原材料成本的增加、法规遵从性以及终端用户市场对更环保产品的需求是涂料配方商面临的一些挑战。阿彻丹尼尔斯米德兰公司(ADM)正通过推出主要从可再生资源中提取的低成本颜料分散剂来满足这些需求。本文概述了新的分散剂技术，它的化学和作用模式，展示了从模型配方测试中获得的结果，并讨论了相对于当前工业实践的优势。测试结果支持这样的说法:这些分散剂可以用于配制成本更低、稳定性更好的涂料，同时提高颜色接受度、对比度、抗擦洗性和增强硬水耐受性，较少因原料质量变化而导致配方失效的敏感性。
技术
新的可再生分散剂技术基于两性非聚合化学，其分子结构示意图如图1所示。两性结构提供了明显的优势，比阴离子，非离子或阳离子分散剂传统上用于油漆。除了强色素锚定两性头组外，也有增强的脂肪酸尾，携带额外的色素锚定基团。两性头对提高颜料的润湿性、锚定性和稳定性具有重要作用。额外的静电和空间稳定性和兼容性贡献来自结构的其余部分。独特的分子结构在稳定各种各样的颜料化学，但特别有效的无机颜料，如二氧化钛。这种新型分散剂还具有降低表面张力的优点，可以加速颜料的润湿和脱气，减少研磨能量输入和分散时间，无需使用额外的表面活性剂。
二氧化钛(TiO2)水溶液分散体系的稳定性已被广泛研究1,2，其机理与Derjaguin, Landau, Verwey和Overbeek (DLVO)理论一致具有离子表面的颜料，如TiO2，在溶液中有其他离子存在时稳定最好(通过形成斥力的静电稳定)然而，TiO2的离子特性和等电点(IEP)会随着表面处理的不同而显著变化，如表1中测量的不同等级所示。因此，特定等级的二氧化钛可能需要阴离子、阳离子或电中性分散剂来进行适当的稳定。新分散剂家族中的一员，被命名为ADM 6200，不仅通过其两性特性提供静电稳定，还通过其多个长链脂肪酸尾和添加的亲和基团增加了额外的稳定。由于它是两性的，它可以适应二氧化钛离子特性的变化，提供最佳的稳定性。因此，无论表面处理是否需要阴离子、阳离子或电中性分散剂，它都是有效的。这为配方剂提供了使用不同TiO2等级的分散剂体系的灵活性。这种灵活性可以节省原材料成本。这个概念如图2.5所示
分散剂的机制
已有文献证明，颜料的分散过程可分为三个阶段:1)润湿2)分散3)稳定。对1,4,6 ADM分散剂技术在所有三个阶段进行了评价和量化;本文着重讨论了白底色的稳定阶段及其对白底色的影响。下面列出了一个简要概述。
润湿和分散
有效的颜料润湿和分散是帮助获得最大的加工效率和颜色发展的关键这两个步骤相互交织，同时发生。润湿包括取代色素凝聚体周围的微气泡，并用树脂、溶剂、水或分散剂取代它们一旦颜料颗粒被润湿，能量被添加到分散阶段，将颜料凝聚体分解为它们的初级颗粒。润湿和分散的速率受液相的表面张力和粘度的影响，即表面张力越低，润湿和分散越有效，由Washburn方程表示更快的润湿和更有效的去团聚导致更好的色散颜色发展。
为了进一步证明颜料润湿的有效性，我们的新型两性分散剂技术提供的水表面张力降低与一系列常用的分散剂进行了比较。使用K100MK2型Kruss处理器测量0.5% (w/v)分散剂溶液在23°C下的表面张力。结果表明，聚合物分散剂产生的表面张力约为36-46
ADM两性分散剂显著降低了表面张力(约26-34 dynes/cm)，提供了改善颜料颗粒润湿和反絮凝的机制。
稳定
如前所述，TiO2携带离子电荷，是最有效的分散和静电稳定。当分散剂颜料-亲和基团与颜料颗粒表面电荷相互作用时，可获得最佳的颜料静电稳定性。通过在特定pH值下的Zeta电位，可以测定色素颗粒的静电稳定程度，并有助于预测分散稳定性。通常，测量到的Zeta电位大于30 mV或小于-30 mV时会产生稳定的色散(图4)。8,9,13
在较宽的pH范围内测量了表1中发现的四种TiO2的Zeta电位，如图5所示。可以看出，TiO2分散体的稳定性变化很大，取决于pH值。
在本研究中，从图5中选择了一种级别的TiO2 (B)。使用Malvern Instruments的Zetasizer Nano ZS在很宽的pH范围内测量Zeta电位。所有的测量都在0.01M KCl中进行，添加和不添加分散剂。用盐酸和氢氧化钠溶液调整试验分散液的pH值。在没有分散剂的情况下，等电点为5.5的TiO2 B在pH小于4大于8的情况下产生稳定的分散(图5)。当pH为4-8时，分散不稳定，TiO2迅速脱离悬浮状态。图6绘制了Zeta电位图，并显示了不同pH水平下的实际分散样品。样品说明了在特定pH值下的稳定性(乳白色分散)和不稳定性(半透明)。
当向TiO2中添加ADM 6200两性分散剂(色素浓度:0.01% wt.，分散剂浓度:0.01%)时，分散剂在非常宽的pH范围(3-12)内变得稳定，如图7所示。
图8显示了在pH范围内，没有分散剂(蓝线)和ADM 6200(红线)的TiO2样品B的Zeta电位。结果表明两性ADM 6200能在很宽的pH范围内稳定TiO2。两性化学使ADM 6200能够适应色素的离子环境，无论pH值如何。
在阴离子(NH4+亲水聚丙烯酸酯共聚物)、非离子(苯乙烯基酚乙氧基酸酯)、阳离子(带有酸性基团的嵌段共聚物的烷基铵盐)和两性分散剂存在时，TiO2 B的Zeta电位如图9.10所示。无论是阳离子还是非离子分散剂存在时，在研究的pH值范围内，颜料表面的电荷效应几乎没有变化，10表明静电稳定性没有增加。然而，在较高的pH值下，稳定性与分散剂的性质无关，因为体系趋于阴离子化。
使用阴离子分散剂时，电荷效应会发生变化。TiO2 B的IEP完全改变，由于电离特性差，在较低的pH值下(当净电荷趋于零时)显示出一些不稳定性。阴离子分散剂为TiO2提供了良好的稳定性，这就是为什么它们通常用于建筑涂料的配方
在ADM 6200的情况下，两性化学使分散剂在pH值范围内保持高度的颜料亲和力。这种颜料亲和力在较宽的pH值范围内非常强，它显著影响颜料表面周围的氢键，并模拟阴离子分散剂降低TiO2 b的Zeta电位的作用。这种变化通常在分散剂中看到，它们可以通过与颜料粒子的多功能基团锚定在颜料粒子上的能力，对颜料周围的荷电环境产生积极影响。图9表明，ADM 6200的性能与常用的阴离子分散剂相同。
白色底漆评价
评价了ADM 6200分散剂在建筑白色着色基础上的效果，并将其与常用的阴离子Na+和NH4+共聚物分散剂与非离子表面活性剂结合使用的效果进行了比较。
乙烯丙烯酸(VA)和乙烯醋酸酯/乙烯(VAE)水性涂料配方采用乳化液制造商公布的起始配方作为对照(如有必要，使用通用原料替代)。完整的配方细节见表2。每个起始配方都使用了一种常见的阴离子Na+或NH4+共聚物分散剂。通过去除控制配方中的所有分散剂和表面活性剂，还制成了空白配方。空白作为对照和含ADM 6200两性分散剂配方的基线。由于ADM 6200具有良好的润湿性能，表面活性剂被从含ADM 6200的配方中去除。
乙烯基丙烯酸涂料
Celanese Avicor 7305乙烯丙烯酸采用该公司建议的起始配方09-FL56029进行评估，该配方中含有NH4+盐共聚物分散剂和非离子表面活性剂。将其与空白涂料和ADM 6200在表2所示的两种不同分散剂水平下进行比较。在这些试验中使用的ADM 6200水平代表对照分散剂在重量和活性物质上的1:1替代。
乙烯丙烯涂料的粘度、热龄粘度稳定性和对比度见表3。为了测量颜色的可接受性，通过添加1%的零voc酞蓝着色剂(来自CPS color的Monicolor BH3)来着色。使用BYK手持式分光光度计测量颜色显影，以获得L*a*b*值。
弗吉尼亚州油漆的结果
- 空白的油漆:虽然我们能够在不使用分散剂或表面活性剂的情况下制作和着色空白油漆，但正如预期的那样，它并不稳定，一夜之间就会凝固(图10，表3)。因此，所有颜色发展测量都是在新制作的样品上进行的。根据b*值测量，它也产生了最低的对比度和颜色发展(图11)。
- 控制涂料含NH4+阴离子分散剂和非离子表面活性剂的对照涂料非常稳定。得到了合适的对比度(表3)和显色(图11)。
- ADM 6200, 9.5磅该配方非常稳定，产生了最高水平的对比度(表3)和显色，超过了对照涂料(图11)。
- ADM 6200, 4.85磅:最低水平的两性分散剂产生了与对照组相似的对比度和颜色发展程度(图11)。图10对比了空白漆的粘度稳定性，空白漆不稳定。与添加NH4+盐的亲水性共聚物分散剂相比，不添加表面活性剂对分散剂的稳定性、对比度和颜色接受度没有不利影响。即使不使用表面活性剂，在降低每加仑总成本的同时，性能也没有降低。
VAE油漆
Celanese Ecovae 401 VAE乳剂采用该公司建议的起始配方09-FL70009(表4)进行评估。起始配方还使用了NH4+盐共聚物分散剂和非离子表面活性剂。对照再次与空白配方和两个水平的不添加表面活性剂的ADM 6200进行比较。
粘度和对比度记录在表5中。表5还指出了对照配方和两性分散剂配方的良好热龄稳定性。
为了测量颜色接受度，油漆通过添加0.2%的零voc黑色着色剂(来自CPS color的Monicolor CH3)着色。
VAE的结果
- 空白的油漆虽然我们能够在不使用分散剂或表面活性剂的情况下制作和着色油漆，但最初的粘度比对照组高得多，最终不稳定。然而，我们能够着色和测量对比度和着色剂发展后，立即制作批次，并将其与对照配方进行比较(图12)。
- 控制涂料如预期的那样，含有NH4+阴离子分散剂和非离子表面活性剂的对照漆非常稳定。它产生了一个可接受的对比度(表5)和颜色发展(图12)。
- ADM 6200, 7.5磅:不含表面活性剂的配方非常稳定(表5)，产生了最高水平的对比度和显色，超过了对照涂料(图12)。
- ADM 6200, 3.75磅:最低水平的两性分散剂产生了与对照涂料相似的对比度和颜色发展程度(图12)。与添加NH4+盐的亲水性共聚物分散剂和非离子表面活性剂相比，不添加表面活性剂对分散剂的稳定性、对比度和耐色性没有不利影响。在不显著改变粘度或对比度的情况下，增加分散剂水平可提高着色剂的接受度。使用ADM 6200配方的涂料可以提高耐擦洗性，如图13所示。据推测，抗擦洗性的增加是由于表面活性剂的消除和分散剂水平的降低，这两者都会对擦洗性和耐水性产生不利影响。
结论
正如预期的那样，阴离子NH4+盐聚合物分散剂与非离子表面活性剂结合，在起始配方中提供了非常好的稳定性和颜色接受度。然而，新的生物基ADM 6200两性分散剂技术不仅有效地取代了建筑白色涂料中的传统阴离子分散剂，而且在耐色性、耐擦洗性和稳定性方面具有显著优势，还可以节省总体成本。
两性分散剂在多种乳液技术中都是有效的，包括丙烯酸(这里不介绍)，并提供了改进的对比度和颜色接受度。效率和表面张力的优势，以及两性亲和基团提供的设计的电空间稳定机制，允许消除或最小化添加的表面活性剂，进一步导致较低的成本/加仑和提高机械性能，如耐擦洗性。
总的来说，生物基ADM 6200两性化学剂比传统的NH4+共聚物分散剂提供了更好的性能，在配制建筑白色涂料和着色基础时应考虑使用。两性特性还提供了额外的灵活性，在原料采购，因为它能够稳定各种阴离子，阳离子或电中性二氧化钛颜料有效，并接受广泛的极性和非极性着色剂分散，产生良好的颜色发展。
使用这种新型，多功能分散剂的最终结果是成本，性能，易于配方和生物基础的优势在建筑白色基础
致谢
作者感谢Mario Casco和Dory Tabuena-Salyers对数据和结果的贡献、测试、编辑和开发，他们的贡献使本文得以实现。
本文在2012年涂料趋势与技术会议上发表。
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13个电动电势,http://www.silver-colloids.com/Tutorials/Intro/pcs12.html(01/28/2013访问)。
