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一、膨潤(rùn)土及其結(jié)構(gòu)

膨潤(rùn)土是一種片層狀的鋁鎂硅酸鹽黏土材料，其主要組分為蒙脫石類礦物，含量在85%~90%之間。蒙脫石TOT型的層狀結(jié)構(gòu)賦予了膨潤(rùn)土特殊的性能，如吸水性、膨脹性、觸變性、流變性等。這些性能都使得膨潤(rùn)土在涂料行業(yè)中有著良好的應(yīng)用。

膨潤(rùn)土在涂料中主要是作為助劑來(lái)使用，如增稠劑、流變劑、防沉劑、分散劑等。

涂料生產(chǎn)應(yīng)用與流變性能關(guān)系

在地質(zhì)學(xué)中，“膨潤(rùn)土”這一術(shù)語(yǔ)用于指一種主要由蒙脫石（屬于蒙脫石組的黏土礦物）組成的泥巖（黏土巖，而非黏土礦物）。它通常存在于海洋環(huán)境中，由火山灰或凝灰?guī)r的脫玻化作用形成，是一種非常柔軟、多孔的巖石，可能包含耐受性較強(qiáng)的礦物殘留晶體，并且觸感如肥皂或油脂。

然而，在商業(yè)和工業(yè)應(yīng)用中，“膨潤(rùn)土”一詞更廣泛地用于指任何主要由蒙脫石類礦物組成的膨脹黏土，其中包括蒙脫石。實(shí)際上，自然界中幾乎不可能找到純凈的蒙脫石，因?yàn)樗偸桥c其他礦物混合在一起。高含量蒙脫石的層狀硅酸鹽即是眾所周知的膨潤(rùn)土，它的礦床分布在地球上的許多地方。

通過(guò)X射線衍射光譜對(duì)蒙脫石類礦物進(jìn)行深入分析，可以發(fā)現(xiàn)它由三層片狀結(jié)構(gòu)的硅酸鹽組成，中間層由Al?O?八面體構(gòu)成，兩側(cè)由SiO?四面體包圍。這些基本單元模塊依次堆疊在一起，就像一疊撲克牌。兩相鄰層之間的距離約為10~15埃 (Å)，其基本層的厚度約為為9.6 Å。

蒙脫石的結(jié)構(gòu)

與其他層狀硅酸鹽不同的是，蒙脫石類礦物的八面體層并非都是以相同的方式構(gòu)造的。中央帶正電的金屬離子部分被低價(jià)態(tài)的另一種離子取代，這賦予整個(gè)晶體格負(fù)電荷，該負(fù)電荷通過(guò)吸附在基底表面的陽(yáng)離子進(jìn)行補(bǔ)償。

在中央的鋁氧化物八面體層中，每六個(gè)Al³?中就有一個(gè)被Mg²?等電替換。負(fù)電荷的晶格通過(guò)基底表面的Na?進(jìn)行補(bǔ)償。天然的蒙脫石除了Na?外，通常還含有Ca²?或兩者的混合物。

二、膨潤(rùn)土的水合作用的機(jī)理

膨潤(rùn)土的一個(gè)重要特性是其在接觸水時(shí)的膨脹行為。水合時(shí)有兩種不同的吸水方式：

在內(nèi)晶膨脹 (crystal swelling) 中，層間陽(yáng)離子和黏土礦物表面吸收過(guò)量水會(huì)導(dǎo)致基本層擴(kuò)展。這個(gè)過(guò)程是可逆的。

內(nèi)晶膨脹

在滲透膨脹 (osmic swelling) 中，由于陽(yáng)離子濃度差異，擴(kuò)散的離子層在黏土礦物表面和孔隙溶液中形成，這會(huì)引起顆粒間的靜電排斥。

滲透膨脹

在蒙脫石晶體中，水合過(guò)程通常是通過(guò)水分子進(jìn)入基本層之間（內(nèi)晶膨脹）來(lái)產(chǎn)生的。這會(huì)擴(kuò)大層間距；在適當(dāng)條件下，晶體結(jié)合甚至可能完全解體。

鈉膨潤(rùn)土和鈣膨潤(rùn)土在水合行為上差異很大，這主要是由于層間陽(yáng)離子的不同性質(zhì)。Na?在吸附狀態(tài)下比Ca²?更容易水合，因此能吸收更多水分并膨脹。正因如此，鈉膨潤(rùn)土的吸水能力為600%~700%，而鈣膨潤(rùn)土只有200%~300%。在鈉中間層陽(yáng)離子的情況下，層間距通過(guò)膨脹可變化至160 Å。隨著進(jìn)一步的水吸收或膨脹，層間的內(nèi)聚力喪失，晶體鍵完全解體，蒙脫石晶體隨后分解成其單個(gè)基本層。

天然蒙脫土以鈣基蒙脫土為主，但其性能較差，產(chǎn)品附加價(jià)值低，鈉基蒙脫土比鈣基蒙脫土有更好的膨脹性、陽(yáng)離子交換性等性能。

三、膨潤(rùn)土的增稠機(jī)理

每個(gè)蒙脫石晶體的基本層由帶負(fù)電荷的表面和帶正電荷的邊緣組成。

由于這些不同的電荷，在晶體鍵解體成單個(gè)片層后，水中會(huì)形成特殊的結(jié)構(gòu)，其中一個(gè)晶體的邊緣沉積在另一個(gè)晶體的表面上。這種在水中形成的大體積框架被稱為“卡牌屋”結(jié)構(gòu)。

這種獨(dú)特的三維結(jié)構(gòu)能夠?qū)⑺皖佁盍习谄渲校贵w系得到增稠并具有良好的貯存穩(wěn)定性。當(dāng)體系受到較強(qiáng)剪切作用時(shí)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)解離，表現(xiàn)出明顯的剪切變稀性能，使涂料具有較好的流平性。而剪切力一旦消失，在氫鍵的作用下網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)得以恢復(fù)，起到良好的抗流掛性能。

在涂料靜態(tài)貯存狀態(tài)下，這類膨潤(rùn)土的柱狀顆粒分散在片狀微粒之間，起到支撐的作用。受到剪切力作用時(shí)，氫鍵以及弱靜電力被打破，柱狀顆粒按流動(dòng)方向定向排列。剪切力消失后，這種柱狀顆粒能很快地重新排列。因此膨潤(rùn)土的引入使得涂料具有更好的貯存穩(wěn)定性及觸變性。

四、涂料用膨潤(rùn)土有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

HG/T 2248-2012(2017)《涂料用增稠流變劑 膨潤(rùn)土》是目前涂料用膨潤(rùn)土的相關(guān)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了涂料用膨潤(rùn)土的術(shù)語(yǔ)和定義、分類、要求、試驗(yàn)方法、檢驗(yàn)規(guī)則和標(biāo)志、包裝、運(yùn)輸、貯存等，適用于經(jīng)純化、改性的涂料用膨潤(rùn)土，應(yīng)用于改善涂料體系的增稠、流變性能。

該標(biāo)準(zhǔn)將膨潤(rùn)土按用途分類為溶劑型涂料用膨潤(rùn)土、水性涂料用膨潤(rùn)土和干混砂漿用膨潤(rùn)土。其中，溶劑型涂料用膨潤(rùn)土按插層表面活性劑親水親油性的不同，分為低極性、中極性和高極性三種規(guī)格；水性涂料用膨潤(rùn)土和干混砂漿用膨潤(rùn)土，分別按照膠體剪切稀釋指數(shù)的不同，分為增稠型和流變型兩種規(guī)格。

該標(biāo)準(zhǔn)將涂料用膨潤(rùn)土的產(chǎn)品規(guī)格分成一等品和合格品，對(duì)相關(guān)參數(shù)做了要求，并規(guī)定了試驗(yàn)方法。

五、膨潤(rùn)土在涂料中的應(yīng)用

1. 膨潤(rùn)土用作懸浮防沉降劑

膨潤(rùn)土在水介質(zhì)中有良好的懸浮性和分散性。膨潤(rùn)土在水中能夠釋放出帶電微粒而起到分散劑的功能，可改善水性涂料的懸浮性，在建筑涂料中加入適量的膨潤(rùn)土可使生成的涂料不易沉淀、不易分層、顏色均勻，從而改善涂料的懸浮穩(wěn)定性。

有機(jī)改性后的膨潤(rùn)土在溶劑型涂料中具有良好的分散性，其片狀邊緣吸附著親油的長(zhǎng)鏈有機(jī)物而和漆料有良好的親和性，同時(shí)分布其中的氧和氫氧基團(tuán)能夠形成具有防沉效果的氫鍵，使涂料成為均勻的膠狀物并具有一定的黏度，進(jìn)而起到阻止顏料沉降的作用。當(dāng)在外界剪切力存在下進(jìn)行攪拌時(shí)，氫鍵被破壞，黏度減弱，涂料又具有流動(dòng)性。

2. 膨潤(rùn)土用作輔助黏結(jié)劑

膨潤(rùn)土與水混合帶來(lái)很大的黏結(jié)性，這種特性來(lái)源于多方面，如膨潤(rùn)土親水、顆粒細(xì)小、晶體表面電荷多樣化、顆粒的不規(guī)則性、羥基與水形成氫鍵、對(duì)微量有機(jī)物的吸附和多種聚附形式形成溶膠等。由于膨潤(rùn)土具有較好的黏結(jié)性和遮蓋力，引入建筑涂料中可以代替部分基料和其他填料，從而使產(chǎn)品成本降低。

3. 膨潤(rùn)土用作流變助劑

涂層的流掛和流平是兩個(gè)相互矛盾現(xiàn)象，故需要一個(gè)優(yōu)良的流變助劑，使流掛和流平兩個(gè)性能取得平衡。涂料貯存時(shí)，流變助劑在其內(nèi)部形成一個(gè)疏松的結(jié)構(gòu)，施工后，受到了外力，內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞涂層便于流平，到一定階段濕膜內(nèi)部又緩慢恢復(fù)疏松網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，而有利于防止流掛。

有機(jī)膨潤(rùn)土在溶劑中具有驚人的吸附膨脹能力和觸變效應(yīng)，它作為流變助劑用于涂料的生產(chǎn)、施工、貯存、成膜各個(gè)階段，賦予涂料在低剪切速度下的結(jié)構(gòu)黏度。值得注意的是有機(jī)膨潤(rùn)土對(duì)各種不同溶劑有適應(yīng)性，在不同的溶劑中增稠性能差異很大。有機(jī)膨潤(rùn)土適用于聚酯、醇酸漆、氯化橡膠、氧化瀝青等有機(jī)溶劑，用量一般為體系總量的0.2%~2.0%。

六、膨潤(rùn)土應(yīng)用于涂料中的利弊

研究表明，膨潤(rùn)土用在涂料工業(yè)中有著很好的性能：

(1) 膨潤(rùn)土能夠增加涂料的稠度，提高懸浮性，改善防沉性能。

(2) 膨潤(rùn)土能夠提高涂膜的耐擦洗性和耐水性。

(3) 膨潤(rùn)土能夠提高涂料的遮蓋力，可減少涂料中基料的用量和取代部分顏料，降低涂料的成本。

(4) 膨潤(rùn)土具有耐寒性，在冬季仍可照常施工。

但同時(shí)膨潤(rùn)的應(yīng)用會(huì)帶來(lái)一定的缺陷，如：

(1) 對(duì)于有機(jī)膨潤(rùn)土來(lái)說(shuō)由于改性時(shí)引入的陽(yáng)離子有機(jī)物不同，而使有機(jī)膨潤(rùn)土對(duì)溶劑的適應(yīng)性也不相同，導(dǎo)致有些有機(jī)膨潤(rùn)土?xí)诟邩O性溶劑環(huán)境下破壞或干擾氫鍵，而造成體系的防沉效果不理想。

(2) 有機(jī)膨潤(rùn)土是粉狀的流變助劑，在添加時(shí)有一定的困難，而且它還會(huì)出現(xiàn)難分散的現(xiàn)象，特別對(duì)于在實(shí)驗(yàn)室的小型實(shí)驗(yàn)，在溫度和分散上很難把握，所以所測(cè)到的數(shù)據(jù)有很大的誤差。

(3) 膨潤(rùn)土對(duì)涂膜的光澤有很大的影響，當(dāng)膨潤(rùn)土的用量達(dá)到20% 時(shí)，涂層失光嚴(yán)重，且表面干涸、發(fā)脆。

(4) 膨潤(rùn)土的白度較低且對(duì)涂料的流平性有不良的影響。

膨潤(rùn)土在涂料中主要是作為助劑來(lái)使用，如增稠劑、防沉劑、分散劑等，其添加量一般在0.2%~2%之間，對(duì)涂料的其他性能影響不是很大，主要是防止涂料中顏填料的沉降。