基料和颜料对乳胶漆光泽的影响
刘志权 甘复兴 (武汉大学环境科学系,430072)
沈 浩 (深圳市建材集团,518047)
1 前 言
光泽是观察者对物体表面反射光的一种感觉,要对它下一个确切的定义比较困难。已经发现[1 ] ,光泽与镜面反射和漫反射的相对含量密切相关,而镜面反射主要由折射率和光滑度决定。光泽计测量的结果以漆膜表面的正反射光量,与在同一条件下,标准板表面的正反射光量之比的百分数表示。在涂料工业中,不同的被涂物体、不同的使用目的和环境,对涂层的光泽要求不同。例如,轿车、飞机的外壳及有些建筑物的外墙,希望光泽越高越好,以显示它们豪华和高雅的气质;而学校、医院的建筑物,要求墙面光泽较低,使室内光线柔和,以提供安静、舒适和优雅的环境。本研究用涂料工业中常用的颜料(钛白粉、立德粉、铁红、重质碳酸钙、滑石粉、沉淀硫酸钡、云母粉) 和乳液[苯丙、壬丙(叔碳酸乙烯酯- 醋酸乙烯酯- 丙烯酸酯共聚物乳液) 、醋丙] ,探讨了不同颜料体积浓度(PVC) 及不同乳液对漆膜光泽的影响。
2 实验部分
211 原料和仪器
212 样品的制备
样品分为三类:第一类以苯丙乳液为基料,分别以钛白粉、立德粉、铁红为颜料,加入适量的助剂,配成颜料体积浓度( PVC) 分别为0 、5 %、10 %、15 %、20 %、30 %、40 %、50 %、60 %的三组样品。第二类以苯丙乳液为基料,钛白粉为颜料,分别以重质碳酸钙、滑石粉、沉淀硫酸钡、云母粉为填料,加入适量的助剂,配成PVC 分别为5 %、10 %、15 %、20 %、25 %、30 %、40 %、50 %、60 %的四组样品。在这些样品中,钛白粉的体积浓度均为5 % ,只改变填料的比例。第三类样品分别以苯丙乳液、壬丙乳液、醋丙乳液为基料,钛白为颜料,加入助剂后,配成PVC 分别为0 、
5 %、10 %、15 %、20 %、30 %、40 %、50 %、60 %的三组样品。配制涂料的步骤如下[2 ] :将成膜助剂、流平剂、分散剂、颜料和水按配方量加入容器搅拌均匀;将搅匀的颜料浆用砂磨机研磨分散约1 h ;颜料浆过滤后,边搅拌边加入乳液,调pH 值至7～8 ,加适量增稠剂搅匀,即得涂料样品。这些涂料样品所用助剂的种类及用量基本相同。
213 漆膜光泽的测量
按照GB 1727 —79 漆膜的制备方法,用刷涂法将涂料样品在打底的木板及玻璃板上涂2～3 道,自然干燥一周后,将涂在玻璃板上的漆膜浸水分离,干燥1 d ,用磁性测厚仪测漆膜的厚度(测10 个点,取其平均值) ,控制漆膜的厚度在40μm 左右。然后按照GB1743 —79 漆膜光泽测定法测量漆膜的光泽。
3 结果与讨论
Fresenel 研究了没有干扰表面层、非吸收材料光滑表面的镜面反射比R、入射角i 和折射率n 之间的关系如下[3 ,4 ] :
R平行= [ (cos i – (n2 – sin2i) 1/ 2) /
(cos i + (n2 – sin2i) 1/ 2) ]2 (1)
R垂直= [ (n2cos i – (n2 – sin2i) 1/ 2) /
(n2cos i + (n2 – sin2i) 1/ 2 ]2 (2)
式中,R平行是与入射面平行的偏振光的反射比,R垂直是与入射面垂直的偏振光的反射比。对非偏振光,总反射比为:
R = 1/ 2 (R平行+ R垂直) (3)
用(1) 、(2) 和(3) 式,在不同的入射角下R 对n 作图,可以发现镜面反射比随折射率和入射角的增加而增加,而且当i 大于40°时,R 增加很显著。由此可见,漆膜的光泽与原料的折射率有较大的关系。漆膜表面粗糙度对光线的镜面反射影响最大。有人得出了视觉能感受到光亮的漆膜表面最大粗糙度h 的允许值,与入射光波长λ和入射角i 之间的关系如下[4 ] :
h =λ/ cos i (4)
在本实验条件下,入射角为45°,入射光波长为0.65μm ,则漆膜表面允许的粗糙度约为0.92 μm。
如漆膜表面粗糙度小于0.92μm ,则漆膜表面光滑平整,呈高光泽;粗糙度大于0.92μm 时,则漆膜的光泽就低。乳胶漆中加入颜料时,漆膜折射率增大,按(1)～ (3) 式计算光泽应该增大。但由于颜料的加入使漆膜表面粗糙度增加,且大部分情况下粗糙度远大于h ,这对漆膜光泽的降低作用比折射率影响更大,因此实测漆膜光泽随PVC 的增加均逐渐降低。
图1 反映了以苯丙乳液为基料,钛白粉、立德粉、铁红的PVC 对漆膜光泽的影响。由图1 可见,在所有PVC 下,以钛白粉作颜料的样品漆膜光泽最大,而且随PVC 增加光泽降低较慢。这是由于钛白粉的粒径最小,而且经过表面处理,在乳胶漆中分散性好,使漆膜表面比较光滑。从颜料折射率来看,钛白粉、立德粉、铁红的折射率分别为2.76 、1. 84 、3. 01 ,钛白粉的折射率也比较大,有利于漆膜光泽的提高。立德粉、铁红样品漆膜的光泽随PVC 下降较快,PVC 小于25 %时,铁红样品漆膜的光泽较高; PVC 大于25 %时则相反。这是由于立德粉和铁红都没有经过表面处理,在乳胶漆中分散性不太好,使颜料絮凝体粒径增大,颜料表面吸附基料的量减少,漆膜表面粗糙度增加,光泽降低。低PVC 时,铁红的折射率较大及粒径较小起主要作用,导致漆膜光泽较高; PVC 较高时,铁红的密度大(ρ铁红= 5. 24 g/ cm3 ,ρ钛白= 4. 2 g/ cm3 ,ρ立德粉= 4. 3 g/ cm3 ) 及分散性较差起主要作用,使漆膜光泽降低。
图2 比较了以苯丙乳液为基料,钛白为颜料,重质碳酸钙、滑石粉、硫酸钡、云母粉为填料的PVC 对漆膜光泽的影响。重质碳酸钙、滑石粉、硫酸钡、云母粉的折射率分别为[5 ] : 1.65 、1.59 、1.64 、1.59 ,密度(g/ cm3) 分别为:2.71 、2.85 、4.35 、2.85 。经过制漆过程中约1 h 的研磨, 它们的粒径分别为: 10 μm、25μm、10μm、25μm。
由图2 可见,四组样品漆膜的光泽在各个PVC 下,变化不大。相对来说,重质碳酸钙和滑石粉样品漆膜的光泽好一些,而沉淀硫酸钡的则差一些。重质碳酸钙折射率大,粒径小,漆膜样品光泽较高在情理之中;滑石粉样品漆膜的光泽较好可能跟它与乳液的相容性好有关。从图2 还可看出,当填料粒径远大于表面粗糙度的允许值0.92μm 时,由于小粒径的基料粒子填充到大粒子空隙之间,颜料粒径间的差距对漆膜光泽的影响变小。
图3 比较了以苯丙、壬丙、醋丙乳液为基料,钛白粉的PVC 对漆膜光泽的影响。苯丙、壬丙乳液样品漆膜的光泽好一些,随PVC 的增加,光泽缓慢降低;醋丙乳液样品漆膜光泽较低(PVC 为0 时除外) ,且随PVC 增加光泽降低较快。这三组乳液样品折射率及粒径相差较小,漆膜光泽主要是由乳液与钛白的相容性决定。醋丙乳液样品放置一段时间(约2 个月) 后,
出现分层,说明醋丙乳液与颜料在此条件下相容性不太好,导致粒子变粗,漆膜粗糙度增加,表面光泽降低。另外,从它们的玻璃化温度来看(苯丙、壬丙、醋丙乳液的玻璃化温度分别为12 ℃、21 ℃、17 ℃) ,苯丙乳液的玻璃化温度最低,有利于粒子在常温下聚结,形成光滑的表面。至于助剂的选择问题,有待进一步的探讨。
4 结 语
要制得高光泽的乳胶漆膜,必须注意以下几个问题:第一,选择超细粒径、经过表面处理及分散性好的颜料;第二,选择成膜状况良好及与颜料相容性好的乳液;第三,使PVC 小于20 %;第四,选择合适的助剂。