新型醇基铸造涂料复合分散悬浮剂的研究
冯胜山 朱松林（湖北省机电研究设计院 武汉430070）
摘要： 本文介绍了新型醇基铸造涂料复合分散悬浮剂的主要性能特点，对比研究了它的悬浮效果，论 述了它的作用机理。结果表明：新型醇基复合分散悬浮剂的耐火度高，抗裂性好，悬浮能力与有机膨润土相当；生产的醇基涂料悬浮率和抗裂性均达到了国际著名品牌涂料水平；静电分散稳定机理、空间位阻分散稳定机理和增粘机理的共同作用是其分散悬浮效果优良的主要原因。
关键词：铸造；醇基；涂料；分散；悬浮；机理 中图分类号：TG221
Research on the New Disperse-suspending Agent of Alcohol-based Cast-coating
Feng Shengshan Zhu Songlin
(Hubei Research & Design Institute of Mechanical & Electronic Engineering Wuhan 430070) Abstract The main technological properties of a new disperse-suspending agent of alcohol-based cast-coating are introduced in this paper. Its suspension effect is studied by comparing. Its mechanism is analyzed. The results show that refractory temperature of the new disperse-suspending agent is higher, the ability of preventing crack is powerful, its suspending stability is equivalent to organized bentonite , s, the abilities of suspending and preventing crack of alcohol-based cast-coating with the disperse-suspending agent are equivalent to the abilities of international distinguished coatings, the co-action of disperse-suspending mechanisms of electrostatics and space is the main cause.
Key words foundry alcohol-based casting disperse suspend mechanism
醇基铸造涂料具有干燥快、生产效率高、适用范围广等特点，在我国铸造生产中已得到广泛应用。但是，目前国产的醇基涂料存在的问题较多，主要表现为分散悬浮稳定性差，涂料在长期存放和运输过程中易产生沉淀；其次是流变性，特别是流平性差，涂层刷痕严重，影响铸件的表面质量。
醇基涂料主要由耐火骨料、溶剂、分散悬浮剂、粘结剂等组成。良好的分散悬浮剂不仅能有效地保证涂料各组分的分散均匀性和涂料的悬浮效果，而且还能改善涂料的涂刷性，有利于施涂，提高涂层和铸件的表面质量。钠基膨润土是一种传统的醇基涂料悬浮剂，但它在醇溶液中溶胀性不好，分散悬浮效果差。采用季胺盐处理的有机膨润土是一种较好的醇基涂料分散悬浮剂，但它需用有毒的二甲苯引发，而且价格昂贵，另外发气量很大。采用锂盐与钙基膨润土进行阳离子交换处理制得的锂基膨润土在醇溶液中具有较好的分散悬浮性，但锂基膨润土吸水溶胀后，在醇溶液中稳定性较差，由于胶粒易脱水而使醇基涂料失去悬浮作用， 致使涂料中耐火骨料下沉结块，形成“死沉淀”，特别是在长期贮存或长途运输过程中，更为严重。此外，膨润土的耐火度低，热收缩率高，涂层抗裂性差。因此，开发新型质优价廉的醇基涂料分散悬浮稳定剂势在必行。
我们采用一种特殊硅酸铝质粘土为基础材料，应用胶体化学的静电位阻分散稳定理论，以特殊复合电解质和高分子聚合物作为分散剂，并辅已多种附加物对其进行综合改性处理，开发出一种新型醇基复合分散悬浮剂，用于生产醇基系列涂料，取得了显著效果。这种新型醇基涂料复合分散悬浮剂已于1998年获得国家发明专利[1]。
1 新型醇基复合分散浮稳定悬剂的性能特点
新型醇基复合分散悬浮稳定剂的基础材料呈灰白色粘土状，其主要组成物是一种由二八 面体云母与二八面体蒙脱石组成的规则间层矿物，主要成分为SiO 2和Al 2O 3，质松软，有滑感，真密度为2.87g/cm3，遇水膨胀，在水中可解离成超细颗粒，平均粒径为820nm ，比表面积为246m 2/g，PH 值为3.96，具有良好的胶体性质，在偏光显微镜和扫描电子显微镜下主要呈纤维状和鳞片状，在透射电子显微镜下大部分呈不规则片状和折叠条带状。
经特殊复合电解质和高分子聚合物及多种其它附加物综合改性制得的新型醇基复合分散悬浮剂既具有良好的亲水性，也具有一定的亲油性。表1列出了新型分散悬浮剂中复合电解质分散剂加入量对醇基镁砂粉复合涂料悬浮性能的影响。表2列出了它与其它几种常用悬浮剂在工业乙醇中的膨胀值（2g 悬浮剂先经一定数量的溶剂引发，再加浓度为95%的工业乙醇至ф25mm 具塞量筒的50ml 处人工快速搅拌1mim 并静置一定时间后的沉淀物体积）。表3列出了新型悬浮剂分别在不同有机快干溶剂中的膨胀值。
表1 新型醇基复合分散悬浮剂中电解质加入量对醇基镁砂粉复合涂料悬浮率的影响
( 注：1 复合电解质加入量为分散悬浮剂总量的重量比;
2 醇基镁砂粉复合涂料组成为：325目镁砂粉100%，新型分散悬浮剂5%，粘结剂3%，乙醇适量。)
表3 新型醇基复合分散悬浮剂在几种有机溶剂中的膨胀值（ml ／2g ）
由表1和表2可知：
(1) 新型分散悬浮剂悬浮能力随电解质加入量的增加而显著提高。 (2) 新型分散悬浮剂在乙醇中的膨胀值与有机膨润土相当。
(3) 新型分散悬浮剂在高纯度异丙醇中的膨胀值大于在高纯度甲醇中的膨胀值，但小于在工业乙醇（浓度≥95%）中的膨胀值。
此外，新型分散悬浮剂还具有以下特点：
(4) 耐火度高达1650～1670℃，比膨润土高300℃以上，对涂料的耐火性能无不良影响。 (5) 0～1200℃热收缩率为12.1%，仅为膨润土0～1200℃热收缩率18.0%的2/3，不会使涂层产生裂纹缺陷。
(6) 新型复合分散悬浮剂耐火度和抗裂性的显著提高，使其涂料中的容许最高加入量可12%（占耐火粉料重），加入量范围宽。
(7) 起分散剂作用的主要组分同时具有涂料高温粘结剂作用；起悬浮剂作用的主要组分同时也是低温或高温粘结剂，均具有多重作用。
表4 几种醇基分散悬浮剂对醇基锆英粉涂料悬浮率的影响
2 新型醇基复合分散悬浮剂对醇基涂料悬浮性的影响
表4列出了新型醇基复合分散悬浮剂与有机膨润土和一种浙江产商品悬浮剂同时应用于醇基锆英粉涂料时悬浮性的对比情况。表4表明：新型醇基复合分散悬浮剂的悬浮稳定性比有机膨润土略高，比某商品悬浮剂显著提高。
采用本悬浮剂技术的涂料与国外著名品牌涂料的性能对比(见表5) 表明：采用本悬浮剂技术的涂料悬浮率和抗裂性达到了国际著名品牌涂料水平。
表5 采用本醇基复合分散悬浮剂的涂料与几种国际著名品牌醇基涂料的主要性能对比
3 新型醇基复合分散悬浮剂的作用机理
胶体化学的分散理论认为[2~4]：微细颗粒在液体介质中的稳定分散过程包括颗粒润湿、机械分散和分散稳定三个阶段；颗粒润湿即颗粒与颗粒之间的界面被颗粒与溶剂或分散剂取代；机械分散即利用剪切力将大量颗粒细化，使团聚体解聚；分散稳定则指将原生粒子或细小团聚体在静电斥力F ER 、空间位阻斥力F SR 作用下来屏蔽颗粒之间的范德华力F WA ，使颗粒不再积聚。颗粒分散稳定的充要条件是：F ER + FSR ≥ FWA 。
新型醇基复合分散悬浮剂系一种超细粉状亚纳米级材料，由于其粒径极小，表面积特大，其表面活性相当高，具有良好的胶体性质，当它在液体介质中形成扩散双电层时（见图1），由于其中的复合电解质分散剂具有大量的水化阳离子，呈较强的碱性，使颗粒表面阳离子显著增加，从而使扩散双电层的Zeta 电位提高，使原生粒子或细小团聚体之间的静电斥力F ER 增大，进而促进颗粒稳定分散。表1所示的新型分散悬浮剂悬浮能力随电解质加入量的增加而显著提高的实验结果有力地证明了以上静电分散稳定机理。这一机理的示意图见图2。
新型醇基复合分散悬浮剂还含有一种高分子聚合物分散剂。这种高分子聚合物的锚固基团吸附在悬浮剂颗粒表面，其溶剂化链在介质中充分伸展形成位阻层，使原生粒子或细小团聚体之间的空间位阻斥力F SR 增大，阻碍颗粒的碰撞团聚和重力沉降，从而促进颗粒稳定分散。以上空间位阻分散稳定机理的示意图见图3。
新型醇基复合分散悬浮剂还含有一种非离子型表面活性剂，加强了悬浮剂颗粒表面润湿和高分子聚合物锚固基团在颗粒表面的吸附及覆盖，进一步促进了空间位阻分散稳定效应。
此外，新型醇基复合分散悬浮剂中的高分子聚合物分散剂和非离子型表面活性剂能有效提高醇溶液的粘度，使其在醇基涂料中的分散悬浮能力又得到明显改善。
正是由于上述静电分散稳定机理、空间位阻分散稳定机理和增粘机理的共同作用，使得新型醇基复合分散悬浮剂加入到涂料中时赋予涂料优良的分散悬浮稳定性和触变性，使涂料具有不易分层和沉淀、涂刷性好等特点。 4 结论
4.1 新型醇基涂料复合分散悬浮剂悬浮能力随电解质分散剂加入量的增加而显著提高。 4.2 新型醇基复合分散悬浮剂的悬浮能力与有机膨润土相当；耐火度高达1650～1670℃，
比膨润土高300℃以上；热收缩率仅为膨润土的2/3，涂层抗裂性好，加入量范围宽。 4.3 起分散剂作用的主要组分同时具有涂料高温粘结剂作用，起悬浮剂作用的主要组分同
时也是低温或高温粘结剂，均具有多重作用。
4.4 采用本复合分散悬浮剂技术生产的醇基涂料悬浮率和抗裂性均达到了国际著名品牌涂
料水平。
4.5 新型醇基涂料复合分散悬浮剂通过静电分散稳定机理、空间位阻分散稳定机理和增
粘机理的共同作用发挥出优良的分散悬浮效果。
参考文献
[1] 冯胜山，刘小顺，蒋 枢. 一种用于涂料的复合分散悬浮剂. 中国，发明专利，ZL94108832.4. 1998年4月23日. [2] 王瑞刚，吴厚政，陈玉如，等. 陶瓷浆料稳定分散进展. 陶瓷学报，1999，(1) : 35~36 [3] 马文有，田 秋，曹茂盛，等. 纳米颗粒分散技术研究进展. 中国粉体技术，2002，(3) : 28~31 [4] 任 俊，卢寿慈，沈 健，等. 超微颗粒的静电抗团聚分散. 科学通报，2000，(11);2289~2292 ----------------------
作者简介: 冯胜山, 男，1965年生，研究员，主要从事铸造材料和工艺的研究与开发，已发表论文30余篇，获国家发明专利2项，获省级科技奖励3项, 其中科技进步二等奖和三等奖各1项，技术发明三等奖1项。Add: 武汉市武昌石牌岭118号, Tel: 027-87880088-3132, E-mail: [email protected]。
新型醇基铸造涂料复合分散悬浮剂的研究
冯胜山 朱松林（湖北省机电研究设计院 武汉430070）
摘要： 本文介绍了新型醇基铸造涂料复合分散悬浮剂的主要性能特点，对比研究了它的悬浮效果，论 述了它的作用机理。结果表明：新型醇基复合分散悬浮剂的耐火度高，抗裂性好，悬浮能力与有机膨润土相当；生产的醇基涂料悬浮率和抗裂性均达到了国际著名品牌涂料水平；静电分散稳定机理、空间位阻分散稳定机理和增粘机理的共同作用是其分散悬浮效果优良的主要原因。
关键词：铸造；醇基；涂料；分散；悬浮；机理 中图分类号：TG221
Research on the New Disperse-suspending Agent of Alcohol-based Cast-coating
Feng Shengshan Zhu Songlin
(Hubei Research & Design Institute of Mechanical & Electronic Engineering Wuhan 430070) Abstract The main technological properties of a new disperse-suspending agent of alcohol-based cast-coating are introduced in this paper. Its suspension effect is studied by comparing. Its mechanism is analyzed. The results show that refractory temperature of the new disperse-suspending agent is higher, the ability of preventing crack is powerful, its suspending stability is equivalent to organized bentonite , s, the abilities of suspending and preventing crack of alcohol-based cast-coating with the disperse-suspending agent are equivalent to the abilities of international distinguished coatings, the co-action of disperse-suspending mechanisms of electrostatics and space is the main cause.
Key words foundry alcohol-based casting disperse suspend mechanism
醇基铸造涂料具有干燥快、生产效率高、适用范围广等特点，在我国铸造生产中已得到广泛应用。但是，目前国产的醇基涂料存在的问题较多，主要表现为分散悬浮稳定性差，涂料在长期存放和运输过程中易产生沉淀；其次是流变性，特别是流平性差，涂层刷痕严重，影响铸件的表面质量。
醇基涂料主要由耐火骨料、溶剂、分散悬浮剂、粘结剂等组成。良好的分散悬浮剂不仅能有效地保证涂料各组分的分散均匀性和涂料的悬浮效果，而且还能改善涂料的涂刷性，有利于施涂，提高涂层和铸件的表面质量。钠基膨润土是一种传统的醇基涂料悬浮剂，但它在醇溶液中溶胀性不好，分散悬浮效果差。采用季胺盐处理的有机膨润土是一种较好的醇基涂料分散悬浮剂，但它需用有毒的二甲苯引发，而且价格昂贵，另外发气量很大。采用锂盐与钙基膨润土进行阳离子交换处理制得的锂基膨润土在醇溶液中具有较好的分散悬浮性，但锂基膨润土吸水溶胀后，在醇溶液中稳定性较差，由于胶粒易脱水而使醇基涂料失去悬浮作用， 致使涂料中耐火骨料下沉结块，形成“死沉淀”，特别是在长期贮存或长途运输过程中，更为严重。此外，膨润土的耐火度低，热收缩率高，涂层抗裂性差。因此，开发新型质优价廉的醇基涂料分散悬浮稳定剂势在必行。
我们采用一种特殊硅酸铝质粘土为基础材料，应用胶体化学的静电位阻分散稳定理论，以特殊复合电解质和高分子聚合物作为分散剂，并辅已多种附加物对其进行综合改性处理，开发出一种新型醇基复合分散悬浮剂，用于生产醇基系列涂料，取得了显著效果。这种新型醇基涂料复合分散悬浮剂已于1998年获得国家发明专利[1]。
1 新型醇基复合分散浮稳定悬剂的性能特点
新型醇基复合分散悬浮稳定剂的基础材料呈灰白色粘土状，其主要组成物是一种由二八 面体云母与二八面体蒙脱石组成的规则间层矿物，主要成分为SiO 2和Al 2O 3，质松软，有滑感，真密度为2.87g/cm3，遇水膨胀，在水中可解离成超细颗粒，平均粒径为820nm ，比表面积为246m 2/g，PH 值为3.96，具有良好的胶体性质，在偏光显微镜和扫描电子显微镜下主要呈纤维状和鳞片状，在透射电子显微镜下大部分呈不规则片状和折叠条带状。
经特殊复合电解质和高分子聚合物及多种其它附加物综合改性制得的新型醇基复合分散悬浮剂既具有良好的亲水性，也具有一定的亲油性。表1列出了新型分散悬浮剂中复合电解质分散剂加入量对醇基镁砂粉复合涂料悬浮性能的影响。表2列出了它与其它几种常用悬浮剂在工业乙醇中的膨胀值（2g 悬浮剂先经一定数量的溶剂引发，再加浓度为95%的工业乙醇至ф25mm 具塞量筒的50ml 处人工快速搅拌1mim 并静置一定时间后的沉淀物体积）。表3列出了新型悬浮剂分别在不同有机快干溶剂中的膨胀值。
表1 新型醇基复合分散悬浮剂中电解质加入量对醇基镁砂粉复合涂料悬浮率的影响
( 注：1 复合电解质加入量为分散悬浮剂总量的重量比;
2 醇基镁砂粉复合涂料组成为：325目镁砂粉100%，新型分散悬浮剂5%，粘结剂3%，乙醇适量。)
表3 新型醇基复合分散悬浮剂在几种有机溶剂中的膨胀值（ml ／2g ）
由表1和表2可知：
(1) 新型分散悬浮剂悬浮能力随电解质加入量的增加而显著提高。 (2) 新型分散悬浮剂在乙醇中的膨胀值与有机膨润土相当。
(3) 新型分散悬浮剂在高纯度异丙醇中的膨胀值大于在高纯度甲醇中的膨胀值，但小于在工业乙醇（浓度≥95%）中的膨胀值。
此外，新型分散悬浮剂还具有以下特点：
(4) 耐火度高达1650～1670℃，比膨润土高300℃以上，对涂料的耐火性能无不良影响。 (5) 0～1200℃热收缩率为12.1%，仅为膨润土0～1200℃热收缩率18.0%的2/3，不会使涂层产生裂纹缺陷。
(6) 新型复合分散悬浮剂耐火度和抗裂性的显著提高，使其涂料中的容许最高加入量可12%（占耐火粉料重），加入量范围宽。
(7) 起分散剂作用的主要组分同时具有涂料高温粘结剂作用；起悬浮剂作用的主要组分同时也是低温或高温粘结剂，均具有多重作用。
表4 几种醇基分散悬浮剂对醇基锆英粉涂料悬浮率的影响
2 新型醇基复合分散悬浮剂对醇基涂料悬浮性的影响
表4列出了新型醇基复合分散悬浮剂与有机膨润土和一种浙江产商品悬浮剂同时应用于醇基锆英粉涂料时悬浮性的对比情况。表4表明：新型醇基复合分散悬浮剂的悬浮稳定性比有机膨润土略高，比某商品悬浮剂显著提高。
采用本悬浮剂技术的涂料与国外著名品牌涂料的性能对比(见表5) 表明：采用本悬浮剂技术的涂料悬浮率和抗裂性达到了国际著名品牌涂料水平。
表5 采用本醇基复合分散悬浮剂的涂料与几种国际著名品牌醇基涂料的主要性能对比
3 新型醇基复合分散悬浮剂的作用机理
胶体化学的分散理论认为[2~4]：微细颗粒在液体介质中的稳定分散过程包括颗粒润湿、机械分散和分散稳定三个阶段；颗粒润湿即颗粒与颗粒之间的界面被颗粒与溶剂或分散剂取代；机械分散即利用剪切力将大量颗粒细化，使团聚体解聚；分散稳定则指将原生粒子或细小团聚体在静电斥力F ER 、空间位阻斥力F SR 作用下来屏蔽颗粒之间的范德华力F WA ，使颗粒不再积聚。颗粒分散稳定的充要条件是：F ER + FSR ≥ FWA 。
新型醇基复合分散悬浮剂系一种超细粉状亚纳米级材料，由于其粒径极小，表面积特大，其表面活性相当高，具有良好的胶体性质，当它在液体介质中形成扩散双电层时（见图1），由于其中的复合电解质分散剂具有大量的水化阳离子，呈较强的碱性，使颗粒表面阳离子显著增加，从而使扩散双电层的Zeta 电位提高，使原生粒子或细小团聚体之间的静电斥力F ER 增大，进而促进颗粒稳定分散。表1所示的新型分散悬浮剂悬浮能力随电解质加入量的增加而显著提高的实验结果有力地证明了以上静电分散稳定机理。这一机理的示意图见图2。
新型醇基复合分散悬浮剂还含有一种高分子聚合物分散剂。这种高分子聚合物的锚固基团吸附在悬浮剂颗粒表面，其溶剂化链在介质中充分伸展形成位阻层，使原生粒子或细小团聚体之间的空间位阻斥力F SR 增大，阻碍颗粒的碰撞团聚和重力沉降，从而促进颗粒稳定分散。以上空间位阻分散稳定机理的示意图见图3。
新型醇基复合分散悬浮剂还含有一种非离子型表面活性剂，加强了悬浮剂颗粒表面润湿和高分子聚合物锚固基团在颗粒表面的吸附及覆盖，进一步促进了空间位阻分散稳定效应。
此外，新型醇基复合分散悬浮剂中的高分子聚合物分散剂和非离子型表面活性剂能有效提高醇溶液的粘度，使其在醇基涂料中的分散悬浮能力又得到明显改善。
正是由于上述静电分散稳定机理、空间位阻分散稳定机理和增粘机理的共同作用，使得新型醇基复合分散悬浮剂加入到涂料中时赋予涂料优良的分散悬浮稳定性和触变性，使涂料具有不易分层和沉淀、涂刷性好等特点。 4 结论
4.1 新型醇基涂料复合分散悬浮剂悬浮能力随电解质分散剂加入量的增加而显著提高。 4.2 新型醇基复合分散悬浮剂的悬浮能力与有机膨润土相当；耐火度高达1650～1670℃，
比膨润土高300℃以上；热收缩率仅为膨润土的2/3，涂层抗裂性好，加入量范围宽。 4.3 起分散剂作用的主要组分同时具有涂料高温粘结剂作用，起悬浮剂作用的主要组分同
时也是低温或高温粘结剂，均具有多重作用。
4.4 采用本复合分散悬浮剂技术生产的醇基涂料悬浮率和抗裂性均达到了国际著名品牌涂
料水平。
4.5 新型醇基涂料复合分散悬浮剂通过静电分散稳定机理、空间位阻分散稳定机理和增
粘机理的共同作用发挥出优良的分散悬浮效果。
参考文献
[1] 冯胜山，刘小顺，蒋 枢. 一种用于涂料的复合分散悬浮剂. 中国，发明专利，ZL94108832.4. 1998年4月23日. [2] 王瑞刚，吴厚政，陈玉如，等. 陶瓷浆料稳定分散进展. 陶瓷学报，1999，(1) : 35~36 [3] 马文有，田 秋，曹茂盛，等. 纳米颗粒分散技术研究进展. 中国粉体技术，2002，(3) : 28~31 [4] 任 俊，卢寿慈，沈 健，等. 超微颗粒的静电抗团聚分散. 科学通报，2000，(11);2289~2292 ----------------------
作者简介: 冯胜山, 男，1965年生，研究员，主要从事铸造材料和工艺的研究与开发，已发表论文30余篇，获国家发明专利2项，获省级科技奖励3项, 其中科技进步二等奖和三等奖各1项，技术发明三等奖1项。Add: 武汉市武昌石牌岭118号, Tel: 027-87880088-3132, E-mail: [email protected]。