相比溶剂型涂料，水性涂料配方体系更加复杂。在配方设计时，不仅要关注水性树脂的类型和性能，还需要合理选择各类功能助剂并关注它们之间的相互影响。流变助剂是涂料配方中的关键组成，水性涂料的流变特性是一种较复杂的黏度与剪切力之间的相互关系，其决定着涂料的生产、贮存以及施工性能。

水性涂料常用的流变助剂按其化学性质可以分为有机和无机两大类。本文着重介绍无机膨润土。

在地质学中，“膨润土”这一术语用于指一种主要由蒙脱石（属于蒙脱石组的粘土矿物）组成的泥岩（粘土岩，而非粘土矿物）。它通常在海洋环境中，由火山灰或凝灰岩的脱玻化作用形成。这导致形成一种非常柔软、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粘土，其中包括蒙脱石。

1.蒙脱石的结构

蒙脱石类矿物已经通过X射线衍射光谱进行了非常深入的分析，结果发现它们通常具有图3.1-1所示的形态结构。它们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），这种基本层的厚度被测量为9.6埃。

其简化结构式为：(Al,Mg)₂[SiO₁₀](OH)₂– n H₂O      

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等离子取代，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⁺离子中就有一个被Mg²⁺离子等电替换。负电荷的晶格通过基底表面的Na⁺离子进行补偿。天然的蒙脱石除了Na⁺离子外，通常还含有Ca²⁺离子或两者的混合物。钠膨润土更有价值，但钙膨润土更为常见。实际上，几乎不可能找到纯净的蒙脱石，因为它几乎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。

2. 膨润土的水合作用

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（crystal swelling）膨胀中，层间阳离子和粘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。

– 在渗透膨胀(osmic swelling)中，由于阳离子浓度差异，扩散的离子层在粘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。

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。钠离子（Na⁺）在吸附状态下比钙离子（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%。

钠离子比钙离子（Ca²⁺）或镁离子（Mg²⁺）更大，因此具有较小的结合力。水的吸收或释放会改变钙或镁饱和蒙脱石晶体的层间距，范围在10–20 Å之间；即使在加入足够的水后，单个硅酸盐片层仍保持成层堆积排列。而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。

3. 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。