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        水性多彩塗料連續相清漆的研製,製備了連續相清漆並與自製的凝膠造粒混合物混合得到水性多彩塗料
        2019年11月24日    閱讀量:9317    新聞來源:中國建材網 cnprofit.com  |  投稿

        水性多彩塗料最早出現在上世紀60 年代美國專利中,隨後這種極具裝飾功能且節能環保的塗料便得到廣泛的關注和發展。它以表面化學和膠體化學為理論依據,分散相的水性基礎漆做成2 種或2 種以上的顏色,連續相為水性保護膠液,兩相混合時在分散相表面凝膠化,形成凝膠粒子並分散在水性保護膠液中形成多色粒子均勻、穩定的懸浮體系。


        在此懸浮體系中加入清漆即製成水性多彩成品漆中國建材網cnprofit.com。目前,關於水性多彩塗料的文獻主要是研究多彩粒子的生成階段,而近來彩色粒子生成的問題已突破,發展的關鍵是提高綜合性能。從產品的成熟度來評價,水性多彩塗料與其他水性塗料相比存在一定差距[3],具體表現有不同批次多彩粒子大小和顏色不均一,產品性能也不理想,如出現后增稠、耐水性差、混色等問題,影響了多彩塗料的推廣與應用。


        本文通過調整連續相中清漆的配方,分析影響水性多彩塗料性能的因素,優化選擇成膜物質的類型和用量,優化各類助劑,依據多彩成漆體系的物理化學理論討論各因素對塗膜性能的影響,最終製備出綜合性能優異的水性多彩塗料。

         

        1 實驗

        1. 1 原料與儀器

        水性有機硅改性丙烯酸乳液(硅丙乳液A、B、C,氟碳乳液D),巴德富實業有限公司;丙二醇甲醚(PM)、二丙二醇甲醚(DPM)、二丙二醇丁醚(DPnB)、丙二醇苯醚(PPH)、增稠劑ASE-60、TB-195、ZC-501,陶氏化學;醇酯十二(CF-12),美國伊士曼化工公司;多功能有機胺中和劑、保護膠液,台湾裕竹實業有限公司;硅酮改性消泡劑,畢克化學;異噻唑啉酮類防腐劑,托爾國際貿易(台湾)有限公司;苯丙乳液建築封閉底漆、罩光漆,台湾集泰化工有限公司;乙二醇防凍劑,分析純,市售;去離子水、凝膠造粒混合物、基礎漆,自製。JSF-450 多功能攪拌專用電動機,台湾普申化工機械有限公司;STM-IV 斯托默黏度計,台湾現代環境工程技術有限公司;JTX-建築塗料耐洗刷儀,台湾現代環境工程技術有限公司;MPF-40H100 低溫保存箱,台湾中科都菱商用電器股份有限公司;DHG-9240A 數顯鼓風乾燥機,台湾索譜儀器有限公司;JSM-6380 掃描電子顯微鏡,日本電子株式會社。

        1. 2 製備方法

        常溫(22 ~ 28 °C)條件下,在低速(300 ~ 800 r/min)攪拌下往分散攪拌機的容器中,依次加入質量分數為40.0% ~ 70.0%的乳液、16.0% ~ 20.0%的去離子水、1.5% ~ 4.5%的消泡劑、0.4% ~ 0.7%的多功能中和劑、3.0% ~5.5%的防凍劑、2.5% ~ 4.0%的成膜助劑、0.3% ~ 0.5%的防腐劑和0.5% ~ 1.0%的增稠劑等,分散攪拌15 min 左右,連續相清漆製備完成。將連續相清漆按質量分數30.0% ~ 45.0%加入預先製備的凝膠造粒混合物[基礎漆(25.0% ~ 35.0%)加入保護膠液(25.0% ~ 35.0%),在150 r/min 轉速攪拌下製成],輕輕攪拌使其混合均勻,多彩塗料成品製備完成。

        1. 3 施工工藝

        參照 HG/T 4343–2012《水性多彩建築塗料》的技術要求[4]制板。對150 mm × 70 mm × 6 mm 的無石棉纖維水泥平板做相應底材處理,放置在空氣流通的環境至少一周。水性多彩塗料適合噴塗、刷塗等施塗工藝,與底漆、罩光漆等形成配套體系可獲得多姿多彩、生動逼真的裝飾效果。封閉底漆及有色底漆均使用苯丙乳液的建築封閉底漆;罩光漆主要組成為水性有機硅改性丙烯酸乳液B,常溫(22 ~ 28 °C)下固化。

        施工工藝為:處理基材─塗刷1 道封閉底漆─塗刷1 道有色底漆刷─塗1 ~ 2 遍水性多彩塗料(即中塗)─塗刷1 道罩光漆。注意刷中塗時,必須先將水性多彩塗料攪拌均勻,切忌加水。為確保塗層表干,每道塗刷工序應間隔4 h 以上。

        1. 4 性能測試

        對多彩塗料塗膜的性能主要考察項目如下:在容器中的狀態、熱貯存穩定性、漆膜外觀及覆蓋裂縫能力,HG/T 4343–2012《水性多彩建築塗料》;低溫穩定性,GB/T 9268–2008《乳膠漆耐凍融性的測定》;乾燥時間(表干),GB/T 1728–1989《漆膜、膩子膜乾燥時間測定法》;耐水性,GB/T 1733–1993《漆膜耐水性測定法》;耐鹼性,GB/T 9265–2009《建築塗料塗層耐鹼性的測定》;耐酸雨性,GB/T 9274–1988《色漆和清漆耐液體介質的測定》;耐沾污性,GB/T 9780–2005《建築塗料塗層耐沾污性試驗方法》;耐洗刷性,GB/T 9266–2009《建築塗料塗層耐洗刷性的測定》;耐濕冷熱循環性,JG/T 25–1999《建築塗料塗層耐凍融循環性測定法》。

         

        2 結果與討論

        2. 1 連續相中乳液的選擇及用量

        連續相中的乳液是水性多彩塗層最終的成膜物,決定塗膜各項物化性能。目前應用於建築塗料中的乳液有純丙乳液、苯丙乳液及丙烯酸酯改性乳液(如氟碳乳液、硅丙乳液等)。為使水性多彩塗料的凝膠彩粒彈性飽滿,分散相基礎漆的乳液通常選擇純丙烯酸彈性乳液。連續相清漆選擇與基礎漆中乳液有復配作用的機械性能好的乳液,既能滿足良好的視覺效果,性能也可達到要求。

        2. 1. 1 不同乳液對塗層性能的影響

        本研究選擇了 1 種氟碳乳液D 和3 種硅丙乳液(A、B、C),它們耐水性和耐候性優異,具有抗沾污、不黃變、抗鹼、抗酸雨和流動性好等優勢,常用於高性能外牆乳膠塗料[5]。考察乳液對塗層性能的影響結果見表1。

        乳液類型對塗層性能的影響

        水性多彩塗料連續相清漆的研製,製備了連續相清漆並與自製的凝膠造粒混合物混合得到水性多彩塗料 中國建材網,cnprofit.com

        由表 1 可知,選擇的這4 種乳液在塗膜外觀、耐酸雨性及耐鹼性方面均合格,B 和D 耐水性好,A 和C 均有不同程度起泡,這是因為連續相中的保護膠液含有大量膨脹吸水性硅酸鎂鋰鈉鹽,所以影響了耐水性。


        耐沾污性等級越低越好,B 和C 耐沾污性試驗因有剛可覺察的色差,污染程度很輕微,故評為1 級;A 和D 因色差較明顯,污染程度輕微,故評為2 級。影響塗膜耐沾污性的因素很多,最主要的因素之一是硬度,由乳液的玻璃化溫度(Tg)決定,Tg 越高則耐沾污性越好,乳液B 的Tg 為36 °C,乳液D 的Tg 為26 °C。綜合分析,連續相乳液選擇乳液B。


        2. 1. 2 乳液用量對塗膜性能的影響

        按 B 乳液質量分數分別為15%、20%、25%和30%製備好塗料並根據要求刷塗試驗板,養護14 d 后測塗膜性能結果如表2 所示。由表2 可知,塗膜外觀與耐鹼性均合格,耐酸雨性、耐水性、耐沾污性和耐濕冷熱循環有差異。


        質量分數為15%和20% 時,塗膜耐水性、耐濕冷熱循環及耐酸雨性均不合格,這是由於乳液含量少,不能在塗層表面形成緻密的塗膜所致。隨乳液用量增加,耐水性和耐酸性均有所提高,質量分數25%時,性能達到行業技術要求(耐水性96 h 和耐酸雨性48 h)。乳液含量提高,塗膜性能會更好,但考慮到乳液價格,用量多會增加成本。綜上所述,乳液用量在25%最佳。

        乳液不同用量對塗層性能的影響

        水性多彩塗料連續相清漆的研製,製備了連續相清漆並與自製的凝膠造粒混合物混合得到水性多彩塗料 中國建材網,cnprofit.com

        2. 2 連續相中成膜助劑的選擇

        2. 2. 1 成膜助劑性能指標

        水性多彩塗料滿足高性能的同時,最低成膜溫度(MFT)也高,加入成膜助劑可降低最低成膜溫度,使其在較低溫度下也可施工。多彩塗料成膜助劑要求有高助成膜性,低揮發速率,與體系相容和環保,因此選擇適合的成膜助劑很重要。


        本實驗選擇5 種常用的成膜助劑,其性能指標見表3。由表3 可知,PM 閃點較低,使用存在危險,且揮發速率達到0.700,而塗層因多彩粒子的存在比普通塗料膜厚,膜干較慢,所以揮發速率慢更有利於成膜。

        水性多彩塗料連續相清漆的研製,製備了連續相清漆並與自製的凝膠造粒混合物混合得到水性多彩塗料 中國建材網,cnprofit.com


        2. 2. 2 不同成膜助劑對塗膜性能的影響

        先將保護膠液與成膜助劑按質量比 10∶1 混合,考察體系有無後增稠等情況,若無變化則表明兩者相容性好。結果顯示DPM、PPH、DPnB 和CF-12 與保護膠液相容性好,因此選擇這4 種成膜助劑做塗膜性能對比試驗,結果見表4。由表4 可知,塗膜耐鹼性均超過48 h,耐濕冷熱循環試驗結果均為塗膜完好。使用PPH 的塗膜耐水性和耐酸雨性較差,PPM、DPnB 的塗膜次之,CF-12 的塗膜性能最優,且均達到行業標準,成膜性最佳。

        成膜助劑類型對塗膜性能的影響

        水性多彩塗料連續相清漆的研製,製備了連續相清漆並與自製的凝膠造粒混合物混合得到水性多彩塗料 中國建材網,cnprofit.com

        通過掃描電鏡分析成膜情況如圖 1 所示,可見使用CF-12 的塗膜更緻密平整。

        不同成膜助劑所成膜的掃描電鏡照片

        2. 3 增稠劑的選擇

        連續相存在大量保護膠液,黏度低,選擇適合的增稠劑需考慮幾個方面:(1)增稠效果,可使塗料體系增稠,流動性減弱,施工時防流掛性好;(2)與多彩體系的相容性好,不發生后增稠及分層等現象;(3)不影響塗膜的綜合性能,尤其是耐水性。

        常見增稠劑包括:(1)纖維素醚及其衍生物(如HEC),低剪切速率下增稠效果好,在基礎漆中已添加,抗流掛性好,但流平性差,會影響塗膜光澤;(2)非締合型鹼溶脹增稠劑ASE,由不飽和共聚單體和羧酸等共聚而成的聚丙烯酸鹽鹼溶脹型乳液,觸變性強;(3)締合型鹼溶脹增稠劑,本身黏度低,易分散,在ASE 基礎上增加締合作用,屬於強電解質,黏度隨pH 變化大;(4)聚氨酯類增稠劑,是疏水基改性的乙氧基聚氨酯水溶性聚合物,屬非離子締合增稠劑,對光澤無影響,適合低剪切,黏度低,流平性好。

        現選擇非締合型鹼溶脹增稠劑ASE-60、締合型鹼溶脹增稠劑TB-195 和聚氨酯類增稠劑ZC-501,考察增稠劑類型及用量對體系黏度和穩定性的影響,結果見圖2。

        增稠劑類型及用量與體系黏度的關係

        水性多彩塗料連續相清漆的研製,製備了連續相清漆並與自製的凝膠造粒混合物混合得到水性多彩塗料 中國建材網,cnprofit.com

        由圖2 可知,ZC-501 的增稠效果並不明顯,TB-195 增稠效果明顯,在一定範圍內黏度迅速增加。而ASE-60 增稠效果平穩,黏度隨用量增加而平穩增加。因此ASE-60 適合該體系,具體最佳用量由體系狀態和施工要求決定。多次試驗表明,體系黏度控制在60 ~ 70 KU 更有利於刷塗。增稠劑用量 0.4%的情況下,使用3 種增稠劑的多彩成品漆黏度隨時間變化的情況見圖3,它反映了體系的穩定性。

        使用不同增稠劑的塗料體系黏度與時間的關係

        水性多彩塗料連續相清漆的研製,製備了連續相清漆並與自製的凝膠造粒混合物混合得到水性多彩塗料 中國建材網,cnprofit.com

        由圖3 可知,使用TB-195 與ASE-60 能保持體系穩定,黏度變化不大,且分散良好,體系均勻。而使用ZC-501,體系發生后增稠,黏度提高很多,且有持續上升的趨勢;另外還出現許多結塊,凝聚成團,分散不勻,這是由於聚氨酯增稠劑與多彩體系不相容,體系中含有大量保護膠液,發生局部「凝膠化」反應。

        2. 4 各項性能檢測結果

        連續相清漆選取硅丙 B 乳液(用量25%),CF-12 為成膜助劑(用量3%),ASE-60 作增稠劑(用量0.4%),按要求施工,檢測塗膜各項性能,結果見表5。可知製備的水性多彩塗料符合標準。

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        性能檢測結果

        3 結論

        (1) 連續相中的乳液選擇有機硅改性丙烯酸乳液 B,用量在25% ~ 30%,用量過多會增加成本。

        (2) 對比塗膜性能以及通過掃描電鏡分析成膜緻密情況,均表明 CF-12 成膜性更好,綜合性能更佳。

        (3) 增稠劑對水性多彩塗料體系的影響表現在增稠效果和體系穩定性方面,非離子締合型增稠劑ASE-60更適合該體系。

        (4) 助劑的具體最佳用量由體系狀態和施工要求決定。多次試驗表明體系黏度控制在 60 ~ 70 KU 更有利於水性多彩塗料刷塗。

        (5) 塗膜綜合性能優異,耐鹼性 >48 h,耐水性>96 h,耐酸雨性 >96 h,耐洗刷性 >1 000 次,耐水性突出,符合HG/T 4343–2012 的要求。


        陳中華 1, 2, *,汪盼1,陳海洪2,余飛1(1.華南理工大學材料科學與工程學院,台湾台湾 510640;2.台湾集泰化工有限公司,台湾台湾 510520)

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