高光含氟外墙乳胶漆的研制

高光含氟外墙乳胶漆的研制

徐小东, 刘洪亮, 商 培, 董立志
(河北晨阳工贸集团有限公司, 河北徐水072550)

随着国民经济的飞速发展, 人们生活水平的提高, 环保意识的不断增强, 各国对VOC 含量限制日益严格, 均对建筑涂料提出了更高的要求。水性外墙含氟乳胶漆, 解决了外墙涂料的耐候性差等多种问题, 推动建筑涂料实现环保化、多功能化和高性能化。本研究探讨了含氟外墙乳胶漆光泽的影响因素, 并在优化其他性能方面做一简单的探究。

1 实验研究
11 实验材料
成膜物质: 含氟乳液( 北京宝威的PF- 1、北京恒瑞硕源的CYWF- 20和CYWF- 10、江阴国联的GHSF- 30 ); 纯丙乳液2800: 国民淀粉的; 颜填料: 碳酸钙、高岭土、滑石粉、金红石型二氧化钛( R- 699、R- 818、R – 706、R- 930、CR- 828); 助剂: 防腐杀菌剂、分散剂、消泡剂( 蜡类消泡剂AGITAN – 202、金属皂类D420、硅油类F111, 聚硅氧烷类BYK020 和BYK028)、润湿剂、增稠剂(圣诺普科的SN – 612、高帝斯的COAPUR- 2025)、成膜助剂(伊士曼醇酯- 12、BL- 588、HY -1800、TM – 2)、防冻剂、助溶剂等。

12 实验仪器
高速分散机; 紫外加速老化试验箱; 建筑涂料耐洗刷仪;反射率测定仪; 斯托默黏度仪; 最低成膜温度仪; BYK 光泽测定仪等。

13 配方设计
含氟外墙乳胶漆按照光泽分为有光、半光、丝光、平光, 其中高光乳胶漆的60 光泽需大于85。通过实验对几种乳液和二氧化钛进行筛选。最终选择了性价比高的含氟乳液和二氧化钛, 随后采用正交试验确定各种助剂、助溶剂、颜料在涂料配方中的含量(以质量份计): 水( 80 ~ 100 份); 乙二醇( 20 ~25份); 分散剂( 6~ 8份); 润湿剂( 1~ 2份); 聚硅氧烷消泡剂( 1~ 2份) ; Amp- 95( 0􀀁5~ 1份); 防腐杀菌剂( 1~ 2份) ; R -828( 250~ 300份); PF- 1含氟乳液( 500~ 550份); 纯丙乳液( 50~ 100份) ; 醇酯- 12( 20~ 25份); 聚硅氧烷消泡剂( 1~ 2份) ; Amp- 95( 1~ 1􀀁 5份); 水(补足余量至1 000份); 增稠剂SN- 612( 1!2) 适量; 增稠剂COAPUR- 2025适量。

14 上述配方性能测试
按照《水性建筑外墙氟碳涂料标准的征求意见稿》制备样板并测试其具体性能, 如表1所示。
表1 性能测试结果

2 结果与讨论
21 乳液的选择
211 含氟乳液的筛选
有机氟聚合物具有优异的耐热性、抗氧化、耐UV的特性、耐沾污和耐擦洗性。由于与有机物不相容, 涂膜有良好的耐有机溶剂性能; 反射系数低, 折光指数高, 使其具有独特的光学性能[ 1] 。含氟乳液中最重要的一项指标氟含量, 直接影响涂膜的耐候性, 用不同牌号、不同氟含量的含氟乳液(氟含量为8%的PF- 1, 氟含量为12%的CYWF- 10, 氟含量为15%的GHSF- 30, 氟含量为20%的CYWF- 20) 的耐候性实验, 结果如图1所示。

由图1可知, 氟含量越高, 涂膜耐候性越好。但是随着氟含量的增加, 含氟乳液的价格也在增加, 根据实际需求可开发不同档次的含氟外墙乳胶漆, 现以低成本的含氟丙烯酸酸类PF- 1乳液举例, 性能完全能够达到普通外墙使用要求, 氟含量为8%左右。
212 涂料PVC 的确定
控制好PVC(颜料体积浓度) 是提高光泽的关键, 高光乳胶漆的PVC应在8% ~ 18%之间, 涂膜光泽随PVC 的增加而降低, 但是也不能过低, 否则不能获得必要的遮盖力[ 2] 。图2为不同PVC含量对涂膜光泽和遮盖力的影响。

由图2可知, 随着PVC的增加, 涂料光泽逐渐降低, 而遮盖力逐渐增加, 但遮盖力达到一定程度后增加不明显; 最适宜的PVC为17%, 从而确定配方乳液量为60%, 二氧化钛用量为25%。

213 混配低成本乳液
为了在不改变其他性能的前提下, 节约成本, 提高光泽,混配了一定量的2800纯丙乳液。加入2800纯丙乳液有利于提高涂膜的光泽和耐水性[ 3] , 但对耐侯性能有负面影响, 含氟乳液和2800纯丙乳液的质量比对涂膜光泽和耐人工老化性的影响见图3、图4。

由图3、图4可知, 随着2800乳液用量的增加, 涂膜光泽逐渐增加; 但耐候性降低, 逐渐与纯丙乳液的耐候性接近。综合考虑光泽和耐候性, 确定m ( PF- 1 ) :m ( 2800乳液) = 500:100, 此时基料氟含量降为6.5%。

22 颜填料的选择
颜填料的种类、结构、粒径均直接影响光泽。如加入云母、硅灰石粉、滑石粉等片状、纤维状的结构填料吸油量高、容易消光。这是因为二氧化钛粒径小、吸油量低, 而加入云母、重钙或滑石粉等填料, 其平均粒径增大, 粒径分布变宽, 涂膜表面粗糙度增加, 对光易形成散射, 故涂膜光泽降低[ 4]。为保证体系的稳定性和高遮盖力, 只选用二氧化钛。不同牌号的二氧化钛对涂膜性能的影响见表2。
表2 不同二氧化钛对涂膜性能的影响

由表2可知, 选择易分散、光泽好、遮盖高、粒径分布集中并且价格适中的科美基CR- 828二氧化钛, 能优化外墙乳胶漆的性能, 而且经济实用。
23 消泡剂的选择
加入表面活性剂、加水稀释、高速搅拌等过程中经常会产生气泡, 这些气泡如果不及时消去就会造成针孔等涂膜弊病,导致涂膜不平整, 对光的反射能力降低, 光泽下降, 所以高光含氟乳胶漆的消泡问题是至关重要的。不同消泡剂对涂膜光泽的影响见图5。

由图5可知, 蜡类消泡剂AGITAN – 202光泽最低, 其次是金属皂类D420 和硅油类F111, 光泽最高的为聚硅氧烷类BYK020和BYK028。因此在高光乳胶漆配方中不使用蜡类、矿物油类或金属皂类消泡剂, 因为其与水溶液不相容, 涂料聚结后和水挥发后在干膜中的相容性不同, 浮在涂膜表面会造成光泽下降。所以本体系选择硅氧烷类, 因为其与泡沫介质具有相当程度的不相容性, 同时与典型的漆料具有一定的相容性, 这样使消泡剂具有很高的消泡性能, 同时又将缩孔减少到最低程度, 致密均匀的涂膜有利于光泽的提高[ 5] 。
经实验得出, BYK028 在研磨前期和后期加入均可,BYK020只能在前期加入, 并且BYK020 加入量控制难度大,极易产生缩孔; 而BYK028添加容易、长效性好, 可避免在刷涂辊涂过程中产生气泡。

24 成膜助剂的选择
成膜助剂在乳胶漆成膜过程中起临时增塑的作用。首先, 成膜助剂与乳液要有很好的相容性, 与水不相容, 能吸附在乳胶粒子的表面, 否则溶解在水中或存在水与乳液中间, 在成膜时不能完全挥发, 影响硬度、耐水、耐沾污和光泽等[6] 。其次, 要有适宜的挥发速度, 保证开放时间, 并且吸附在乳胶粒子表面时不影响乳液的稳定性, 避免破乳和成膜助剂残留涂膜中, 否则也会直接影响涂膜的性能和光泽等。不同分散剂的分散效果和稳定性如表3所示。
表3 不同分散剂的分散效果和稳定性

由表3可知, 由于2种乳液的混配应用, 对成膜助剂的选择有了更高的要求, 通过系列对比实验, 筛选出伊士曼醇酯- 12。

25 润湿分散剂和增稠剂的选择
251 润湿分散剂的选择
润湿剂对耐水性有负面作用, 在保证润湿效果和辅助分散的前提下尽量减少其用量。选用有机高分子分散剂能消除小分子分散剂带来的弊病, 还有利于提高光泽[ 7] 。良好的润湿分散作用是涂料高附着力、高遮盖力、高光泽和高稳定性的基础, 选用不同牌号的等量分散剂测试分散效率和贮存稳定性, 结果见表4。
表4 不同分散剂的分散效果和稳定性

由表4可知, 快易和P30聚合物钠盐分散剂分散效率高、稳定性好; 聚合物钾盐BR3和铵盐E80的分散效率可与钠盐相媲美, 而E80的分散效率和稳定性明显高于铵盐类分散剂SN- 5027和DA – 40, 因为E80活性物含量为40% , 改善了铵盐类分散剂分散效率和贮存稳定性差的问题。在良好分散效果的基础上, 探索几种分散剂对涂料耐水耐碱性的影响。
图6为不同分散剂对涂料耐水、耐碱性的影响。

由图6可知, 添加聚合物铵盐分散剂的涂料的耐水、耐碱性明显好。这是因为成膜后铵盐分散剂随着水分的蒸发, 体系pH 升高使铵盐分散剂以氨气的形式挥发, 并生成有机高分子聚合物留在涂膜内, 而变成疏水性物质。
综合考虑, 本涂料体系选用聚合物铵盐分散剂E80。
252 增稠剂的选择
水性涂料中加入增稠剂控制黏度, 降低颜填料沉降速率,而且沉淀松散易搅匀, 防止颜色不均, 保证涂料的贮存稳定性和易施工性[ 8]。但是纤维素和碱溶胀型增稠剂易消光, 所以在此体系中选择聚氨酯型增稠剂, 其能与乳胶粒子缔合, 不产生体积絮凝, 因而可使涂膜光滑, 同时流平性好, 能有效提高光泽; 并且要保证与分散剂搭配好, 防止产生絮凝导致流动性及光泽下降; 要同时提高中低剪切黏度来保证贮存稳定性, 维持高剪切黏度保证施工性能。在低PVC 的乳胶漆中, 由于乳液含量高, 需将黏度曲线不同的聚氨酯缔合型增稠剂配合使用, 以达到贮存、施工、流平等性能的需求。
图7、图8分别为SN – 612、COAPUR- 2025对黏度和光泽的影响。

由图7可知, SN- 612主要增加中低剪切黏度, 有利于涂料的贮存稳定, 但单独使用时辊涂易飞溅, 其加入量对光泽几乎无影响; 由图8可知, COAPUR – 2025主要增加高剪切黏度, 对低剪切黏度贡献小, 不能提高涂料的贮存稳定性, 对光泽影响不大, 而有利于涂料的施工性、饱满度和流平性。

实验优选出SN- 612与COAPUR – 2025搭配使用的增稠体系, SN – 612的量控制在0. 08% ~ 1.0) , 并且加入前与水按比例1!2稀释; 加入适量的COAPUR- 2025保证最终涂料的低剪切黏度为5 ~ 6 Pa( s, 中剪切黏度适中, 这样有利于贮存和施工; 此搭配使光泽达到要求, 而且不影响贮存和施工性能, 并且加量少对涂膜的其他性能影响甚微。

3 结 语
( 1)通过混配纯丙乳液来降低成本, 同时提高了涂料的光泽; 通过试验选择合适的比例与含氟乳液混配, 所制备的含氟外墙乳胶漆具有较好的耐候性、耐水耐碱性和普通涂料的经济实用性。
( 2)铵盐分散剂的正确选择有利于提高涂料的耐水耐碱性和光泽, 并且E80 的分散效率和稳定性明显优于其他铵盐分散剂; 同时在此体系中还要综合考虑分散剂与增稠剂的搭配问题, 最终选用聚氨酯类增稠剂与丙烯酸共聚物分散剂搭配使用[ 9] , 以利于光泽的提高和体系的稳定。
( 3)消泡剂的选择对于高光涂料尤为重要, 聚硅氧烷类的消泡剂代替硅油类消泡剂会使光泽大幅提高。
( 4)选择颜填料不仅要考虑粒径的合理搭配, 保证涂膜的力学性能, 还要选择对光泽无影响的吸油量低的颜填料; 综合考虑遮盖力因素, 选择易分散, 经过包膜处理的二氧化钛, 制备的涂料具有高光效果, 贮存稳定性好。
( 5)本涂料具有优良的耐候性、耐酸、耐碱、耐水性以及高光泽、高遮盖力、高性价比等, 提高了其经济实用性并有利于推广使用。

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