用的聚和物分散剂，可以是一个单独的功能基团，也可是一低聚物，或者是聚合的链段：图 1 : 分散剂分子结构图解研究表明，立体稳定的链段仅在一端通过锚固作用连接基团时，其效率最高。

在无水状态下，使空间稳定结构的熵值增加，这是预料中的状况。

很明显，连接于聚合物链段两端的锚固基团会降低链段运动的自由度，甚至导致该立体稳定的链段与邻近的粒子混合在一起。

锚固作用过程由于颜料表面自然状态不同，依其化学结构，可有多种不同基团做为高聚物分散剂与其产生锚固作用。

这种锚固作用广泛存在，促使高聚物分散剂与无机颜料作用，如同与具有极性表面的颜料相互作用一样。

锚固作用能通过不同的过程产生：通过离子或酸性/碱性基团产生锚固作用，当颜料微粒表面活性较低(例如：无机颜料)时，微粒表面带电荷位能与分散剂的相反电荷位或功能基团形成离子键。

如图2a所示，因为有机溶剂通常电荷量较低，所有该作用极易发生，而电荷则不易分离。

图2: 通过离子或酸性/碱性基团产生锚固作用事实上，许多无机颜料微粒表面十分复杂，既有正电荷位又有负电荷位。

因而颜料被分散剂分散时，既有带负电荷又有带正电荷的基团与其发生锚固作用，通常情况也是如此，如图2b和2c 所示。

能在带电荷或酸性/碱性表面产生锚固作用的功能基团有：胺；铵和季铵基；羧酸、磺酸和磷酸基及其盐；还有硫酸酯与磷酸酯。

通过氢键的锚固作用，尽管有机颜料微粒比无机的惰性强，比如石英，但是氢键的供体和受体是有可能存在的，比如酯、甲酮和chers.因此在微粒和高聚物分散剂的锚固基团间也许能形成氢键。

单独的氢键有可能较弱。

而聚合物分散剂内包含了众多具有氢键供体和受体的锚固链段，因此在颜料微粒与分散剂间的相互作用可大大增强，见图3图3: 聚合物基团通过氢键产生的锚固作用多胺和多羟基化合物既有供体又有受体，可通过氢键产生锚固作用。

聚醚能通过氢键受体产生锚固作用。

通过极性基团产生锚固作用有机颜料微粒表面具有极性或可极性化的基团，类似地在高聚物分散剂中也有极性或可极性化的锚固基团，因而锚固作用也可发生。

同样，这种相互作用通常相对较弱，但是在聚合物分散剂中，当由多个这样的基团组合成一个锚固的链段时，则会加强这种相互的作用。

图 4 : 通过极性基团产生的锚固作用聚氨酯常做为极性的锚固基团。

通过不溶性高分子链段形成锚固作用不需离子键、氢键或极性作用，仅依靠范德华力就可以使颜料微粒表面与聚合物分散剂通过锚固作用相结合。

分散剂内的聚合链段仅要求在介质中不溶，见图5。

图 5 : 通过不溶性高分子链段形成锚固作用聚氨酯锚固基团据说是通过该方式形成的。

事实上，在实践中很难区分这种与先前的两种吸附过程。

多数的高分子链段很可能是通过混合的静电力(氢键和/或极性作用)和范德华力产生锚固作用。

这些作用过程也许有一种是占主导地位，但大多数高效的聚合物分散剂可能会产生所有这三种过程，并使其影响最大化。

分散剂微粒的衍生物某些有机颜料(酞青蓝和二?f嗪紫是典型的例子)不会产生上述任何一种锚固作用。

除了在较低颜料浓度的分散体系中，它们很难产生任何作用，该分散体系还具有缓解絮凝的趋向。

解决此问题的唯一办法是改变粒子本身的化学结构，使其象锚固基团一样具有活性。

二维结构越大，分子量越高则该体系作用效果越强，因为锚固基团能非常密集地吸附在颜料微粒表面，促使微粒与锚固基团间的范德华力达到最大。

通过特别高效分散剂的作用，在铜酞青颜料分子上引入聚合物链段进行改性。

具有离子基团的衍生物使颜料粒子表面有选择地被活化，使其能与聚合物分散剂中带电荷的锚固基团产生作用。

这一过程如下图6所示。

图 6 : 增效剂聚合物链段聚合物链段在自然态下对聚合物分散剂的性能要求很苛刻。

如果链段未被有效地溶解，颜料粒子表面将相互重叠，导致微粒的凝聚或絮凝。

同介质保持相容的要求体现在任何一种涂料的整个干燥过程。

若相容性被破坏，絮凝现象将会出现，并导致表面性能下降，例如失去光泽及着色力下降，等等。

图1 :聚合物分散剂的分子量必须足够，能提供聚合物链段最佳的长度，以克服颜料微粒间的范德华引力：•若链段太短，则不能产生足够厚度的屏障来阻止凝聚。

这意味者太低的分子量将使分散体系缺乏稳定性并使粘度上升，着色性能下降。

•若链段太长，则会导致自身的"折叠"。

太高的分子量同样会降低性能。

理论上链段在分散剂介质中应能够自由运动。

就如先前所提到的：锚固基团仅吸附在链段的一端，则立体结构的稳定性表现最佳。

最后，为获得极佳的涂料表面特性及涂层性能，该聚合物必需与涂料树脂完全相容，这样在溶剂挥发后树脂就能形成交联结构。

立体稳定链段的化学性质为了满足良好的相容性要求，在聚合物分散剂系列中可以利用几种不同的聚合物链段，有效地覆盖了多种不同的溶剂。

例如，小范围的溶剂从非极性的脂肪族碳氢化合物到酒精/水溶剂，包括了：•聚异丁烯•聚酯•聚甲基丙烯酸甲酯•聚环氧乙烷聚合物分散剂的用量是需要考虑的重要参数。

许多表面涂料体系能适应低剂量的添加剂，但添加量过多时会有问题出现。

某些体系特别能适应聚合物分散剂的使用。

空气干燥的长油醇酸树脂涂料以及在凹版印刷和平版印刷油墨中使用的树脂在这些方面的表现均良好。

同样，纸张和木质基材不会有粘接方面的问题。

高质量的烤漆或双组分漆及许多包装油墨体系有更多的要求。

聚合物分散剂引起的流变性和色彩/光泽的变化无法避免，其在对涂料表面性能的影响方面能用合适的测试方法进行检测。

表面活性剂表面活性剂一般是低分子量分散剂。

表面活性剂分子具有改性作用，特别是降低颜料和树脂溶液间表面张力。

表面活性剂结构上含有两种溶解性或极性相反的基团，使表面活性增加。

在水性体系中，极性基团是一些亲水基，非极性的则是憎水基或亲油基。

在非水性体系中，极性基团是憎油基，非极性的为亲油基。

表面活性剂按其化学结构分类，特别是极性基团包括：阴离子、阳离子、电中性粒子和非离子(见图1)。

图1 :聚合物分散剂作用下效力由以下因素确定：•颜料表面极性基团的吸附作用。

锚固基团可以是氨基、羧酸、磺酸、磷酸及其盐。

•介质中围绕在微粒周围的非极性链段的行为。

分子的一些部分(脂肪族或脂肪族-芳香族片断)必须与粘接剂体系高度的相容。

类似表面活性剂的分散剂的稳定机理是静电稳定：围绕颜料粒子的极性基团形成了双层带电的结构。

由于布朗运动，液体介质中颜料粒子时常碰撞在一起，因此在其减速进程中具有强烈的重絮凝趋势。

根据其化学结构(如：低的分子量)和静电稳定理论，表面活性剂有以下缺陷：_ 水敏感性：表面活性剂通常使最终涂层产生水敏感性，不适于室外应用。

_ 易产生泡沫：许多表面改性剂会产生泡沫，在涂层上产生缺陷(如鱼眼、凹坑)。

如果泡沫在研磨进程出现，则导致生产能力的下降。

_ 干扰涂层间的粘接。

经过多年发展，特殊的表面活性剂得到改进，使涂层缺陷最大程度地降低，并且某些还能使涂层具有一些别的优点，如消泡/抗腐蚀能力或使基材难以润湿。

用于颜料分散作用的最常用表面活性剂有如下品种：•脂肪酸衍生物•磷酸酯•聚丙烯酸钠/聚丙烯酸•乙炔二醇•大豆卵磷脂。