0 引言
水性多彩涂料是一种新颖的环保型建筑涂料，通过一次喷涂便可获得具有多彩花纹装饰效果的涂层，近年来受到越来越多消费者的青睐。然而随着水性多彩涂料近几年的快速发展， 消费者对水性多彩涂料的仿石效果要求越来越高， 本文通过控制变量法分析水性多彩涂料中不同形态彩粒的影响因素， 从而更好地控制不同形态的彩粒效果以达到更好的仿石效果。

1 实验部分
1.1 主要材料
弹性乳液；金红石型钛白粉；高岭土；水性色浆；助剂：HEC、AMP-95、成膜助剂、分散剂、非离子型表面活性剂、消泡剂、杀菌剂、增稠剂、凝胶S482 粉溶液中国建材网cnprofit.com。
1.2 主要仪器
CHF100 实验分散机、DC 型多彩粒子筛滤机、PT871A 多彩涂料专用可调压喷枪、电子天平、游标卡尺、斯托默黏度计、布式黏度计。
1.3 实验原理
水性多彩涂料是由凝胶溶液（分散介质）包裹着水性乳胶涂料（分散相）小滴所形成的多相悬浮体系。原理是通过不溶体系的纤维素醚/特质粘土发生凝胶化反应，从而在凝胶彩粒表面形成一层不溶于水的柔性保护膜， 其反应原理为HEC 中的羟基瞬间与硅酸镁锂颗粒表面六角空穴中的羟基形成氢键，另一方面由于硅酸镁锂表面带有负电荷，与羟基极性基团形成偶极相互作用，在色漆液滴表面发生凝胶反应，在彩粒表面形成一层不溶于水的柔性保护膜，从而实现多彩色点的相互独立、互不融合，见图1。硅酸镁锂属于改性纳米级蒙脱土，为含水的层状硅酸盐矿物，由2 个硅氧四面体层中间夹1 个铝（镁）氧（氢氧）八面体层组成，因为特殊的片层晶体结构，常发生同晶替代作用且晶体层结构存在过剩负电荷，从而易吸附阳离子而保持电中性。此外，硅酸镁锂具有很大的比表面积，因而具有很强的吸附能力和离子交换能力，这种特殊的晶体结构使其具有良好的粘结性、吸附性、催化性、触变性、悬浮性、离子交换性的特点，而由于硅酸镁锂层间存在多余负电荷从而显示负电性，因此硅酸镁锂分散在水中常常形成三维立体卡屋式结构，见图2。本文使用的保护胶S482 是经过类似无机盐（六偏磷酸钠、多聚磷酸钠等）改性过的特殊硅酸镁锂，这类无机盐中的阳离子会吸附硅酸镁锂层间的负电荷，破坏硅酸镁锂自身的卡屋结构， 降低硅酸镁锂的溶液黏度，从而便于多彩的造粒，提高多彩的稳定性。由于硅酸镁锂特殊的晶体结构，且无机盐溶解在水中易受到不同物质的影响，因此多组分水性多彩涂料易受到不同物质的影响，从而改变水性多彩涂料中彩粒的形态和储存稳定性。本试验通过控制变量法分析不同剪切状态黏度的分散相在不同的造粒工具、不同造粒的凝胶溶液浓度以及与相对惰性和反应型的清漆混合时对彩粒形态变化的影响因素。

1.4 水性多彩涂料的制备
1.4.1 分散相的制备
首先依次加入水、非离子型表面活性剂、分散剂、部分消泡剂、HEC、AMP-95 低速分散约5 min；再加入钛白粉和高岭土等颜填料高速分散至细度≤50 μm;然后加入成膜助剂低速混合均匀后加入乳液及剩余消泡剂、杀菌剂、增稠剂；最后加入分散介质搅拌均匀后备用。
1.4.2 分散介质的制备
将凝胶胶粉S482 在高速分散机搅拌下完全溶解于水中，分散时间约为30 min 直至无颗粒。
1.4.3 彩粒的制备
将调成各种颜色的分散相在一定的转速下搅拌，按照分散相∶分散介质=1.5∶1.0 的比例将分散相以细流的方式加入到分散介质中，得到凝胶彩粒悬浮液。
1.4.4 水性多彩涂料的制备
在凝胶彩粒悬浮液中加入有机硅丙乳液、成膜助剂、消泡剂、AMP-95、增稠剂制得的清漆得到水性多彩涂料。
1.5 性能测试方法
本试验主要研究分散相在不同剪切状态下的黏度、造粒工具、凝胶溶液浓度对彩粒形态的影响，其测试方法见表1。

注：本试验在测试一个变量时，其他组分均相同：造粒时间为5 min，造粒转速300 r/min。

2 结果与讨论
2.1 分散相对彩粒形态的影响
2.1.1 分散相中不同相对分子质量HEC 对彩粒形态的影响
在相同黏度的分散相中添加不同相对分子质量的纤维素，分散相造粒后的彩粒大小分布如图3 所示。

注：此图不同长宽色粒取自 20 个相同大小的色粒的平均数，即一个色粒的长宽数据是有 20 个大小类似色粒的平均数所得。 （下同）

图 3 相同黏度的分散相中添加不同分子量纤维素时,分散相造粒后的彩粒大小分布

分散相中的羟乙基纤维素是水性乳胶颗粒形成的不溶于水的小液滴的主要原材料之一， 故试验先分析不同相对分子质量HEC 对分散相成粒后的影响。分别选取3 种不同相对分子质量的HEC： 小相对分子质量HEC（溶解1%溶液使用1#，6 r/min 测试布式黏度在250～500 cps 之间）、中相对分子质量HEC（溶解1%溶液使用2#，68 r/min 测试布式黏度在2 500～5 000cps之间）、大相对分子质量HEC（溶解1%溶液使用3#，6r/min 测试布式黏度在9 000～16 000 cps 之间）， 分别配置中剪黏度相当（分别使用不同溶度的纤维素醚，即较高溶度的小相对分子质量HEC，较低溶度的大相对分子质量HEC）的分散相，使用实验分散机在500r/min 的条件下分散30 s，由图3 彩粒大小分布图可以看出彩粒的形态分别为： 小相对分子质量HEC 配置的分散相彩粒偏薄、小且较为均匀；中相对分子质量HEC 配置的分散相彩粒厚薄适中， 有部分不规则色点；大相对分子质量HEC 配置的分散相彩粒偏厚、大且形状不规则。原因为当含有HEC 的分散相进入凝胶溶液中时， 一方面HEC 中的羟基瞬间与硅酸镁锂颗粒表面六角空穴中的羟基形成氢键，另一方面由于硅酸镁锂表面带有负电荷，与羟基极性基团形成偶极相互作用，在色漆液滴表面发生凝胶反应，在彩粒表面形成一层不溶于水的柔性保护膜。而小相对分子质量HEC 的羟乙基取代度较高且均匀， 与硅酸镁锂发生凝胶反应所形成的不溶于水的柔性保护膜致密且均匀，造粒后的彩粒状态较为均匀，大小基本一致且喷涂后彩粒不易变形；另一方面由于小相对分子质量HEC 的分子链刚性强，通过氢键水合作用后分子之间较少相互缠绕，使其分散相黏度增稠较少，通过分散机分散造粒后易形成又小又薄的彩粒。大相对分子质量HEC 的羟乙基取代度较低且不均匀， 与硅酸镁锂发生的凝胶反应所形成的不溶于水的柔性保护膜稀疏且不均匀，造粒后的彩粒呈不规则状，大小差异较大且喷涂后彩粒易变形；而另一方面由于其相对分子质量大，分子链柔韧性强，通过氢键水合作用后分子之间相互缠绕，使其基础漆黏度显著增加，通过分散机分散造粒后易形成又厚又大且不均匀的彩粒；而中相对分子质量HEC 则介于二者之间。
2.1.2 分散相中的非离子型表面活性剂对彩粒形态的影响
在分散相中添加不同量的非离子型表面活性剂，分散相造粒后的彩粒大小分布如图4 所示。

由图4 可以看出，当分散相中的非离子型表面活性剂（如水性乳胶漆中常用的X-405、CF-10 等）发生变化时，造粒后的彩粒大小同样发生变化。使用实验分散机在500 r/min 的条件下分散30 s， 彩粒的大小分布分别为：在初期随着非离子型表面活性剂的逐渐添加（添加量为0.5‰～5‰时），分散相的低剪黏度逐渐上升，彩粒状态由又薄又不规则逐渐变圆变厚变光滑；随着非离子型表面活性剂的逐渐增加，彩粒状态由又圆又厚逐渐变为又薄又长又不规则的片状直至无法造粒。原因为当HEC 与凝胶溶液发生凝胶反应时， 适量的非离子型表面活性剂吸附在硅酸镁锂表面，起到增强凝胶溶液自身的卡屋结构的作用，增强了HEC 与凝胶溶液的凝胶反应， 从而提高了分散相的低剪黏度， 分散后彩粒的状态呈现为均匀的圆厚状；而过量非离子型表面活性剂的添加，则大量吸附在硅酸镁锂盐表面， 破坏了凝胶溶液自身的卡屋结构，甚至破坏了HEC 与凝胶溶液的凝胶反应，导致彩粒状态呈现为不规则的长条薄片状，甚至难以造粒。
2.1.3 分散相中颜填料对彩粒形态的影响
在黏度相当的分散相中添加不同含量的颜填料时，分散相造粒后的彩粒大小分布，如图5 所示。

在不影响渗色的前提下，配置黏度相当的分散相（通过不同含量碱溶胀增稠剂和水共同调整黏度），由图5 可以看出，当分散相中的颜填料含量较高时（颜填料用量≥10%）， 彩粒的形态偏厚偏长而又不规则；当分散相中的颜填料较低时（颜填料用量≤5%），彩粒的形态偏薄偏圆而又均匀。水性多彩涂料是由凝胶溶液（分散介质）包裹着水性乳胶涂料（分散相）小滴所形成的多相悬浮体系。水性乳胶涂料（分散相）中高剪黏度的来源为乳胶粒子、表面活性剂疏水端、颜填料等疏水结构缔合，形成立体网状结构；中剪黏度是以表面活性剂质量浓度高于临界胶束浓度时所形成的胶束为主导，而低剪黏度的来源主要是分子亲水端与水分子以氢键起作用。当分散相中的颜填料较高时，乳胶粒子与颜填料所形成的立体网状结构大，高剪黏度高，而较少的水分子与分子亲水端以氢键起作用的低剪黏度低。在一定转速条件下，高剪黏度较高的高颜填料分散相造粒困难，彩粒易形成又厚又长且不规则的形态，而低剪黏度较高的低颜填料分散相则造粒相对容易，彩粒易形成又圆又薄且均匀的形态。

2.2 造粒工具对彩粒形态的影响
2.2.1 分散盘造粒对彩粒形态的影响
在相同转速的分散条件下，不同黏度的分散相造粒后的彩粒大小分布如图6 所示。

由图6 可以看出， 当分散相的中高剪黏度较高时，在一定转速条件下造粒，彩粒呈薄片不规则形状，大小不一且有少量碎点；当分散相的中低剪黏度较高时，相同条件下造粒，色点呈圆厚状，大小较为均匀且碎点较多。
2.2.2 浆叶造粒对彩粒形态的影响
在分散相的黏度不同时，使用桨叶造粒后的彩粒大小分布如图7 所示。

由图7 可以看出， 当分散相的中低剪黏度较高时， 选择用桨叶造粒后色点呈一定厚度不规则形状，大小均一且碎点较少。当分散相的中高剪黏度较高时，彩粒呈一定厚度不规则长条状，大小不一。
2.2.3 抽点设备对彩粒形态的影响
在分散相的黏度不同时，使用抽点设备造粒后的彩粒大小分布如图8 所示。

由图8 可以看出， 当分散相的中低剪黏度较高时， 使用抽点设备造粒后的色点呈规则有厚度的圆形，大小与筛网网孔基本保持一致且碎点较少；当分散相的中高剪黏度较高时， 色点呈规则的长柱形状，且易堵孔。
2.3 不同浓度的凝胶溶液分散介质对彩粒形态的影响
不同浓度的凝胶溶液分散介质造粒后的彩粒大小分布如图9 所示。

由图9 可以看出，中剪黏度较高的分散相在低浓度的凝胶溶液（浓度≤3.5%）分散介质中造粒后的彩粒偏薄、偏小、呈不规则的片状，碎点较多且彩粒易黏粘；而在高浓度的凝胶溶液（浓度≥7%）分散介质中造粒后的彩粒偏厚、偏大、呈不规则的长条状且碎点较少，说明高浓度的凝胶溶液对彩粒的包裹性更好。
2.4 清漆对彩粒形态的影响
相同彩粒与不同清漆混合后，彩粒的大小分布如图10 所示。

由图10 可以看出，相同的彩粒组份与不同的清漆混合后，彩粒的大小发生了变化。当选择与凝胶溶液按1∶1 比例混合后相对稳定的清漆（即二者混合后24 h之内黏度未发生明显变化）时，成粒形态与彩粒组份的形态基本保持一致； 当选择与凝胶溶液按1∶1 比例混合后快速絮凝的清漆（即二者混合后24 h 之内黏度明显上升失去流动性）时，彩粒组份的形态随着混合速度和混合时间的增加，彩粒出现碎点、相对分子质量变小且易黏粘。说明与凝胶溶液反应相对惰性的清漆不影响凝胶溶液对彩粒的包裹，而与凝胶溶液反应剧烈的清漆会影响凝胶溶液对彩粒的包裹，从而改变彩粒的形态。

3 结语
（1） 分散相中以小相对分子质量HEC/凝胶溶液发生凝胶反应为主的彩粒形态呈偏小、偏薄且均匀的状态； 以大相对分子质量HEC/凝胶溶液发生凝胶反应为主的彩粒形态呈偏大、偏厚且不均匀的状态；以中相对分子质量HEC/凝胶溶液发生凝胶反应为主的彩粒状态则介于二者之间；
（2）分散相中添加适量的非离子型表面活性剂能增强纤维素/凝胶溶液的凝胶反应，提高分散相的低剪黏度，彩粒形态呈偏圆偏厚且均匀的状态；而过量的非离子型表面活性剂会破坏纤维素/凝胶溶液的凝胶反应，降低分散相的低剪黏度，彩粒形态呈偏薄偏长的状态，随着非离子型表面活性剂的继续添加甚至会导致分散相无法造粒；
（3）分散相配置相当的中剪黏度，当颜填料含量较高时， 彩粒形态呈偏厚偏长而又不规则的状态；当颜填料含量较低时，彩粒的形态呈偏薄偏圆而又均匀的状态；
（4）当分散相的中高剪黏度较高时，使用分散盘造粒的彩粒形态比较均匀，厚薄适中呈片状，使用桨叶造粒的彩粒形态偏厚偏长且不规则，使用抽点设备造粒后的彩粒形态则呈圆柱形且不规则；当分散相的中低剪黏度较高时，使用分散盘造粒的彩粒则较圆较厚且碎点较多，使用桨叶造粒后的彩粒形态呈不规则的圆厚状，使用抽点设备造粒后的彩粒形态则呈规则的球状；
（5）当分散介质凝胶溶液浓度较高时，中高剪黏度较高的分散相成粒后的色点偏厚偏大且不规则；当分散介质凝胶溶液浓度较低时，色点则偏薄偏小且不规则；
（6）当选择与凝胶溶液相对惰性的清漆时，成粒与色粒组份状态基本一致且储存稳定；当选择与凝胶溶液迅速絮凝的清漆时，随着混合速度和混合时间的增加，成粒较色粒组份出现碎点、变小且易黏粘。