一、膨润土及其结构

膨润土是一种片层状的铝镁硅酸盐黏土材料，其主要组分为蒙脱石类矿物，含量在85%~90%之间。蒙脱石TOT型的层状结构赋予了膨润土特殊的性能，如吸水性、膨胀性、触变性、流变性等。这些性能都使得膨润土在涂料行业中有着良好的应用。

膨润土在涂料中主要是作为助剂来使用，如增稠剂、流变剂、防沉剂、分散剂等。

涂料生产应用与流变性能关系

在地质学中，“膨润土”这一术语用于指一种主要由蒙脱石（属于蒙脱石组的黏土矿物）组成的泥岩（黏土岩，而非黏土矿物）。它通常存在于海洋环境中，由火山灰或凝灰岩的脱玻化作用形成，是一种非常柔软、多孔的岩石，可能包含耐受性较强的矿物残留晶体，并且触感如肥皂或油脂。

然而，在商业和工业应用中，“膨润土”一词更广泛地用于指任何主要由蒙脱石类矿物组成的膨胀黏土，其中包括蒙脱石。实际上，自然界中几乎不可能找到纯净的蒙脱石，因为它总是与其他矿物混合在一起。高含量蒙脱石的层状硅酸盐即是众所周知的膨润土，它的矿床分布在地球上的许多地方。

通过X射线衍射光谱对蒙脱石类矿物进行深入分析，可以发现它由三层片状结构的硅酸盐组成，中间层由Al₂O₃八面体构成，两侧由SiO₂四面体包围。这些基本单元模块依次堆叠在一起，就像一叠扑克牌。两相邻层之间的距离约为10~15埃 (Å)，其基本层的厚度约为为9.6 Å。

蒙脱石的结构

与其他层状硅酸盐不同的是，蒙脱石类矿物的八面体层并非都是以相同的方式构造的。中央带正电的金属离子部分被低价态的另一种离子取代，这赋予整个晶体格负电荷，该负电荷通过吸附在基底表面的阳离子进行补偿。

在中央的铝氧化物八面体层中，每六个Al³⁺中就有一个被Mg²⁺等电替换。负电荷的晶格通过基底表面的Na⁺进行补偿。天然的蒙脱石除了Na⁺外，通常还含有Ca²⁺或两者的混合物。

二、膨润土的水合作用的机理

膨润土的一个重要特性是其在接触水时的膨胀行为。水合时有两种不同的吸水方式：

在内晶膨胀 (crystal swelling) 中，层间阳离子和黏土矿物表面吸收过量水会导致基本层扩展。这个过程是可逆的。

内晶膨胀

在渗透膨胀 (osmic swelling) 中，由于阳离子浓度差异，扩散的离子层在黏土矿物表面和孔隙溶液中形成，这会引起颗粒间的静电排斥。

渗透膨胀

在蒙脱石晶体中，水合过程通常是通过水分子进入基本层之间（内晶膨胀）来产生的。这会扩大层间距；在适当条件下，晶体结合甚至可能完全解体。

钠膨润土和钙膨润土在水合行为上差异很大，这主要是由于层间阳离子的不同性质。Na⁺在吸附状态下比Ca²⁺更容易水合，因此能吸收更多水分并膨胀。正因如此，钠膨润土的吸水能力为600%~700%，而钙膨润土只有200%~300%。在钠中间层阳离子的情况下，层间距通过膨胀可变化至160 Å。随着进一步的水吸收或膨胀，层间的内聚力丧失，晶体键完全解体，蒙脱石晶体随后分解成其单个基本层。

天然蒙脱土以钙基蒙脱土为主，但其性能较差，产品附加价值低，钠基蒙脱土比钙基蒙脱土有更好的膨胀性、阳离子交换性等性能。

三、膨润土的增稠机理

每个蒙脱石晶体的基本层由带负电荷的表面和带正电荷的边缘组成。

由于这些不同的电荷，在晶体键解体成单个片层后，水中会形成特殊的结构，其中一个晶体的边缘沉积在另一个晶体的表面上。这种在水中形成的大体积框架被称为“卡牌屋”结构。

这种独特的三维结构能够将水和颜填料包裹于其中，使体系得到增稠并具有良好的贮存稳定性。当体系受到较强剪切作用时，网络结构解离，表现出明显的剪切变稀性能，使涂料具有较好的流平性。而剪切力一旦消失，在氢键的作用下网状结构得以恢复，起到良好的抗流挂性能。

在涂料静态贮存状态下，这类膨润土的柱状颗粒分散在片状微粒之间，起到支撑的作用。受到剪切力作用时，氢键以及弱静电力被打破，柱状颗粒按流动方向定向排列。剪切力消失后，这种柱状颗粒能很快地重新排列。因此膨润土的引入使得涂料具有更好的贮存稳定性及触变性。

四、涂料用膨润土有关标准

HG/T 2248-2012(2017)《涂料用增稠流变剂 膨润土》是目前涂料用膨润土的相关执行标准，规定了涂料用膨润土的术语和定义、分类、要求、试验方法、检验规则和标志、包装、运输、贮存等，适用于经纯化、改性的涂料用膨润土，应用于改善涂料体系的增稠、流变性能。

该标准将膨润土按用途分类为溶剂型涂料用膨润土、水性涂料用膨润土和干混砂浆用膨润土。其中，溶剂型涂料用膨润土按插层表面活性剂亲水亲油性的不同，分为低极性、中极性和高极性三种规格；水性涂料用膨润土和干混砂浆用膨润土，分别按照胶体剪切稀释指数的不同，分为增稠型和流变型两种规格。

该标准将涂料用膨润土的产品规格分成一等品和合格品，对相关参数做了要求，并规定了试验方法。

五、膨润土在涂料中的应用

1. 膨润土用作悬浮防沉降剂

膨润土在水介质中有良好的悬浮性和分散性。膨润土在水中能够释放出带电微粒而起到分散剂的功能，可改善水性涂料的悬浮性，在建筑涂料中加入适量的膨润土可使生成的涂料不易沉淀、不易分层、颜色均匀，从而改善涂料的悬浮稳定性。

有机改性后的膨润土在溶剂型涂料中具有良好的分散性，其片状边缘吸附着亲油的长链有机物而和漆料有良好的亲和性，同时分布其中的氧和氢氧基团能够形成具有防沉效果的氢键，使涂料成为均匀的胶状物并具有一定的黏度，进而起到阻止颜料沉降的作用。当在外界剪切力存在下进行搅拌时，氢键被破坏，黏度减弱，涂料又具有流动性。

2. 膨润土用作辅助黏结剂

膨润土与水混合带来很大的黏结性，这种特性来源于多方面，如膨润土亲水、颗粒细小、晶体表面电荷多样化、颗粒的不规则性、羟基与水形成氢键、对微量有机物的吸附和多种聚附形式形成溶胶等。由于膨润土具有较好的黏结性和遮盖力，引入建筑涂料中可以代替部分基料和其他填料，从而使产品成本降低。

3. 膨润土用作流变助剂

涂层的流挂和流平是两个相互矛盾现象，故需要一个优良的流变助剂，使流挂和流平两个性能取得平衡。涂料贮存时，流变助剂在其内部形成一个疏松的结构，施工后，受到了外力，内部结构遭到破坏涂层便于流平，到一定阶段湿膜内部又缓慢恢复疏松网状结构，而有利于防止流挂。

有机膨润土在溶剂中具有惊人的吸附膨胀能力和触变效应，它作为流变助剂用于涂料的生产、施工、贮存、成膜各个阶段，赋予涂料在低剪切速度下的结构黏度。值得注意的是有机膨润土对各种不同溶剂有适应性，在不同的溶剂中增稠性能差异很大。有机膨润土适用于聚酯、醇酸漆、氯化橡胶、氧化沥青等有机溶剂，用量一般为体系总量的0.2%~2.0%。

六、膨润土应用于涂料中的利弊

研究表明，膨润土用在涂料工业中有着很好的性能：

(1) 膨润土能够增加涂料的稠度，提高悬浮性，改善防沉性能。

(2) 膨润土能够提高涂膜的耐擦洗性和耐水性。

(3) 膨润土能够提高涂料的遮盖力，可减少涂料中基料的用量和取代部分颜料，降低涂料的成本。

(4) 膨润土具有耐寒性，在冬季仍可照常施工。

但同时膨润的应用会带来一定的缺陷，如：

(1) 对于有机膨润土来说由于改性时引入的阳离子有机物不同，而使有机膨润土对溶剂的适应性也不相同，导致有些有机膨润土会在高极性溶剂环境下破坏或干扰氢键，而造成体系的防沉效果不理想。

(2) 有机膨润土是粉状的流变助剂，在添加时有一定的困难，而且它还会出现难分散的现象，特别对于在实验室的小型实验，在温度和分散上很难把握，所以所测到的数据有很大的误差。

(3) 膨润土对涂膜的光泽有很大的影响，当膨润土的用量达到20% 时，涂层失光严重，且表面干涸、发脆。

(4) 膨润土的白度较低且对涂料的流平性有不良的影响。

膨润土在涂料中主要是作为助剂来使用，如增稠剂、防沉剂、分散剂等，其添加量一般在0.2%~2%之间，对涂料的其他性能影响不是很大，主要是防止涂料中颜填料的沉降。