HLB值在乳胶漆配方设计中的运用
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Griffin提出的表面活性剂的亲油亲水平衡值（Hydrophile Lipophile Balance）,是一个用来衡量表面活性剂分子中的亲水部分和亲油部分对其性能所作贡献大小的物理量.最初HLB体系是为制备乳液选择乳化剂时节省时间发展起来的,现在也应用于颜料分散选用表面活性剂.本篇试图通过相似性原理和若干技术想象力,将乳液合成中运用HLB值的若干指南,转用于选择颜料分散用的表面活性剂以及乳胶漆配方的设计.
  HLB值体系,基础是任意选用的数字,0代表一种完全疏水的（亲油性）表面活性剂,而20代表一种完全亲水的表面活性剂.对一种表面活性剂所指定的任一数字代表其亲水疏水强度之间的平衡在此HLB尺度上的一个量度.为了从分析及组成数据计算HLB值的近似值,已经发展了一些公式. 还有大量的表列举出许多常见的表面活性剂的HLB值.

代表性的亲水疏水（亲油）化学基团的H及L值
1.HLB值的计算方法

  Davies法计算HLB值.这种方法是将表面活性剂分解为若干种基团,每种基团均对HLB值有贡献（正贡献或负贡献）.这种贡献可用基团常数来表示.

  要想求得某表面活性剂的HLB值,需首先确定这个表面活性剂具有哪些亲水基团和亲油基团,查取各基团相应的基团常数,然后按下式进行计算.

  HLB=7+∑H（亲水基团常数）-∑L（疏水基团常数） 1]

H或L基团值越大,则在表面活性剂分子中它对亲水或亲油强度的贡献也越大.

方程1对计算表面活性剂的HLB值只是部分成功的.有些更局限于一定表面活性剂范围的公式则更加可靠.多数多元醇脂肪酸酯的HLB值可用方程2算出.

2]

式中 S—酯的皂化值

A—回收的酸的酸值.

对聚氧化乙烯型和多元醇型非离子表面活性剂来说,其HLB值可按方程3计算.

3]

式中 WL—亲水基重量

Wb—疏水基重量.

  虽然许多非离子型表面活性剂可以用方程2]、3]计算HLB值,但是仍有一些,如含有氧化丙烯、氧化丁烯及含氮、硫原子等则不能算出.离子型表面活性甚至更不易处理.因此,对于这类表面活性剂, HLB值必须用比较方法进行实验测定,即将已知HLB值的表面活性剂作为基础,选用两种HLB值差别较大的乳化剂A和B复配使用,组成混合乳化剂,A的用量为WA,B的用量为WB,且WA+WB=10g.在这两种乳化剂中,起码应知道其中一种的HLB值.

  试验时,将10g混合乳化剂和95g油加入到20mL的广口瓶中,充分混合.加入95mL水,加塞摇动3mim,使之乳化.然后静置24h,观察乳状液稳定状况.找到能使乳状液稳定的两种乳化剂的最佳用量WA和WB.其计算公式为

4]

式中 HLB0—被乳化油所需的HLB值

HLBA—乳化剂A的HLB值

HLBB—乳化剂B的HLB值

WA—乳化剂A的最佳用量

WB—乳化剂B的最佳用量.

  若已知A、B两种乳化剂的HLB值,则可求出被乳化油所需的HLB值若已知油所需的HLB值及一种乳化剂的HLB值,则可以求出另一种乳化剂的HLB值.

  也可将少量表面活性剂与水相混,观察最终分散体的性质而粗略评价出某一表面活性剂的HLB值,再以此观察为基础,利用下表作指南,可以给予某表面活性剂一定的数值.
2.常见乳化剂的HLB值
3.HLB体系的运用

  HLB体系的假定是掺入水性分散体系（乳液或分散体）中的每种油、蜡、溶剂及其它材料（颜料）都具有一特定的HLB值.为达到满意的分散组成而选择表面活性剂体系时,就需要将该表面活性剂的HLB与被分散或被乳化的物质相匹配.常见的蜡、油、溶剂、增塑剂等的HLB值已经确定,并广为报导.不幸的是有关颜料HLB值的资料甚少,已经发表过一个颜料色素HLB值表,现复制于下表.表中某些颜料的HLB值差异是由于颜料粒子的表面处理不同.
不断使用HLB体系的结果,逐步建立了一些原理.

  首先,一组表面活性剂混合物的HLB值可以简单地按个别表面活性剂的HLB值的贡献,依其浓度比例的算术平均值加以计算.

  对于乳液共聚合体系来说,所要求的HLB值可将各组分的HLB值按各自所占的重量分数进行加权平均求取﹕

HLB=∑（ωiHLBI） 4]

式中 ωi—共聚组分i所占的重量分数﹔

HLBi共聚组分i的均聚物所要求的HLB值.

  其次,表面活性剂混合物的稳定性优于单个表面活性剂.这或许部分地是由于下述事实即混合表面活性剂便于调节比例以求得精确匹配的HLB值.

  研究发现,当被乳化物质的HLB值与乳化剂的HLB值之间有较大差异时,乳化剂对被乳化物质的亲和力小,其乳化效果差﹔另一方面,当乳化剂的HLB值很小时,则对水的亲和力小,其乳化效果亦差.若将两种或多种具有不同HLB值的乳化剂混合使用,构成复合乳化剂,使性质不同的乳化剂由亲油到亲水之间逐渐过渡,就会大大地增进乳化效果.

非离子型乳化剂单独使用与复合使用时的比较
  第三, HLB值正好匹配并不能保证最好的稳定性.它只能提供指定问题中表面活性剂体系可能得到的最大稳定性.这就是说,在实践里必须从众多可能得到相同HLB值的体系中,检查出一些不同的表面活性剂以决定最有效的体系.

  HLB体系是一种工具可以大大简化表面活性剂的选择.几个不同的化学配方中,虽然都可以配制出相同的目标HLB值.然而.为了从中确定最佳表面活性剂体系,仍须进行试验.
4.HLB值在涂料配方设计中的一些设想

  乳胶漆体系可分成3个组成部分a.颜填料混合浆部分包括共溶剂]b.乳液部分包括成膜助剂]c.增稠部分.为了达到体系的平衡与稳定,我试图根据前面介绍的HLB值理论以及它在乳液合成中乳化剂选择的成功经验,应用于此.并试图说明涂料中的各种原料都可以通过HLB值理论将它们有机的联系起来.

a.颜填料浆部分

  当一个水性体系的颜填料品种和数量被确定以后,我们可以根据它们分别的贡献利用公式4]计算出混合颜填料的表观HLB值.这也就是混合颜填料需要润湿分散剂的最佳HLB值.

  选择接近混合颜填料HLB值的系列分散剂,进行混合颜填料分散试验,从中选择分散性能最优秀的分散剂.若一种分散剂无法满足要求,就需要选择两种或两种以上的分散剂进行复配试验.

根据选定的分散剂的HLB值与混合颜填料的HLB值之差,选择系列适宜的润湿剂与之相配合,使润湿分散剂的HLB值尽可能的与混合颜填料的HLB值相一致.

  一般共溶剂只存在与分散剂是否相容的问题,而不影响分散剂的分散效果.但在计算最终混合颜填料浆的HLB值时,应计算它的贡献.

  通过这样的选择和试验,使颜填料能达到最佳的分散和稳定状态.但颜填料浆的分散和稳定状态并不是最终目的,整个涂料体系稳定才是我们的最终目的.因此,我们还应该考虑,当它作为涂料的一个组成部分的时候,如何与体系中的其它组分相容,如何与体系中的其它组分一起来保证体系的稳定.

b.乳液部分

  乳液的HLB值是由生产商决定的.我们只有选择乳液的权力,而无法更改它的HLB值.因此,在选择乳液的时候,乳液的亲水亲油状态一定要与你的设计意图相符合.比如,选择疏水型的乳液来做亲水性的漆膜,这显然是不行的.

  乳液部分的HLB值可通过对生产商的咨询而得到.

  成膜助剂在涂料成膜以后便逐渐的挥发了,但它在体系中也对体系的稳定性构成影响.我们在计算HLB值时也应考虑它的贡献.

  利用公式4]我们可以计算出乳液部分的HLB值.

c.增稠部分

  增稠剂的主要作用就是要解决涂料体系的稳定性.纤维素或碱溶胀型增稠剂是作用于水的,聚氨酯缔合型增稠剂是作用于乳液.无论它作用于什么,如果仅靠提高体系的粘度来保持稳定,这不是完美的.它们和体系中的其它组分之间应该也有一个相容性的问题.而如果通过HLB值的概念很容易将它们联系起来.

  由于设计意图的关系,颜填料浆部分和乳液部分在亲水亲油问题上,可能有以下几种情况

1]颜填料部分亲水,乳液部分也亲水

2]颜填料部分亲水,而乳液部分亲油

3]颜填料部分亲油,乳液部分也亲油

4]颜填料部分亲油,而乳液部分亲水.

  对于1]和3]两种情况,增稠剂的选择可能比较简单.因为颜填料部分的HLB值与乳液部分的HLB值比较接近,只需选择相似HLB值的增稠剂即可.但对于2]和4]两种情况,可能就比较复杂.由于颜填料部分的HLB值与乳液部分的HLB值相差较大,需要选择多种不同HLB值的增稠剂进行配合,来实现混合颜料的HLB值到乳液的HLB值之间的过渡.

5.结语

  希望通过这篇文章,能够为乳胶漆的配方设计师们提供一个配方设计的参数.同时对HLB值有更进一步的认识,以便更多的朋友进行这方面的研究.

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