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1 概述
膨润土中主要矿物是蒙脱石，蒙脱石的基本结构形式是T O T 型，即两层硅氧四面体中夹一层铝氧八面体构成层状结构。这种特殊的层状结构赋予了膨润土特殊的性能，如吸水性，膨胀性，触变性，流变性等。这些性能都使得膨润土在涂料行业中有着良好的应用。几十年以前，膨润土就已经应用在涂料中，科研工作者在实际生产中进行了应用实验，取得了很多研究成果。本文总结前人的研究成果，并对其进行系统化，探讨膨润土在涂料中的反应机理，为深入研究膨润土在涂料中的应用打下基础。
2 膨润土在涂料中的应用性能
2.1 膨润土作为无机增稠剂
增稠剂能够增大涂料的粘度，改善涂料的流变性能，它在涂料的生产中是必不可少的。每一种涂料都有其对流变性的要求，例如，乳胶漆在储存阶段，应有较高的粘度以利于防止分层和沉淀；在施工阶段，乳胶漆受到高剪切速率的外力，要求有较低的粘度，涂刷时不拖刷，喷涂时雾化良好，滚涂时无拉溅。涂布后剪切消失，粘度随恢复但不应太快，使之具有足够的流平时间[1]。这就需要一种合适的增稠剂来改变涂料的粘度。膨润土作为无机增稠剂在涂料生产中有一定程度的应用，其特性是增稠效果和悬浮性显著，能够使涂料产生触变性，便于储存和施工。Pat Hoontrakul(1988)[2]等研究发现添加膨润土的涂料，经剪切作用力作用后，粘度恢复的时间明显缩短，充分体现了膨润土的触变性。他认为产生这种特殊情况的原因是膨润土的极性表面引发形成氢氧键连接的网络结构[3]，这种网络结构一旦形成，再受到剪切作用时，会很快恢复。
膨润土作为无机增稠剂的作用机理：膨润土具有强吸水性，能够吸附本身质量5倍左右的水，吸附后体积增大，可膨胀至原体积的几倍至十几倍，并形成凝胶状物质包裹住涂料中的颜填料颗粒，防止颗粒沉降。另外蒙脱石层间负电荷可吸附涂料中有机助剂(如聚乙烯醇、丙烯酸、羟乙基纤维素等)所含有机分子中的- O H 、- C O O H 、- C H 2C H 2O H 等极性基团，使极性基团的一端插入层间，形成蒙脱石-有机复合物，蒙脱石- 有机复合物相互交联，形成网状立体结构，提高涂料的悬浮性[4]。
徐峰(2004)[5-6]在研制低成本有机-无机复合型内墙涂料时，使用膨润土作为增稠剂的一种，设计了一个低成本有机-无机复合型内墙涂料的配方(表1)
涂料的制备过程为：按配方量称取原材料，放入小砂磨机的分散筒中，分散均匀后得到混合料浆，再研磨至细度小于50μm，取出过滤掉玻璃珠，得到磨细的料浆；将其p H 值调整至约9 ，加入硅溶胶搅拌均匀，得到料浆混合料，再加入苯丙乳液搅拌均匀；用2.5%的羟乙基纤维素溶液调整涂料的粘度至规定范围，再加入适量的消泡剂慢速搅拌消泡，最后制得成品涂料。
按国家标准对涂料进行检测结果见表2 。
结果表明，用钙基膨润土作为增稠剂不但不影响涂料的各种性能，并可相应提高涂料的对比率。
2.2 膨润土用作悬浮防沉降剂
膨润土在水介质中有良好的悬浮性和分散性。膨润土在水中能够释放出带电微粒而起到分散剂的功能，可改善水性涂料的悬浮性，在建筑涂料中加入适量的膨润土可使生成的涂料不易沉淀、不易分层、颜色均匀，从而改善涂料的悬浮稳定性。有机改性后的膨润土在溶剂型涂料中具有良好的分散性，其片状边缘吸附着亲油的长链有机物而和漆料有良好的亲和性，同时分布其中的氧和氢氧基团能够形成具有防沉效果的氢键，使涂料成为均匀的胶状物并具有一定的粘度，进而起到阻止颜料沉降的作用。当在外界剪切力存在下进行搅拌时，氢键被破坏，粘度减弱，涂料又具有流动性[7]。
黎治平(2003)[8]用苯丙乳液为基料设计了一个配方，制得两个成品，其中一个不加膨润土，一个加膨润土，并对成品的稳定性进行了观测(见表3)。
从表3中可以看出加入少量(2%)的膨润土，涂料成品的稳定性的到了较好的改善。
贾永泽(2002)[9]将活化后的锂基膨润土加入到醇基快干锆英粉涂料中来观察所得涂料的各种性能。其配方为(表4)。
按此配方制得的涂料的密度为1.9g/cm3，粘度杯测出的粘度为6～7s。将粘度为6s、密度为1.9g/cm3的醇基涂料100mL置于直径为25mm的带塞量筒中，静置2h ，悬浮值为97%，如下图。
得到的结论为：当膨润土的用量在3 %以下时，就能获得良好的溶胀性、抗载体流失性，悬浮性2 h大于97%。
2.3 膨润土用作辅助粘结剂
膨润土与水混合带来很大的粘结性，这种特性来源于多方面，如膨润土亲水、颗粒细小、晶体表面电荷多样化、颗粒的不规则性、羟基与水形成氢键、对微量有机物的吸附和多种聚附形式形成溶胶等。由于膨润土具有较好的粘结性和遮盖力，引入建筑涂料中可以代替部分基料和其他填料，从而使产品成本降低。黎治平(2003)[8]在以聚乙烯醇PVA为
主要成膜物的水性涂料中加入膨润土设计了对比实验，实验配方如表5、表6 。
从表5 和表6 中可以看出，在此类涂料中加入膨润土可明显地减少聚乙烯醇和轻质碳酸钙的用量，且提高了涂料的耐洗刷性和耐水性，而涂料的成膜性能几乎没有变化。
2.4 膨润土作为流变助剂
涂层的流挂和流平是两个相互矛盾现象，需要一个优良的流变助剂，使流挂和流平两个性能取得平衡。涂料贮存时，流变助剂在其内部形成一个疏松的结构，施工后，受到了外力，内部结构遭到破坏涂层便于流平，到一定阶段湿膜内部又缓慢恢复疏松网状结构，而有利于防止流挂。
有机膨润土在溶剂中具有惊人的吸附膨胀能力和触变效应，它作为流变助剂用于涂料的生产、施工、贮存、成膜各个阶段，赋予涂料在低剪切速度下的结构粘度。值得注意的是有机膨润土对各种不同溶剂有适应性，在不同的溶剂中增稠性能差异很大。有机膨润土适用于聚酯、醇酸漆、氯化橡胶、氧化沥青等有机溶剂，用量一般为体系总量的0.2%～2.0%。李红梅(2000)[10]在氯磺化聚乙烯防腐涂料和氯化橡胶防腐涂料中采用天津有机陶土厂生产的有机膨润土作为流变助剂制得的样品在23 ℃左右的温度下，涂料的粘度分别达到HG/T2661-1995、HG/T2798-1996标准，且涂料流平性好，无流挂现象，并延长了颜料沉降时间。
2.5 膨润土在其他涂料中的应用
膨润土可用作防水涂料的原料。膨润土虽具有很好的防水性，但其本身呈颗粒状态，无粘聚性，因而需选择非水介质与膨润土制成胶泥，而该介质要有一定的防水性。膨润土乳化沥青防水涂料就是将膨润土和沥青混合制得防水涂料，它主要用于屋面防水，可以提高工效50%，降低工程造价40%，且大大改善工人的劳动条件，提高防水效果。据报道，屋面上涂刷膨润土乳化沥青防水涂料，可增加使用寿命多年，施工好的屋面35年尚未损坏[11]。
膨润土用在环氧改性有机硅涂料中，对环氧改性有机硅起补强作用。当膨润土的加入量为添加总量的5%～10%时，不影响涂层的耐蚀性和耐热性[12]。
3 膨润土在涂料中应用的优缺点
现有的研究工作表明，膨润土用在涂料工业中有着很好的性能，总结如下：
(1) 膨润土能够增加涂料的稠度，提高悬浮性，改善防沉性能。
(2) 膨润土能够提高涂膜的耐擦洗性和耐水性。
(3) 膨润土能够提高涂料的遮盖力，可减少涂料中基料的用量和取代部分颜料，降低涂料的成本。
(4) 膨润土具有耐寒性，在冬季仍可照常施工。
但同时膨润的应用会带来一定的缺陷：
(1) 对于有机膨润土来说由于改性时引入的阳离子有机物不同，而使有机膨润土对溶剂的适应性也不相同，导致有些有机膨润土会在高极性溶剂环境下破坏或干扰氢键，而造成体系的防沉效果不理想[13]。
(2) 有机膨润土是粉状的流变助剂，在添加时有一定的困难，而且它还会出现难分散的现象，特别对于在实验室的小型实验，在温度和分散上很难把握，所以所测到的数据有很大的误差。
(3) 膨润土对涂膜的光泽有很大的影响，当膨润土的用量达到2 0 % 时，涂层失光严重，且表面干涸、发脆[14-15]。
(4) 膨润土的白度较低且对涂料的流平性有不良的影响。
4 结语
膨润土在涂料中主要是作为助剂来使用，如增稠剂、防沉剂、分散剂等，其添加量一般在0.2%～2 % 之间，对涂料的其他性能影响不是很大，主要是防止涂料中颜填料的沉降。根据膨润土种类的不同，其应用范围略有差别，钙基膨润土、钠基膨润土主要用在水性涂料中，而有机膨润土则主要用在溶剂型的涂料中，锂基膨润土可用于水性涂料中，其效果优于钠基膨润土但价格较高。在特殊的情况下，膨润土也可以作为填料，大量的使用。虽然在目前的生产中，膨润土在涂料应用还存在一些问题，但是膨润土在我国的储量丰富，且用膨润土替代部分有机助剂生产出的涂料在价格上有着绝对的优势。笔者相信，随着对膨润土特性及其在涂料中的反应机理的深入研究，在不久的将来一定能找到最合适的途径将膨润土应用到涂料中，提高涂料的应用性能同时又能降低涂料的成本。
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