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水包水型仿花岗岩多彩涂料的研究进展,介绍了水包水多彩涂料的基本原理、生产工艺流程和国内外研究进展
2019年11月24日    阅读量:3847     新闻来源:中网信息    |  投稿

传统的花岗岩涂料主要有水包油型(O/W)、油包水型(W/O)、油包油型(O/O),上述涂料中都必须使用大量有机溶剂,不仅对生产及施工人员健康产生影响,而且环境污染大,这类涂料基本被市场淘汰。


20 世纪60 年代末,美国研制开发了水包水型(W/W)仿石涂料,该类涂料安全环保、成本较低,受到市场的关注。但是由于对该类涂料的制备原理不甚了解,加上原材料不齐备,国内在水包水仿石涂料的开发和发展上比较滞后中国机械网okmao.com

 

1 水包水多彩涂料制备原理

水包水仿石涂料又称为水包水多彩涂料,是一种以水性乳胶涂料的小液滴构成涂料的分散相,保护胶水溶液构成连续相的多相悬浮体系。


水包水多彩仿石涂料的设计原理中,首先要制备基础漆,然后用钛白浆、铁黑、铁黄等无机色浆调色。调色后的基础漆需要加强其内聚力,所以采用亲水的高分子保护胶纤维素或聚乙烯醇( PVA),使阴离子的基础漆有一定的内聚力。


第二步是配制保护胶溶液,水包水多彩涂料常用的保护胶体系是纤维素醚/硅酸镁锂盐分散体系,该体系可适用于大部分树脂乳液体系,且制得的多彩涂料仿真度高、色粒稳定、储存时间长。


保护胶体系中的无机硅酸镁锂盐是阴阳离子两性的物质,在水中硅酸锂镁盐片层剥离分散形成无色透明的凝胶液,它能在已分散的色漆颗粒表面形成一层保护膜,这层柔性膜能够阻止颜料滴发生聚集,并使膜内外的组分不至于相互扩散,这是水性多彩涂料稳定贮存的关键。第三步以清漆作为连续相,将凝聚后彩粒与连续相清漆混合并适度增稠,完成水包水多彩涂料的制备。


制备水包水多彩涂料的关键在于使亲水的基础漆在水溶性的保护胶液中可以絮凝成粒,贮存稳定并可经受喷枪的剪切力而不会碎粒。需要指出的是,水包水多彩涂料仅仅是粒子表面的胶凝化,而粒子内部仍然是彩色水性涂料,一旦粒子出枪,打到墙面上,凝胶的类似胶囊的壳破裂,涂料随之炸开,与透明的连续相形成特定颜色的不规则彩片。待喷涂施工完成后,彩粒依然成悬浮状态保护在连续相乳液之中,湿膜干燥过程中,水分逐渐挥发,涂料液滴之间相互堆砌、融合,最终形成牢固的多彩花纹涂膜。

 

2 水包水多彩涂料的生产工艺流程

水包水多彩涂料是一种多相悬浮体系。它的制备是在水性凝胶体即保护胶溶液中,加入彩色基础漆。分散相与分散介质混合时,在分散相表面发生凝胶化作用,粒子表面形成一层较均匀的胶膜,阻止了粒子间发生聚集,并防止膜内外物质相互扩散,因而形成较为独立的彩色粒子。最后将几种彩色粒子悬浮体加入到水性的弹性清漆中,低速混合均匀,生产工艺如图1。

水包水多彩涂料生产工艺流程

水包水型仿花岗岩多彩涂料的研究进展,介绍了水包水多彩涂料的基本原理、生产工艺流程和国内外研究进展 中网信息

3 水包水多彩涂料成粒性能的影响因素

3. 1 保护胶液对成粒的影响

彩粒之所以能够形成和稳定,主要是依靠静电排斥作用及保护胶液的分割。保护胶液中的离子由于被彩粒吸附而导致彩粒带电,形成保护膜,从而具有保护作用,防止其二次聚沉。

造粒时保护胶液中的硅酸镁锂盐作为凝胶剂,在水中不会溶解,而只发生溶胀,水和过程中会形成带电的片状层薄片,这些片状层的端面带正电荷,层面带负电荷,由于正负电荷吸引作用,使得在水和过程中片层逐渐形成“卡屋”结构。卡屋结构有效地控制了絮凝后的粒子形态,其形成与基础漆中的阴离子成分的离子度相关,也与自身的阴阳离子结构有关,但最终凝胶的强度是反离子的絮凝作用。

色漆和保护胶液的黏度差和质量比对彩粒的性能有很大的影响。当色漆和保护胶液的黏度相差较大时,形成的彩粒饱满,避免了彩粒在受到搅拌时变细、变小。但是,当分散相色漆黏度太大时,会出现分散相分散不开的现象,不利于色漆的分散和颜填料的充分混合。当保护胶液与色漆的质量比过低时,形成的保护膜会因搅拌而破裂,此时的彩粒细而小。保护胶体如果用量多,在搅拌过程中,彩粒与保护胶液之间充分接触,有利于控制彩粒的粒径,形成大而饱满的彩粒。


3. 2 基础漆对多彩涂料成粒的影响

基础漆通常是由水、纤维素、填料( 膨润土等)、树脂乳液( 如苯丙乳液、乙丙乳液、聚醋酸乙烯乳液等)、外加分散剂、润湿剂等制成。基础漆中添加的改性膨润土是硅酸镁铝盐,可以使基础漆黏度升高,起到增稠剂的作用。基础漆和保护胶液的密度差是影响粒子性能的重要因素,只有当保护胶液的密度稍低于基础漆时,才能减少粒径较大的粒子发生聚沉。


另外,基础漆的黏度和粉料的添加量也会影响彩粒性能,黏度低的基础漆,造粒时彩粒的立体感会更强;粉料添加过量,造粒容易成碎点状,粉料量合适时,才能使彩粒成圆球状,且干膜厚度薄。水性多彩涂料基础漆中乳液的选择对彩粒的性能影响至关重要,乳液如果选择不恰当,与保护胶体发生反应,则会引起彩粒的进一步膨胀,导致造粒批次不均匀,并且保护胶体与乳液的反应会造成涂料絮凝或者后增稠。


3. 3 颜填料对成粒的影响

多彩涂料使用的颜料往往不只一种,在相同质量条件下不同颜料的体积差异很大,因此需要根据颜料的PVC 来确定其合理用量。PVC 高的颜料通常会加多一些,而PVC 低的颜料则不能加入太多,这样会使聚合物不能填满颜料粒子间的间隙,以至于这些间隙会出现在涂膜中,造成色粒破碎、分化,严重影响涂膜物性。

不同颜料密度的差异,会直接影响该种颜色的色粒在涂料体系中的浮沉状态。加入合适的填料,一方面可以使不同颜料所成色粒的浮沉状态一致,另一方面,还有助于提高涂料的流平性以及涂膜的耐研磨性。


3. 4 助剂对多彩涂料的影响

水性多彩涂料中经常会使用消泡剂、增稠剂和分散剂。乳液在搅拌过程中会有气泡产生,并且由于分散相黏度较高造成气泡难以消失,因此需要在制备分散相时加入一定量的消泡剂。消泡剂的选择除了要求能够显著消泡外,还要注意不能使体系黏度增加太多,以避免色粒发生粘接。


过量的消泡剂会对涂料的成膜产生不利影响。

增稠剂的加入,消弱了聚合物分子间的范德华力,降低了分子链的结晶性,使聚合物的硬度、模量、软化温度等有所下降。增稠剂能够提高色粒的弹性,提高多彩涂料的贮存稳定性。由于多彩涂料的彩粒是靠凝胶化原理制备而成的,因此增稠剂的选择应以不破坏色点的稳定性为前提。选择增稠剂时应满足以下几个要求:(1) 能够使涂料体系增稠,施工时不易流挂;(2)不发生后增稠以及分层现象;(3) 不影响涂膜的综合性能,尤其是光泽和耐水性。


分散剂的选择直接影响到彩色颜料颗粒的目标粒径和形状以及悬浮稳定性。要使颜料色彩间的对比度高一些,则需要使用分散性能好的分散剂,将颜料分散得更细。一般选择分散性较强的聚丙烯酸的铵盐或者钠盐作为分散剂。同时分散剂的添加量也需要注意,过多的分散剂添加量不仅不能得到理想的彩粒,还会影响彩粒的耐水性和渗色性。


4 水包水多彩涂料研究进展

4. 1 国外研究进展

水包水多彩涂料的概念最早是由美国学者JohnC. Zola 在20 世纪60 年代末提出的,并申请了相关专利(US3458328)。其设计原理是含有亲水胶体的颜料与不溶性介质反应生成彩色水合凝胶沉淀。该不溶性介质中含有钙、铝阳离子或硼酸盐等,具有非胶态性。这种方法制备的彩色凝胶涂膜在强度上达不到要求,不适应辊涂和刷涂,当水含量超过临界值时,会降低多彩涂料的稳定性。


Sellars 等改进了Zola 制备彩粒的方法,开发了2 种制备水包水多彩涂料凝胶粒子的方法,一种是利用羟乙基纤维素和蒙脱土之间的不溶反应制备粒子;另一种是利用聚乙烯醇和硼砂制备粒子,但由于所得膜强度方面的原因,使得涂料不适合刷涂和辊涂。


20 世纪90 年代,多彩涂料的制备技术有了很大的提高。1994 年,Bolloni Gernlano 在一项专利(US-5340389)中详细介绍了用于多彩涂料的保护胶的制备工艺和技术要点,按照该专利的方法制备的保护胶,性能稳定且花纹效果优异。


Calvo 等 在专利( US-5914196)中介绍了一种能够采用常规喷涂设备施工而不会造成颜料混色的多彩涂料制备技术,为了使涂料能够抵抗较高的剪切力,达到常规喷涂设备施工的要求,Calvo 提出在涂料中添加疏水填料气相法白炭黑的方法,使多彩涂料的施工更加方便,成本更低廉。


进入21 世纪以来,多彩涂料性能的进一步提高及其环保性受到人们的广泛关注。Sailo Yoshikalsu在多彩涂料领域申请了多项专利,为了使多彩涂料具有更好的耐候性和耐热性,他提出添加金属氧化物包覆片状硅的方式来制备多彩涂料,Garuti的专利(US2011229727)则更关注发展低VOC 的多彩涂料。

4. 2 国内研究进展

在20 世纪90 年代,我国才开始起步水包水型(W/W)多彩涂料的研制,许多专家和学者对这个新的领域进行了理论研究。吴自强等用带阴、阳两种不同离子的水性组分混合制得多彩涂料,A 组分带阳离子,由钛白粉、月桂酸三甲基胺氯化物等按照一定配比并添加颜料制得;B 组分带阴离子,由羧基铵盐阴离子化的丙烯酸水溶胶经甲基纤维素水溶液增黏制得。马利等研究发现保护膜需要与彩粒表面的极性相反,形成极性基朝彩粒表面,非极性基朝连续相的定向排列。李毅等对多彩涂料的稳定性进行了研究。唐瑛介绍了影响水性多彩涂料运输稳定性的因素,提出利用恒温震荡水浴槽模拟运输过程的方法用于水性多彩涂料配方的筛选。吴庆喜等介绍了多彩涂料在建筑中的涂装系统,研究了利用保护胶粉和纯丙乳液、硅丙乳液制成多彩涂料的工艺,并探讨了影响多彩涂料性能的影响因素。

我国水包水多彩涂料的专利申请多注重于增加多彩涂料的功能性,如防火型、防霉型、耐污型、抗静电型水包水多彩涂料。上海市涂料研究所的2 条专利则是注重多彩涂料的装饰性,专利CN101397433A介绍了一种由A、B 两部分组成的复合型水性多彩涂料,其中A 是含多糖衍生物和色料的色基介质,B 是造粒用复配组合物;专利CN101760068A 介绍了一种新型的水性多彩涂料造粒方法,其中甲组分包含水性乳胶、多糖衍生物、助剂、着色颜料和填料,用搅拌机制备成单色丙烯酸乳胶基漆,乙组分包含水性乳胶、助剂和水性树脂,用搅拌机制备成丙烯酸水性树脂溶液。

 

5 水包水多彩涂料目前存在的主要问题及原因分析

水包水多彩涂料经过50 多年的发展,产品性能不断提高,但仍存在一些问题需要解决。

(1)分散相粒子胶连成团,渗色问题

水包水多彩涂料在造粒过程和多彩粒子分散过程中,有时会出现渗色问题。其原因是彩粒表面的凝胶保护膜强度不够,彩粒中的填料等会渗透出来,这样分散介质就会带有彩粒的颜色。

(2)多彩粒子浮层或沉底

分层现象指连续相和分散相因为密度、黏度相差太大,造成二者分层的现象。可通过二者密度及之间的差值进行控制,还可以在连续相中添加无机或者有机增稠剂,减少分层现象的发生。

(3)彩粒变小,挤压破碎

在多彩涂料贮藏运输过程中,特别是陆运条件更为恶劣,粒子之间会相互挤压,从而导致彩粒变形甚至破裂。这类问题通常是由粒子的强度不够引起的,应通过增强分散相中各元素的交联度来予以解决。

(4)涂层光泽低

多彩涂料生产过程中大量使用的纤维素类增稠剂具有明显的消光作用,使得多彩涂料的光泽降低,因此大多情况下,使用多彩涂料时会在表面涂上一层罩面漆,增加光泽并保护漆膜不受污染。

上述问题的解决,不能单靠某一工艺环节的改进,需要提出综合性的解决办法,将基础漆、保护胶、凝胶剂、清漆综合考虑,并保证良好的施工条件和优化的施工方案,层层把关,统筹兼顾,才能克服目前水包水多彩涂料生产以及使用过程中出现的各批次色差较大、造粒不均匀、串浆渗色等不稳定现象。


6 结语

水包水多彩涂料经一次喷涂就能获得极具仿石效果和艺术感的多彩花纹涂层,可适应和满足建筑设计个性化的发展需要。但水包水多彩涂料在生产和施工过程中常常会出现彩粒渗色、彩粒易破碎、贮存期增稠、各批次间有色颗粒颜色偏差较大、造粒均匀度与一致性较差、喷涂均匀度欠佳等诸多问题,需要涂料生产企业和科研机构的技术人员采用科学、系统的方法,提出综合性的解决方案,攻克水包水多彩涂料在发展中存在的各种问题。


崔航1,王锋1,胡剑青1,涂伟萍* 1,黄毅东2,宁睿2 ( 1. 华南理工大学化学与化工学院,广州510640; 2. 东莞大宝化工制品有限公司,广东东莞523820)

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