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多水高岭石矿渣用作建筑涂料流变增稠剂的研究
张润阳，李玉平，黄莉，黄志彬，陈智巧 (湖南大学 ，长沙410082)
0 引 言
黏度及其变化对涂料的生产、贮存、施工以及涂膜性能都有很大的影响。将涂料黏度及其变化调整到合适的范围，是提高涂料整体质量的重要举措[1]。一般而言，使用流变性助剂是调整涂料黏度最便捷的方法。乳胶涂料用流变增稠剂的品种很多，纤维素衍生物、改性聚丙烯酸盐及聚酯类衍生物等有机类流变增稠剂使用效果较好，是流变增稠剂的主流，但大多具有腐败性、容易发霉，有时还会降低涂膜的耐水性。此外，有机类制剂大多成本较高，有些还具有一定的挥发性，对环境污染较严重[2～4]。由天然矿物（凹凸棒土、膨润土、蒙脱石、海泡石）改性加工制成的无机类流变增稠剂，流变性能稳定、适用范围广、价格低廉，如膨润土流变增稠剂[5,6]。近年来出现的海泡石流变增稠剂，具有较好的增稠和悬浮作用[7]，对提高涂料稳定性、提升涂料性能具有很大的意义。
湖南岳阳某厂的催化剂载体的主要成分为多水高岭石，其废弃物颜色接近白色且数量很大。曾有人做了一些对其开发利用的工作，将其用于陶瓷工业生产中，但发现这种矿渣在加入量不大的情况下，可使陶瓷泥浆的粘度急剧增大，流动性变差，几乎难以完成后续工艺，而被迫放弃了这方面的努力。由此引发了笔者将其应用于涂料增稠剂的想法，即用这种矿渣替代现有涂料配方中的部分高岭土，使其在不影响涂料总体性能的前提下，提高涂料的流变性能。
1 实验部分
1.1 原 料
多水高岭石矿渣（岳阳某厂废弃物）; 煅烧高岭土及重质碳酸钙（北京国利粉体公司）;金红石型钛白粉（镇江钛白粉公司）;绢云母（安徽滁州格锐公司）;海泡石（湖南浏阳海泡石原矿）;纳米ZnO 以及纳米TiO2（江苏五菱常泰纳米材料有限公司）;HBS-02 硅丙乳液（北京互益化工公司）;防腐剂（陕西省石油化工研究设计院）;成膜助剂（上海锦山化工公司）;消泡剂（德国汉高公司）;氨水（分析纯试剂）;TT935 型增稠剂及Acrysol RM-2020NPR（美国罗门哈斯公司）等其它助剂。
1.2 制备工艺
1.2.1 涂料配方
采用的水性涂料配方是用以前研制[8,9]的各项性能指标较好的涂料配方（表1）为基准，用矿渣替代原配方中17%～83% 的煅烧高岭土，同时，加入了矿渣的涂料中不再添加其它增稠剂。
1.2.2 工艺流程
(1）矿渣的预处理。将矿渣在80℃恒温烘干，粉磨后过250 目筛，备用。
(2）涂料的制备。按表中配方依次加入水、防冻剂、分散剂、消泡剂、防腐剂等助剂，再加入填料、颜料和矿渣。在加料的同时进行分散搅拌，速度控制在350～450r/min ,加料完成后，再以(5 000±50)r/min 的速度对试样进行50min的高速剪切分散,分散完成后以250r/min左右的速度继续搅拌试样，同时加入硅丙乳液、成膜助剂、消泡剂、流平剂、pH调节剂等助剂，物料加完后再继续混合搅拌20min左右即为涂料试样。
1.3 测试及表征方法
1.3.1 矿渣性质分析：利用STA449C 型热膨胀分析仪对矿渣试样进行差热分析，测试其DSC-TG 曲线见图1。
1.3.2 流变性能测试：用NDJ-79D 型旋转式黏度计测量试样的黏度。将制备出的试样装瓶，分别放置7d 和90d 后取出，搅拌均匀后进行黏度测试。
1.3.3 涂料其它性能测试：按GB/T9756-2001 规定的方法对涂层进行耐水、耐碱性以及耐擦洗性能测试。耐擦洗性能测试仪器为JTX-11建筑涂料耐洗刷仪。
2 结果与讨论
2.1 矿渣的主要成分及性质研究
岳阳某厂的催化剂载体矿渣呈接近白色的浅黄色，吸水能力很强，干燥粉碎后更甚。矿渣的主要化学成分分析数据见表2。
表2 所列的矿渣成分总和为87.95%，则其余的含量为12%左右的成分可能是未计入其中的水分，这些水与Al2O3的物质的量比约为3.5∶1，高于普通高岭石（Al2O3·2SiO2·2H2O）中H2O 和Al2O3 的物质的量比。另外，其成分中SiO2与Al2O3的物质的量比约为5∶1，同样远超普通高岭石中二者的物质的量比。而矿渣中所含的近5 % 的N a 2O 以及极少量的NiO、P2O5、La2O3、CeO2 等杂质，均为生产催化剂时添加的试剂，对涂料性能没有太大影响。与普通高岭石相比，该矿渣富硅富水，由此可见，其主要成分应该是多水高岭石，同时也含有相当数量的游离石英及其它杂质(见图1)。
从矿渣的热分析曲线图1中可以看出，当温度升至80℃左右时，矿渣中的物理吸附水就会开始脱失，这部分水在温度升至100℃时可以完全脱失;而矿渣分子结构中包含的层间水，在常温常压下不能全部脱失，只有温度提高到400℃左右以上时才能完全脱失[10]。图1 的TG曲线具体描述了矿渣脱去水分的过程。根据TG 曲线显示，在整个加热过程中，试样失重约为17%，到100℃左右时，失重为5% 左右，即脱失的物理吸附水，其余的失重约为12%，即为矿渣中所含的结构水，这与多水高岭石矿渣的成分含量分析一致。对应在DSC 曲线中，80℃和267℃附近出现的即分别为矿渣脱掉结合水和结晶水的吸热峰。
2.2 矿渣用量对涂料流变性能的影响
在涂料试样中未加入矿渣（即矿渣替代量为0）时，配方采用的增稠剂是TT935 增稠剂，这是一种丙烯酸系碱溶胀阴离子型协和型的有机增稠剂，在加入了矿渣的试样中则不含这种增稠剂。涂料的粘度随矿渣用量及放置时间变化的关系见图2，随着放置时间的增加，涂料黏度也相应提高，而且两次测量出的黏度曲线形状大体一致，说明加入矿渣后的涂料稳定性较好。
从图2可以看出，当矿渣替代量达到25%左右时，涂料黏度就可以达到TT935 的增稠效果。这是由于多水高岭石颗粒在介质中会发生面—面、边—面和边—边3种不同方式的缔合，从而形成体积庞大的三维网络结构，形成无数封闭水分的分割的小室，达到增稠体系的效果[7]。
另外，矿渣在高岭土粉料中的替代量小于17%时，体系中过于分散的多水高岭石颗粒无法进行有效缔合，增稠效果并不明显;矿渣替代量达到或超过高岭土粉的50% 时，形成的网络结构过于密集，将一些基料和填料也包裹其中，令试样出现絮凝和结块现象，影响涂料质量;而矿渣的替代量在25%～50%时，得到的涂料试样与采用有机增稠剂的试样相比不仅黏度有所提高，而且涂膜外观也符合涂覆的要求。
2.3 矿渣对涂料其它性能的影响
在涂料体系中加入少量的多水高岭石矿渣，对涂料的整体性能并没有太大的影响，有些性能（如耐擦洗性能）与加入矿渣前相比还有较大提高。不含矿渣涂料的试样耐擦洗次数约为8 500次左右，矿渣在高岭土粉料中的替代量达到50% 时，试样的累计擦洗次数超过了12 000次。可见这种矿渣增稠剂使涂料的耐擦洗性大大提高，还有效提高了涂层耐水性和耐碱性，使涂料的各项技术性能指标符合G B /T9756-2001 规定的优等品要求见表3。
3 结 论
多水高岭石矿渣的吸水能力和吸附力较强，加入体系后具有良好的悬浮稳定性和触变效应，可以替代价格高昂的有机增稠剂作为水性涂料的流变增稠剂。这种矿渣在煅烧高岭土粉料中的替代量不超过50%，对涂料性能无太大影响，同时还可以调整涂料黏度，改善涂料的流变性能，可见这种多水高岭石矿渣作为涂料的增稠剂可以达到与有机增稠剂同样甚至更好的增稠效果。
