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水包水型仿花崗巖多彩涂料的研究進展,介紹了水包水多彩涂料的基本原理、生產工藝流程和國內外研究進展
2019年11月22日    閱讀量:820    新聞來源:中國牛涂網-涂料,化工,機械,建材,行業資訊門戶網站  |  投稿

傳統的花崗巖涂料主要有水包油型(O/W)、油包水型(W/O)、油包油型(O/O),上述涂料中都必須使用大量有機溶劑,不僅對生產及施工人員健康產生影響,而且環境污染大,這類涂料基本被市場淘汰。


20 世紀60 年代末,美國研制開發了水包水型(W/W)仿石涂料,該類涂料安全環保、成本較低,受到市場的關注。但是由于對該類涂料的制備原理不甚了解,加上原材料不齊備,國內在水包水仿石涂料的開發和發展上比較滯后涂料在線coatingol.com

 

1 水包水多彩涂料制備原理

水包水仿石涂料又稱為水包水多彩涂料,是一種以水性乳膠涂料的小液滴構成涂料的分散相,保護膠水溶液構成連續相的多相懸浮體系。

水包水多彩仿石涂料的設計原理中,首先要制備基礎漆,然后用鈦白漿、鐵黑、鐵黃等無機色漿調色。調色后的基礎漆需要加強其內聚力,所以采用親水的高分子保護膠纖維素或聚乙烯醇( PVA),使陰離子的基礎漆有一定的內聚力。


第二步是配制保護膠溶液,水包水多彩涂料常用的保護膠體系是纖維素醚/硅酸鎂鋰鹽分散體系,該體系可適用于大部分樹脂乳液體系,且制得的多彩涂料仿真度高、色粒穩定、儲存時間長。


保護膠體系中的無機硅酸鎂鋰鹽是陰陽離子兩性的物質,在水中硅酸鋰鎂鹽片層剝離分散形成無色透明的凝膠液,它能在已分散的色漆顆粒表面形成一層保護膜,這層柔性膜能夠阻止顏料滴發生聚集,并使膜內外的組分不至于相互擴散,這是水性多彩涂料穩定貯存的關鍵。第三步以清漆作為連續相,將凝聚后彩粒與連續相清漆混合并適度增稠,完成水包水多彩涂料的制備。


制備水包水多彩涂料的關鍵在于使親水的基礎漆在水溶性的保護膠液中可以絮凝成粒,貯存穩定并可經受噴槍的剪切力而不會碎粒。需要指出的是,水包水多彩涂料僅僅是粒子表面的膠凝化,而粒子內部仍然是彩色水性涂料,一旦粒子出槍,打到墻面上,凝膠的類似膠囊的殼破裂,涂料隨之炸開,與透明的連續相形成特定顏色的不規則彩片。待噴涂施工完成后,彩粒依然成懸浮狀態保護在連續相乳液之中,濕膜干燥過程中,水分逐漸揮發,涂料液滴之間相互堆砌、融合,最終形成牢固的多彩花紋涂膜。

 

2 水包水多彩涂料的生產工藝流程

水包水多彩涂料是一種多相懸浮體系。它的制備是在水性凝膠體即保護膠溶液中,加入彩色基礎漆。分散相與分散介質混合時,在分散相表面發生凝膠化作用,粒子表面形成一層較均勻的膠膜,阻止了粒子間發生聚集,并防止膜內外物質相互擴散,因而形成較為獨立的彩色粒子。最后將幾種彩色粒子懸浮體加入到水性的彈性清漆中,低速混合均勻,生產工藝如圖1。

水包水多彩涂料生產工藝流程

水包水型仿花崗巖多彩涂料的研究進展,介紹了水包水多彩涂料的基本原理、生產工藝流程和國內外研究進展 中國牛涂網-涂料,化工,機械,建材,行業資訊門戶網站

3 水包水多彩涂料成粒性能的影響因素

3. 1 保護膠液對成粒的影響

彩粒之所以能夠形成和穩定,主要是依靠靜電排斥作用及保護膠液的分割。保護膠液中的離子由于被彩粒吸附而導致彩粒帶電,形成保護膜,從而具有保護作用,防止其二次聚沉。

造粒時保護膠液中的硅酸鎂鋰鹽作為凝膠劑,在水中不會溶解,而只發生溶脹,水和過程中會形成帶電的片狀層薄片,這些片狀層的端面帶正電荷,層面帶負電荷,由于正負電荷吸引作用,使得在水和過程中片層逐漸形成“卡屋”結構。卡屋結構有效地控制了絮凝后的粒子形態,其形成與基礎漆中的陰離子成分的離子度相關,也與自身的陰陽離子結構有關,但最終凝膠的強度是反離子的絮凝作用。

色漆和保護膠液的黏度差和質量比對彩粒的性能有很大的影響。當色漆和保護膠液的黏度相差較大時,形成的彩粒飽滿,避免了彩粒在受到攪拌時變細、變小。但是,當分散相色漆黏度太大時,會出現分散相分散不開的現象,不利于色漆的分散和顏填料的充分混合。當保護膠液與色漆的質量比過低時,形成的保護膜會因攪拌而破裂,此時的彩粒細而小。保護膠體如果用量多,在攪拌過程中,彩粒與保護膠液之間充分接觸,有利于控制彩粒的粒徑,形成大而飽滿的彩粒。

3. 2 基礎漆對多彩涂料成粒的影響

基礎漆通常是由水、纖維素、填料( 膨潤土等)、樹脂乳液( 如苯丙乳液、乙丙乳液、聚醋酸乙烯乳液等)、外加分散劑、潤濕劑等制成。基礎漆中添加的改性膨潤土是硅酸鎂鋁鹽,可以使基礎漆黏度升高,起到增稠劑的作用。基礎漆和保護膠液的密度差是影響粒子性能的重要因素,只有當保護膠液的密度稍低于基礎漆時,才能減少粒徑較大的粒子發生聚沉。另外,基礎漆的黏度和粉料的添加量也會影響彩粒性能,黏度低的基礎漆,造粒時彩粒的立體感會更強;粉料添加過量,造粒容易成碎點狀,粉料量合適時,才能使彩粒成圓球狀,且干膜厚度薄。水性多彩涂料基礎漆中乳液的選擇對彩粒的性能影響至關重要,乳液如果選擇不恰當,與保護膠體發生反應,則會引起彩粒的進一步膨脹,導致造粒批次不均勻,并且保護膠體與乳液的反應會造成涂料絮凝或者后增稠。

3. 3 顏填料對成粒的影響

多彩涂料使用的顏料往往不只一種,在相同質量條件下不同顏料的體積差異很大,因此需要根據顏料的PVC 來確定其合理用量。PVC 高的顏料通常會加多一些,而PVC 低的顏料則不能加入太多,這樣會使聚合物不能填滿顏料粒子間的間隙,以至于這些間隙會出現在涂膜中,造成色粒破碎、分化,嚴重影響涂膜物性。

不同顏料密度的差異,會直接影響該種顏色的色粒在涂料體系中的浮沉狀態。加入合適的填料,一方面可以使不同顏料所成色粒的浮沉狀態一致,另一方面,還有助于提高涂料的流平性以及涂膜的耐研磨性。

3. 4 助劑對多彩涂料的影響

水性多彩涂料中經常會使用消泡劑、增稠劑和分散劑。乳液在攪拌過程中會有氣泡產生,并且由于分散相黏度較高造成氣泡難以消失,因此需要在制備分散相時加入一定量的消泡劑。消泡劑的選擇除了要求能夠顯著消泡外,還要注意不能使體系黏度增加太多,以避免色粒發生粘接。過量的消泡劑會對涂料的成膜產生不利影響。

增稠劑的加入,消弱了聚合物分子間的范德華力,降低了分子鏈的結晶性,使聚合物的硬度、模量、軟化溫度等有所下降。增稠劑能夠提高色粒的彈性,提高多彩涂料的貯存穩定性。由于多彩涂料的彩粒是靠凝膠化原理制備而成的,因此增稠劑的選擇應以不破壞色點的穩定性為前提。選擇增稠劑時應滿足以下幾個要求:(1) 能夠使涂料體系增稠,施工時不易流掛;(2)不發生后增稠以及分層現象;(3) 不影響涂膜的綜合性能,尤其是光澤和耐水性。

分散劑的選擇直接影響到彩色顏料顆粒的目標粒徑和形狀以及懸浮穩定性。要使顏料色彩間的對比度高一些,則需要使用分散性能好的分散劑,將顏料分散得更細。一般選擇分散性較強的聚丙烯酸的銨鹽或者鈉鹽作為分散劑。同時分散劑的添加量也需要注意,過多的分散劑添加量不僅不能得到理想的彩粒,還會影響彩粒的耐水性和滲色性。


4 水包水多彩涂料研究進展

4. 1 國外研究進展

水包水多彩涂料的概念最早是由美國學者JohnC. Zola 在20 世紀60 年代末提出的,并申請了相關專利(US3458328)。其設計原理是含有親水膠體的顏料與不溶性介質反應生成彩色水合凝膠沉淀。該不溶性介質中含有鈣、鋁陽離子或硼酸鹽等,具有非膠態性。這種方法制備的彩色凝膠涂膜在強度上達不到要求,不適應輥涂和刷涂,當水含量超過臨界值時,會降低多彩涂料的穩定性。

Sellars 等改進了Zola 制備彩粒的方法,開發了2 種制備水包水多彩涂料凝膠粒子的方法,一種是利用羥乙基纖維素和蒙脫土之間的不溶反應制備粒子;另一種是利用聚乙烯醇和硼砂制備粒子,但由于所得膜強度方面的原因,使得涂料不適合刷涂和輥涂。20 世紀90 年代,多彩涂料的制備技術有了很大的提高。1994 年,Bolloni Gernlano 在一項專利(US-5340389)中詳細介紹了用于多彩涂料的保護膠的制備工藝和技術要點,按照該專利的方法制備的保護膠,性能穩定且花紋效果優異。Calvo 等 在專利( US-5914196)中介紹了一種能夠采用常規噴涂設備施工而不會造成顏料混色的多彩涂料制備技術,為了使涂料能夠抵抗較高的剪切力,達到常規噴涂設備施工的要求,Calvo 提出在涂料中添加疏水填料氣相法白炭黑的方法,使多彩涂料的施工更加方便,成本更低廉。進入21 世紀以來,多彩涂料性能的進一步提高及其環保性受到人們的廣泛關注。Sailo Yoshikalsu在多彩涂料領域申請了多項專利,為了使多彩涂料具有更好的耐候性和耐熱性,他提出添加金屬氧化物包覆片狀硅的方式來制備多彩涂料,Garuti的專利(US2011229727)則更關注發展低VOC 的多彩涂料。

4. 2 國內研究進展

在20 世紀90 年代,我國才開始起步水包水型(W/W)多彩涂料的研制,許多專家和學者對這個新的領域進行了理論研究。吳自強等用帶陰、陽兩種不同離子的水性組分混合制得多彩涂料,A 組分帶陽離子,由鈦白粉、月桂酸三甲基胺氯化物等按照一定配比并添加顏料制得;B 組分帶陰離子,由羧基銨鹽陰離子化的丙烯酸水溶膠經甲基纖維素水溶液增黏制得。馬利等研究發現保護膜需要與彩粒表面的極性相反,形成極性基朝彩粒表面,非極性基朝連續相的定向排列。李毅等對多彩涂料的穩定性進行了研究。唐瑛介紹了影響水性多彩涂料運輸穩定性的因素,提出利用恒溫震蕩水浴槽模擬運輸過程的方法用于水性多彩涂料配方的篩選。吳慶喜等介紹了多彩涂料在建筑中的涂裝系統,研究了利用保護膠粉和純丙乳液、硅丙乳液制成多彩涂料的工藝,并探討了影響多彩涂料性能的影響因素。

我國水包水多彩涂料的專利申請多注重于增加多彩涂料的功能性,如防火型、防霉型、耐污型、抗靜電型水包水多彩涂料。上海市涂料研究所的2 條專利則是注重多彩涂料的裝飾性,專利CN101397433A介紹了一種由A、B 兩部分組成的復合型水性多彩涂料,其中A 是含多糖衍生物和色料的色基介質,B 是造粒用復配組合物;專利CN101760068A 介紹了一種新型的水性多彩涂料造粒方法,其中甲組分包含水性乳膠、多糖衍生物、助劑、著色顏料和填料,用攪拌機制備成單色丙烯酸乳膠基漆,乙組分包含水性乳膠、助劑和水性樹脂,用攪拌機制備成丙烯酸水性樹脂溶液。

 

5 水包水多彩涂料目前存在的主要問題及原因分析

水包水多彩涂料經過50 多年的發展,產品性能不斷提高,但仍存在一些問題需要解決。

(1)分散相粒子膠連成團,滲色問題

水包水多彩涂料在造粒過程和多彩粒子分散過程中,有時會出現滲色問題。其原因是彩粒表面的凝膠保護膜強度不夠,彩粒中的填料等會滲透出來,這樣分散介質就會帶有彩粒的顏色。

(2)多彩粒子浮層或沉底

分層現象指連續相和分散相因為密度、黏度相差太大,造成二者分層的現象。可通過二者密度及之間的差值進行控制,還可以在連續相中添加無機或者有機增稠劑,減少分層現象的發生。

(3)彩粒變小,擠壓破碎

在多彩涂料貯藏運輸過程中,特別是陸運條件更為惡劣,粒子之間會相互擠壓,從而導致彩粒變形甚至破裂。這類問題通常是由粒子的強度不夠引起的,應通過增強分散相中各元素的交聯度來予以解決。

(4)涂層光澤低

多彩涂料生產過程中大量使用的纖維素類增稠劑具有明顯的消光作用,使得多彩涂料的光澤降低,因此大多情況下,使用多彩涂料時會在表面涂上一層罩面漆,增加光澤并保護漆膜不受污染。

上述問題的解決,不能單靠某一工藝環節的改進,需要提出綜合性的解決辦法,將基礎漆、保護膠、凝膠劑、清漆綜合考慮,并保證良好的施工條件和優化的施工方案,層層把關,統籌兼顧,才能克服目前水包水多彩涂料生產以及使用過程中出現的各批次色差較大、造粒不均勻、串漿滲色等不穩定現象。


6 結語

水包水多彩涂料經一次噴涂就能獲得極具仿石效果和藝術感的多彩花紋涂層,可適應和滿足建筑設計個性化的發展需要。但水包水多彩涂料在生產和施工過程中常常會出現彩粒滲色、彩粒易破碎、貯存期增稠、各批次間有色顆粒顏色偏差較大、造粒均勻度與一致性較差、噴涂均勻度欠佳等諸多問題,需要涂料生產企業和科研機構的技術人員采用科學、系統的方法,提出綜合性的解決方案,攻克水包水多彩涂料在發展中存在的各種問題。


水包水型仿花崗巖多彩涂料的研究進展

崔航1,王鋒1,胡劍青1,涂偉萍* 1,黃毅東2,寧睿2 ( 1. 華南理工大學化學與化工學院,廣州510640; 2. 東莞大寶化工制品有限公司,廣東東莞523820)


標簽:行業資訊原料動態化工百科產品資訊化工應用市場評論技術中心精細化學品化工原料化學試劑染料及顏料涂料與油漆催化劑及助劑
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