流变助剂:膨润土(蒙脱石,万能土)
膨 润土( Bentonite ) 也叫班脱岩、 皂土或膨土 岩, 是一种蒙脱石为主要矿物成分的无机黏土矿产,因其独特的物理化学性质被称为“万能土”。
蒙脱石是一种自然矿产,经过数千万年的沉积与矿化,随着火山喷发形成的一种特殊的黏土矿物。 主要分布在中国、美国和俄罗斯 ,这三个国家的探明储量约占世界总储量的4/5。目前 国内的蒙脱石矿产资源丰富,预测的资源量 居世界第一,占世界总储量的60%,超过80亿吨。
蒙脱石除了天然存在的自然矿产外,还可以人工合成,天然存在的蒙脱石杂质较多,不同矿山的蒙脱石品质差异较大,片状结构的直径也相对较大,人工合成的蒙脱石直径可达到纳米级别。
蒙脱石之所以被称为万能土是因为它的应用领域非常广泛,如医疗、化妆品、日用化学品、食品等均有涉及。
- 医疗领域:用于治疗腹泻的蒙脱石散其主要成份就是蒙脱石,它利用蒙脱石的吸附性吸附病原体、保护消化道黏膜及平衡菌群。
- 化妆品领域:如在泥基面膜中添加蒙脱石可以吸附皮肤表面杂质和油脂,收敛毛孔;在润肤霜中添加蒙脱石可以与甘油协同作用形成保水膜。
- 日用化学品:蒙脱石一方面可以作为增稠剂为牙膏提供触变性,赋予牙膏良好的膏体稳定性和挤出性,另一方面它可以吸附口腔细菌和异味,保护口腔健康。
- 食品领域:利用蒙脱石极强的吸湿性,可以用于食品的保鲜与防腐;也可用作增稠剂,用于提升果酱、冰淇淋等的稠度。用于食品领域的蒙脱石需符合相应的法规。
除上述提到的日常生活中的应用场景外,蒙脱石还广泛应用于冶金、铸造、钻井、化工、农业、建筑、造纸、陶瓷等领域。
蒙脱石在涂料中主要用作 流变助剂 ,可以提升涂料的抗流挂性、防沉性和储存稳定性,它属于无机流变助剂。
作用机理: 蒙脱石为非常薄的片层结构,厚度只有几个纳米,通常为堆叠的粉末状,当粉末状的蒙脱石加入到水中后,堆叠在一起的片层会在水的 溶胀作用 和机械剪切力的作用下分离开来,这些片层的表面带负电荷,边缘带正电荷,由于异性电荷之间的吸引力,这些片层会形成表面与边缘接触的三维卡屋结构。这种卡屋结构使涂料在静态时呈现凝胶状态,可以有效的防止颜填料沉降。卡屋结构依靠电荷作用维持其稳定性,当对凝胶态的涂料施加一定的剪切力时,卡屋结构被破坏,涂料会呈现较好的流动性,当剪切力撤除后,在热运动和电荷力的作用下,这种卡屋结构重新形成。
涂料中常用的蒙脱石类型的流变助剂按其来源和结构差异分,可以分为天然蒙脱石、合成蒙脱石和有机改性蒙脱石三种类型。
1)天然蒙脱石类流变助剂
天然蒙脱石是选用特定矿山的黏土作为原材料,通过清洗、干燥、研磨、离子交换等工艺制得得蒙脱石类流变助剂。它对低剪粘度的贡献非常明显,可以提高涂料的防沉性和储存稳定性,但对中高剪粘度的贡献非常有限。
2)合成蒙脱石类流变助剂
合成蒙脱石是由天然的无机矿物经过一定的工艺制得,它可以根据不同的用途对产品性能进行调整,以适应对应的应用性能。天然蒙脱石在不同批次之间可能存在一些性能差异,合成蒙脱石具有更高的纯度和批次稳定性。另外,天然蒙脱石片层的分离可能需要较高的剪切力,而合成蒙脱石可以在较低的剪切力下实现片层结构的分离。
3)有机改性蒙脱石类流变助剂
有机改性的蒙脱石类流变助剂是在片层蒙脱石的基础上对其进行有机改性。这类流变助剂三维卡屋结构是基于电荷作用和氢键的共同作用。与天然蒙脱石相比,它在中剪粘度方面的贡献有所提升,可以改善涂料的罐内粘度和施工阶段的抗飞溅性。
不同类型的蒙脱石类流变助剂的使用方法可能存在一些差异,比如有些 凝胶作用 比较强的,制备的浓度为3%的预分散浆静置片刻后非常粘稠,较难通过后添加的方式分散到涂料中,需要在涂料制备的最初阶段加入到水中,分散均匀后再加入颜填料进行研磨。有的合成蒙脱石则可以制成预分散浆后在几天时间内正常使用,还有一些经过特殊改性的蒙脱石可以制成浓度达到20%的浓缩浆并长时间保存,支持后添加工艺。