水性木器涂料用酞菁蓝色浆的研制

水性木器涂料用酞菁蓝色浆的研制

曾羽燕, 张旭东, 曾秀娜, 董 凡 (湖南大学化学化工学院, 长沙410082)

0 引 言
涂料配色工艺由颜料粉调色转变为色浆调色使涂料工业发生了根本性的变化。色浆调色工艺克服了传统色漆生产工艺的众多弊端, 如颜色品种简单、重复性差、研磨分散效率低,生产能力小, 调换品种、花色时清洗设备工作量太大等, 可以最大限度地满足市场多种色漆的需求, 提供个性化颜色服务,并且适用于色漆的远距离调色[ 1] 。现代调色系统主要由调色色浆、调色机、混匀机、颜色管理软件和色卡组成, 其核心是调色用色浆。

涂料水性化是涂料发展的主要方向之一, 目前建筑乳胶漆已得到广泛应用, 水性木器涂料市场也正在成长之中。用于建筑乳胶漆的水性色浆目前主要来自瑞士C lariant( 科莱恩)、德国Degussa( 德固赛)、芬兰CPSCOLOR(希必思)等外国公司, 国内也有相应专利报道[ 2- 4] 。但由于水性木器涂料对硬度、细度、成膜性、附着力等性能具有更高要求, 现有的乳胶漆色浆难以满足, 因此必须研制木器涂料专用的水性色浆, 而目前鲜见此类研究报道。

酞菁蓝是涂料配色三原色之一, 在水性木器色漆的配制中不可缺少。本文研制了可用于调制水性木器色漆的酞菁蓝色浆, 研究了颜料、润湿分散剂、消泡剂、防冻剂、防霉杀菌剂等原料对色浆及色漆产品性能的影响。

1 实验部分
1. 1 原料
研制水性酞菁蓝色浆所用主要原料如表1所示。
表1 实验原料

1. 2 色浆及色漆的制备
在高速分散机分散罐内加入计量的去离子水, 启动分散机, 将转速调至1 000 r /m in左右, 依次加入计量的润湿分散剂、消泡剂(部分)、防冻剂、杀菌剂, 转速提至1 500 r /m in, 分散5~ 10 m in; 转速降至1 000 r /m in左右, 于搅拌轴处缓慢加入计量的颜料粉, 加料完毕后转速提至3 000 r /m in左右, 分散30~ 40 m in; 补加剩余消泡剂后, 200 r /m in消泡10 m in停机;进一步在三辊机上研磨3~ 4 次至细度30 um以下, 用氨水调节pH 为8. 0~ 9.0; 过滤得水性酞菁蓝色浆。以自制的PUEA( 环氧改性聚氨酯- 丙烯酸酯乳液)为基料, 添加润湿剂、分散剂、消泡剂、成膜助剂、碳酸钙、滑石粉等预分散后, 于三辊机上研磨至合格细度得到水性木器透明基础漆。将水性酞菁蓝色浆与基础漆按一定配比低速分散制得水性酞菁蓝色漆。

1. 3 检测方法
由于目前尚无木器涂料用水性色浆标准, 因此参照HG /T3828- 2006 《室内用水性木器涂料》标准[ 5]和GB /T3591- 2007《建筑涂料用水性色浆》标准[ 6] , 对配制的木器涂料用水性酞菁蓝色浆的性能进行检测, 色浆配成的色漆参照HG /T 3828-2006 《室内用水性木器涂料》标准进行检测, 具体项目和方法见表2。采用日本尼康TE300 倒置荧光显微镜对色浆的分散形貌进行表征。
表2 色浆性能检测方法

2 结果与讨论
2. 1 颜料的选择
酞菁蓝颜料具有色彩鲜明, 着色力强, 耐光、耐热、耐酸碱性好等特点[ 7] , 但由于其分子结构的特殊性(四周为苯环, 无极性基团), 为非极性颜料, 是最难分散的有机颜料。为了提高颜料在水中的分散性, 通常需对颜料进行表面处理。不同厂家的颜料其表面处理方式不同, 一般情况下国产颜料的表面处理效果不如进口的, 分散性和稳定性较差, 但在价格上具有很大优势。如果通过选择合适的润湿分散剂等能有效解决分散性和稳定性问题, 则采用国产颜料往往是有利的。本实验采用丹尼尔流动点法[8- 9] 针对3种国产酞菁蓝BGS进行实验, 选用的H ydropa lat 1080 和TEGO D isper 760W 是对有机颜料具有优异分散性能的分散剂, 结果如表3。
表3 酞菁蓝颜料的选择

从表3看出, 上海染化一厂的酞菁蓝达到完全流动所需分散剂H ydropa la t 1080和TEGO Disper 760W 的用量均比湖南三环和广州正盟的少, 这说明上海染化一厂的酞菁蓝BGS相对其他两种具有更佳的润湿分散性, 因而本研究选用其作为色浆的主料。

2. 2 润湿分散剂的选择
水性色浆是一个热力学不稳定体系, 随着时间的推移, 原分散的初级粒子在范德华力、静电力和空间位阻力的综合作用下, 会相互吸引逐渐形成聚集体或聚结体[ 10- 11] , 根据stoke公式

可知, 颜填料粒子的沉降速度v与其粒子半径a的平方成正比, 粒径增大, 沉降会加剧[12]。使颜填料粒子充分润湿并稳定地分散在体系中, 尽可能地降低其沉降速度, 润湿分散剂具有决定性作用。

2. 2. 1 润湿分散剂种类的选择
选择SN – D ispersant 5029、H ydropa la t 1080、BYK – 190、D ispersogen 2774、D ispersogen DIP 和TEGO D isper 760W 6种润湿分散剂进行对比实验, 分散剂用量为各自丹尼尔流动点用量的2 5倍, 结果见于表4。
表4 分散剂种类对色浆产品性能的影响

从表4看出, D ispersogen 2774、D ispersogen DIP配制的色浆的初始细度和贮后细度较差, BYK – 190配制的色浆的初始细度较好但贮后细度变差, 稳定性不好, 综合考虑贮存稳定性、初始细度、贮后细度因素, SN – Dispersant 5029和H ydropa la t 1080对酞菁蓝BGS在水中的分散效果较理想。在水性色浆制备中为达到最佳稳定, 通常将阴离子型分散剂和非离子型分散剂复配使用, 因为阴离子分散剂提供双电层稳定效应, 而非离子型分散剂产生空间位阻效应, 这两种效应的共同作用将使色浆中颜料粒子处于最佳的悬浮状态[ 13] 。上述两种分散剂中, H ydropa lat 1080为非离子型, SNDispersant5029为阴离子型, 将两者按丹尼尔流动点用量1#1复配, 用量为各流动点的1. 25倍, 分散实验结果如表5所示。
表5 分散剂的复配对色浆产品性能的影响

从表5看出, SN- D ispe rsant 5029与H ydropa la t 1080复配的分散效果较单独使用时好, 贮存稳定性得到改善, 并且贮后细度不超过30 m。H ydropalat 1080为非离子型分散剂, 活性成分为油酰基环氧烷烃嵌段共聚物, 在颜料的分散过程中, 该共聚物分子的一部分牢牢地锚固在颜料粒子上, 而另一部分(亲水链段)则伸展在水中, 聚合物分子的存在使颜料周围产生一种空中位垒效应, 又称空间位阻效应, 该效应可阻止颜料粒子相互靠近碰撞而沉降, 分散剂的相对分子质量愈大, 这种空间位阻效应愈明显。而SN- Dispersan t 5029为聚羧酸铵盐类阴离子型分散剂, 通过在颜料表面的吸附使带电荷的一端渗入水溶液中, 带电离子包围颜料颗粒, 能够排斥区域内带同种电荷的颜料颗粒从而阻止颗粒之间相互接近, 这种效应被称为双电层效应。SN- D ispersant 5029 与H ydropa lat 1080复配后, 双电层效应和空间位阻效应共同作用, 被分散的颜料粒子不易聚集, 因此色浆的细度更小, 稳定性更好。
2. 2. 2 润湿分散剂用量的确定
润湿分散剂用量过少时, 不足以在颜料表面形成完整的吸附层, 颜料表面未被分散剂覆盖的部分为减少表面能量而聚集, 会导致色浆返粗, 遮盖力及流动性差, 黏度高, 稳定性差, 甚至出现预分散阶段难以分散等问题。但如果用量过大,不仅造成浪费, 而且过量的分散剂游离在体系中, 易与已经吸附在颜料粒子表面的分散剂相互缠结, 在外力作用下易造成分散剂从颜料表面脱落, 从而导致稳定性下降、流动性变差、遮盖力变差等问题[ 14] , 此外, 分散剂的过量还会影响涂料的耐水性。本实验以丹尼尔流动点用量的1~ 3倍进行实验, 分散剂用量对产品性能的影响见表6。
表6 分散剂( SN- D ispersant5029 + H – ydropalat1080)用量对色浆产品性能的影响

注: 遮盖力、耐水性由色浆与基础漆以8#92的质量配成色漆后测得。遮盖力数值越大, 遮盖性能越差。
从表6看出, 1倍用量时色浆呈膏状无法流动, 随着分散剂用量的增加, 流动性、细度、遮盖力和贮存稳定性明显改善,但当用量增至3 倍时, 遮盖力反而有所下降, 并且耐水性很差, 此时分散剂已超过最佳用量, 最终确定分散剂用量为丹尼尔流动点用量的2.5 倍( 5.63%, 分散剂液体添加量/颜料质量)为宜。

2 3 消泡剂种类和用量的选择
水性色浆在生产过程中由于各种原因会产生大量的气泡,如润湿分散剂的加入, 高速分散时空气的引入等, 若不使用合适的消泡剂, 大量的泡沫会使剪切力无法传递给颜料, 导致颜料分散不充分, 严重影响色浆的质量, 因此水性色浆配方中需加入消泡剂来消除已产生的气泡或者抑制气泡的产生[ 15]。选择FoamS tarA34、DCF 328、SN- DEFOAMER 154 3种消泡剂进行实验并与未加消泡剂进行对比。实验采用密度法, 在分散机转速约1 000 r /m in的水中依次加入分散剂( SN- D ispersant5029 + H ydropa la t1080、防霉剂( AF- 252)、防冻剂丙二醇,分散5 m in; 加入颜料(占30% ), 3 000 r /m in分散10 m in; 加入相同量(配方总量的0 8% )的消泡剂分散3 m in; 马上用密度杯测量物料密度d0 (称为初始密度), 30 m in后再测其密度d1 (称为30 m in后密度)。密度值越大, 则说明使用该种消泡剂产生的气泡越少, 消泡效果越好。实验结果如图1所示。

从图1可以看出, 未加消泡剂时, 色浆密度很小, 说明分散过程产生了大量气泡, 加入消泡剂后密度明显增大, 以FoamStar A34 效果最明显, SN- DEFOAMER 154次之。Fo amStar A34为特殊分子结构的消泡物质FoamS tar与聚硅氧烷合成的新型消泡剂, 不含矿物油, 具有持久的消泡能力, 选择其作为本体系的消泡剂。消泡剂用量的确定应该考虑消泡性和相容性之间的平衡, 既要有高的消泡效率又不应该引起涂膜缩孔等相容性不良问题。Foam Star A34 用量对产品性能的影响如表7和图2所示。
表7 消泡剂用量对色浆及漆膜性能的影响


从表7和图2可以看出, FoamStar A34的用量在0. 3% 和0.5%时消泡效果不明显, 当用量增至0. 8% 时, 消泡效果明显增强, 已可满足生产和施工要求, 此时无涂膜缩孔。
2. 4 防冻剂的选择
体系的冻融稳定性与冰点有关, 冰点越低, 冻融稳定性越好。水性色浆以水为分散介质, 水的冰点高, 常压下在0 ºc 会结冰, 这对水性色浆在冬季的运输、贮存和使用带来不便。尽管随着各配方组分的加入, 体系的冰点会有所下降, 稳定性有所改善, 但仍然不能满足要求, 故需要添加防冻剂使其稳定性进一步提高。常用防冻剂有丙二醇、乙二醇和二醇醚类等。考虑环保因素, 选择丙二醇作为体系的防冻剂进行实验, 其用量对产品性能的影响如表8所示。
表8 丙二醇用量对色浆冻融稳定性的影响

注: 冻融稳定性为色浆在- 18 ºc 下放置17 h 后于空气中室温解冻6 h后测定, 其中絮凝程度为解冻后产品在容器中的状态, 涂布外观为色浆涂刷在透明玻璃板上外观。
添加丙二醇后, 冻融稳定性明显改善, 并且随丙二醇用量的增加越来越好。但有机溶剂的加入均会提高产品的VOC含量, 本研究中将丙二醇的量控制在10%左右, 既保证其良好的冻融稳定性, 又不致过多提高VOC。

2. 5 其他助剂的选择
水性色浆由颜料、助剂、水等很多物质组成。许多物质往往是一些微生物的营养源。因此, 需在水性色浆中添加适量的防霉杀菌剂来抑制微生物的生长繁殖, 保护色质不受到破坏。本体系采用A lex F- 252, 它是一种无溶剂广谱高效防腐防霉杀菌剂, 主要成分为1, 2 – 苯丙异噻唑啉- 3- 酮, 对细菌、酵母菌、霉菌均有良好的抑制作用, 用量为配方的0. 2%(质量分数)时即可达到良好的防霉效果。
水性色浆的pH 对稳定性、抗菌性和消泡的难易等都有影响, 通常控制在8~ 10。常用的pH 调节剂有AMP- 95、氨水、NaOH 以及KOH 等。本体系采用氨水, 因为氨水具有挥发性,相对于NaOH、KOH 而言不会对色漆涂膜的耐水性造成影响。

2. 6 酞菁蓝水性色浆分散形貌
采用日本尼康TE300 倒置荧光显微镜对色浆的分散形貌进行表征。结果显示研制的酞菁蓝水性色浆中颜料粒子分布均匀, 基本无团聚, 说明本体系配方可行。

2 7 色浆性能检测
根据上述实验研究所确定的各组分及其用量, 配制酞菁蓝水性色浆, 参照GB /T3591- 2007 建筑涂料用水性色浆》标准进行性能检测, 检测结果见表9。

根据检测结果可以看出, 本研究获得的酞菁蓝水性色浆的各项性能均达到相关标准要求。
用上述水性色浆与自制的水性木器基础漆配制色漆, 参照HG /T 3828- 2006 室内用水性木器涂料》标准进行测试,各项指标均达到标准要求。

3 结 语
( 1)上海染化一厂的酞菁蓝BGS是适用的颜料。
( 2) SN- D ispersant 5029、H ydropa lat 1080这2种润湿分散剂对酞菁蓝BGS 分散效果较好; 阴离子型的SN – D ispersant5029和非离子型的H ydropa lat 1080复配后的润湿分散性较单一分散剂提高。
( 3)消泡剂FoamStar A34 在该体系中具有较高的抑泡和消泡效果, 用量控制在0..8%左右较适宜。
( 4)随丙二醇用量的增加体系的冻融稳定性提高, 综合考虑稳定性和VOC, 丙二醇用量控制在10%左右为宜。
( 5)酞菁蓝水性色浆固含量35.62%, 细度20 um, VOC含量112 g /L, 用其配制的水性木器涂料达到有关标准要求。

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