硅树脂外墙涂料的配方设计与性能研究

0 引 言
作为一种环保、施工方便的装饰材料,近年来水性涂料在外墙装饰中的应用越来越广泛。但由于环境中水分、灰尘、紫外线等因素的影响,以及涂料大多涂刷在混凝土、砂浆等碱性基材上,易出现沾污、泛碱、耐水性差、褪色等质量问题,特别是在北方地区,为了防止基层开裂,很多工程采用了弹性涂料,但由于弹性涂料透气性差,容易出现起泡甚至导致漆膜脱落的情况,因而研制一种憎水、透气性好的硅树脂涂料意义重大。

1 配方设计因素及基础配方
1.1 PVC(颜料体积浓度)
涂料配方的设计中,颜料体积浓度(PVC)是涂料配方设计中的一个重要参数,不同的PVC对涂膜的耐擦洗性、光泽、耐水性、耐候性等性能有很大影响。一般来讲,PVC<CPVC时,聚合物能完全包裹颜填料,形成连续的涂膜,涂料的附着力、耐洗刷性、流平性等较好。在有效降低液态水吸收的同时,也阻碍了墙体潮气的逸出,潮气冷凝聚积到一定程度,会大大降低涂料与墙体的附着力,容易形成鼓泡。当PVC>CPVC时,乳液聚合物不能将颜料和填料粒子间的空隙完全充满,会保留一定量的空气,涂膜性能有较大的变化,透气性上升,同时耐洗刷性会有一定程度的下降,耐候性也会大大下降。

1.2 乳液
用于外墙的乳液种类最多的是纯丙乳液和苯丙乳液。根据合成的单体,纯丙乳液的性能区别很大,但通常纯丙乳液具有更好的抗紫外线性能,吸水率低,通常适合低PVC的涂料配方中。而苯丙乳液在颜填料粘接能力上表现良好,而且吸水率低,抗皂化性能好。

1.3 硅树脂添加量
用于有机硅改性外墙乳胶漆的硅树脂乳液大多是通过有机硅改性的丙烯酸乳液,分为接枝型和共混型两类,但都存在有机硅含量较低的问题。德国瓦克公司提供了硅树脂产品,其中BS 43N乳液是一种水稀释型硅树脂乳液,活性物质含量达到42% 。

1.4 颜填料的种类和添加量
颜填料种类众多,不同的颜填料对涂料的光泽、耐候性影响较大,其中白色颜料以二氧化钛性能最为优异,外墙涂料宜采用金红石型二氧化钛,其他颜料如氧化铁系列性能良好。填料中常见的种类有重质碳酸钙、硅灰石粉、云母、滑石粉、高岭土、白云石等。

1.5 助 剂
硅树脂涂料中助剂与普通外墙涂料基本相似,由于硅树脂属于热固型成膜,所以配方中成膜助剂的用量应减少。硅树脂表面张力较低,选用消泡剂时应选择合适的品种和加量。另外润湿剂和分散剂的加量对有色涂料的展色性非常关键。
综合以上因素,基础配方如表1所示。

白色涂料配方中,颜料采用二氧化钛。有色涂料中,采用m(二氧化钛):m(氧化铁红)=2:1。填料采用两种不同的粉料搭配。通过调整普通乳液和水的加量,可获得不同PVC的涂料配方
2 试验部分

2.1 原材料及测试仪器
有机硅树脂乳液BS 43N:德国WACKER公司;纯丙乳液AC一261:美国ROHM &HAAS公司;苯丙乳液296DS:德国BASF公司;二氧化钛R一595:澳洲美礼联公司;氧化铁红411O:德国朗盛公司;消泡剂、分散剂:进口;填料:国产;氢氧化钙、磷酸二氢铵:化学纯;石蜡、松香:工业品;标准配制灰。
对比率仪、JTX—II耐洗刷仪、耐沾污测定仪:上海现代仪器公司;透气性测定设备:德国,规格500 mL PE桶带盖,桶盖规格D90 mm×6 mm;透射型电子扫描电镜:日本;高速分散机;色差仪:美能达公司D2600型;紫外灯箱:功率500 W,河南建材院;天平:感量0.01 g。

2.2 实验生产工艺
配制外墙涂料时,首先加入1—5,低速分散,加入6、7后高速分散30~40 min,至细度达到要求。考虑有机硅乳液的特点,粉料分散完成后,应先加入有机硅乳液BS 43N搅拌5~10 min,以便有机硅乳液能更好吸附在颜填料表面,然后在中速状态下加入9~13,分散10~15 min后调整体系pH值到8~ 9,搅拌至均匀状态即可。

2.3 涂料性能检测
按照GB/T 1733—1993甲法规定检测耐水性;按照GB/T9265-1988规定检测耐碱性;按照DIN 53778规定检测耐洗刷性,测试前涂料照射200 h QUV—B,并进行喷淋处理;按照GB/
T 9755-2001附录A方法检测耐沾污性,污染源采用上海建科院提供的标准配制灰;吸水性的测定是用涂布器在玻璃板上制得一定厚度的涂膜,标准环境下养护7天,然后将干膜进行循环吸水性测试。每次循环前称取质量‰ ,浸入水中24 h后,用滤纸吸干涂膜表面的水,马上称取质量m ,干燥48 h。
吸水率=(m1一m0)/m0 X100%
透气性的测定参考ISO 7783—2一湿杯法(50/93):在PE桶盖上涂刷一定量的涂料,标准环境下养护14天后,将一定量的饱和磷酸二氢铵溶液放人桶中,并密封于标准湿度环境。由于饱和磷酸二氢铵溶液产生93% 的湿度,与桶外环境形成湿度差,每24 h通过称取桶的质量差来计算涂层透气性。结果用静止空气层厚度sd表示。将制备好的涂料样板养护7天后,放入紫外灯箱中照射100 h,冷却后取出观察表面粉化状况,检测耐紫外光稳定性。

3 结果与讨论
3.1 颜填料对涂料性能的影响
通过添加苯丙乳液296DS,调整PVC为50% ,此时不添加硅树脂,调整不同的颜填料比例和填料种类,得到白色涂料,进行耐紫外线测试(户外曝晒),结果如表2所示。

从表2可以看出,当颜填料比例在30:70或进一步增大颜料比例时,涂料对比率达到优等品要求,色差变化少,粉化程度比较轻微。填料选择上,通常考虑抗粉化性好、不易沉降、耐磨性好、吸水量少的品种。因此,涂料配方设计中可选择颜料:填料=30:70,填料可选用两种或两种以上的抗粉化性比较好的粉料复配使用,如重质碳酸钙、白云石、重晶石、硅灰石、滑石粉等。

3.2 乳液对涂料性能的影响
分别选取纯丙乳液AC一261和苯丙乳液296DS,按照表1配方配制PVC为35% 、50%和65% 的涂料,颜料选取R一595二氧化钛。测试涂料的吸水率、透气性和耐洗刷性,测试结果如图1~3所示。

从图1~3可以发现,苯丙乳液和纯丙乳液配制的涂料性能区别不是很大,其中涂膜吸水性测试中,第一次循环后吸水率相对较高,但经过多次水洗循环后,吸水率变化较小,说明第一次水洗循环前,涂料中含有水溶性物质,对吸水率影响较大。相对来说,PVC对涂料性能影响很大,随着PVC的上升,涂料吸水率下降,透气性上升,耐擦洗性能下降。特别是PVC为65% 的涂料,性能变化明显,主要是PVC比较高的原故。

3.3 硅树脂乳液添加量对涂料透气性的影响
在配方中,选择苯丙乳液,调整涂料PVC为35%、50% 和65%,颜料选取R一595二氧化钛。在保持PVC不变的情况下,用有机硅树脂BS 43N对苯丙乳液进行替换,比例分别为0、25%、50%、75%和100%。涂料性能如透气性测试结果如图4所示。

从以上测试结果可以看出,不同的PVC对涂料性能影响很大。PVC为65% 时,透气性良好,主要是因为PVC超过CPVC了。但在同一PVC体系中,随着硅树脂乳液加量的增加,涂层透气性变化明显。丙烯酸乳液成膜时,当PVC低于CPVC时,会形成连续的漆膜,降低涂层透气性,导致墙面中的水汽不能逸出墙体,影响涂膜的附着力,甚至会出现漆膜成片脱落的情况。有机硅不堵塞毛细孔,具有很好的透气性。图5和图6是PVC为50%涂料中不加BS 43N的A0样品和全部替换的AIO0样品的电镜扫描(SEM)图。

从图5、图6可以很明显对比看出,图5中未加有机硅树脂的涂料微观上结构连续,而在图6中,从AIO0样品微观图上可以看出,毛细孔没有被堵塞,能保持很好的透气性。硅树脂用量对涂料耐沾污性的影响见图7。从图7测试结果可以看出,不同PVC涂料耐沾污性能差异也很大。当PVC为35%和50% 时,此时PVC<CPVC,涂料中乳液能完全包裹住颜填料,耐沾污性能主要取决于乳液的玻璃化温度。当PVC>CPVC时,由于乳液不能完全包裹住颜填料,耐沾污性能会有较明显下降。但在同一PVC体系中,随着硅树脂乳液加量的增加,涂层耐沾污性能具有较明显的提高,这是由于当硅树脂乳液添加到外墙乳胶漆后,能形成类似网状结构的大分子,这种网状结构比较坚硬,与普通丙烯酸乳液具有热塑性不同的是,有机硅树脂具有热固性,表观硬度几乎不随温度变化,所以即使在外界温度较高如夏天户外的环境中,硅树脂涂料仍具有良好的耐沾污性。但BS 43N取代超过50%后,性能略有下降,可能是BS 43N添加量超过一定程度后,带来了过多的微孔,影响了涂料耐沾污性。

有机硅中一si一0一si一键键能是452 kJ/mol,比c—C键键能(356 kJ/mo1)高很多,所以当紫外线能量(418 kJ/mol)照射200 h后,纯丙乳液漆膜中聚合物会有部分降解,导致漆膜耐洗刷性能下降,但有机硅基本不受影响。所以加入有机硅乳液对提高涂料耐候性也有很好的效果。
另外实验考察了PVC 50%的涂料中,有机硅树脂BS 43N加量对涂料耐水性、耐碱性的影响,结果如表3所示。

从表3可以看出,未添加BS 43N的涂料耐水性、耐碱性分别为7天、5天,但添加BS 43N后耐水性、耐碱性均有较大的提高,其中A100耐水性优异,超过30天。有机硅既具有无机基团,又有有机基团,有机基团使之具有很低的表面张力,很强的憎水性。

3.4 助剂对涂料性能的影响
实验中,测试了不同消泡剂加量对50%PVC涂料外观的影响,其中BS 43N50%代替,结果如表4所示。

NXZ是金属皂类消泡剂,SN 154是二氧化硅类消泡剂。从表4可以看出,SN 154比NXZ消泡效果略好,但更易产生“油缩”等外观病态,根据实验结果可选择0.3% NXZ添加量,多次加入效果更好。
在有色涂料中,考察了不同润湿剂和分散剂对涂料展色性的影响,判定方法采用指研法,实验结果如表5所示。

从表5可以发现,2% 188A和4% OROTAN 1124配合可以得到比较好的展色性。关于其他助剂,在中高PVC涂料中由于颜填料相对较多,涂料耐擦洗性能会受到较大影响,可以通过添加一定量的木纤维或遮盖聚合物来改善。

4 结语
涂料的配方设计是一个比较复杂的工作,特别是外墙涂料体系,要获得比较好的透气性、低的吸水性、优异的耐擦洗性能和耐候性能,需要考虑很多方面。通过硅树脂外墙涂料的性能测试结果,可得出以下结论:
(1)PVC是涂料配方设计.的关键,是影响涂料的主要因素;
(2)为获得比较好的抗粉化性能,颜填料比例中颜料所占比例应在30%以上,填料可选用两种或多种粉料,如重质碳酸钙、白云石、重晶石、硅灰石等抗粉化性能好的粉料;
(3)性能优异的纯丙乳液和苯丙乳液对涂料吸水性、透气性、耐洗刷性等影响不大,纯丙乳液在低PVC涂料中优势更大;
(4)有机硅树脂能显著改善涂料透气性、耐沾污性以及耐水性、耐碱性等性能,但添加时应考虑合适的比例;
(5)不同的助剂种类和添加量对涂料性能影响较大,0.3% NXZ可获得较好的消泡效果和外观。2% 188A润湿剂和4% OROTAN 1124分散剂配合在有色涂料中可以得到比较好的展色性。可通过添加一定量的木纤维或遮盖聚合物来改善涂料耐擦洗性能。

参考文献
[1] 林宣益.乳胶漆[M].北京:化学工业出版社,2004:391—395.
[2] 钱逢麟,竺玉书.涂料助剂[M].北京:化学工业出版社,1990.
[3] ANETTE LORK,INGEBORG KOEING—LUMER,HANS MAY—ER.Pintura de resina silicona:un en叫ado fino pero fnerte[J].Europen Coatings Journal,2002(9):25—32.
[4] A TOMANEK.Hi performance silicone—coated textiles:develop—ments and applications[J].Silicones& Industry Auflage,1990(133):8—10.
[5] HANS—MAYER.有机硅树脂在外墙涂料中作用机理的微观研究[J].上海建材,2003(3):11—14.

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