乳胶涂料用助剂的作用及其选择

 乳胶涂料因具有环境污染小、施工操作方便、节省有机溶剂等优点,所以在建筑、工业和汽车等领域的应用越来越广泛。乳胶涂料一般由水性聚合物乳液、颜填料的水分散体及助剂组成。目前,乳胶涂料生产用助剂的种类较多,主要有成膜助剂、增稠剂及保护胶、润湿剂、分散剂、消泡剂、防冻剂、流平剂、防霉剂及防腐剂、中和剂等。助剂虽然在乳胶涂料中所占的质量百分比不大,但其与涂膜性能密切相关。因此,了解各种助剂的作用并合理选择是非常重要的。

1  成膜助剂
成膜助剂的作用原理与增塑剂类似,用以降低聚合物的Tg 。当乳胶粒子变形成膜过程完成后,成膜助剂能以较快的速度从涂膜中挥发出去,使聚合物Tg值恢复至初始值以保持涂膜应有的机械强度和硬度。如果涂膜层很厚或成膜助剂加入量过大,成膜助剂将很难完全挥发,残留在涂层中的成膜助剂会充当涂膜的永久增塑剂,使涂膜变软。根据成膜助剂自身的疏水/ 亲水性,可将其分为三类。第一类为疏水性烃类成膜助剂,如芳香烃、石油溶剂油、松节油、双戊烯、十氢萘等。虽然该类成膜助剂成本低,但却是一类低效成膜助剂。增大乳胶涂料中烃类成膜助剂的浓度,会降低涂料光泽,增大涂料气味。第二类成膜助剂亲水性强于纯烃类成膜助剂,可使乳液涂膜聚结良好。目前应用较好的是Texanol ○R Ester Alcohol ,其成分为2 ,2 ,4 —三甲基—1 ,3 —戊二醇单异丁酯。除此之外,还有乙二醇单丁醚、一缩二乙二醇单丁醚、醋酸乙氧基乙酯、醋酸丁氧基乙酯、丁氧乙醇等。第三类为亲水性成膜助剂,如乙二醇乙醚、己二醇、乙二醇等。这类成膜助剂的效果不太理想,常用于改善乳胶的冻融稳定性及充当湿边助剂。乳液中成膜助剂的加入量一般为3~5 %[1 ] 。随着成膜助剂的用量增加,乳胶涂料的最低成膜温度会逐渐降低。而且不同的成膜助剂在不同的聚合物乳液体系中活性也不相同。如在苯—丙乳液中,二乙二醇丁醚醋酸酯的效果优于Texanol ○R ,但在纯丙乳液体系中则不然。有时为使涂膜性能更好,可将两种成膜助剂复合使用。

2  增稠剂和保护胶
增稠剂能调节乳胶涂料的粘度或流变性,降低颜填料沉降速度,并使颜填料沉淀松散,易于再搅拌形成均匀的涂料组分。有些增稠剂还可使乳胶涂料具有触变性,施工时涂刷省力,又减少涂抹时的滴流和流挂,保证涂层的外观和质量。增稠剂与表面活性剂类似,有阴离子、阳离子和非离子三类。在乳液中使用不同离子型的增稠剂会改变乳液的电荷性质,对已存在于乳液体系中的乳化剂发生影响。因此,选择不当将会严重破坏乳胶涂料的稳定性。乳胶涂料用增稠剂的品种很多,主要有无机化合物增稠剂(膨润土、胶态二氧化硅等) 、天然高分子衍生物增稠剂(纤维素类、明胶等) 以及合成高分子化合物增稠剂(聚丙烯酸、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺等) 。其中,应用最广泛的是水溶性纤维素类衍生物、丙烯酸以及缔合型聚氨酯3 类产品。

2. 1  水溶性纤维素类衍生物
因为带有羟基的大分子链,既能与水分子发生强烈的水合作用又能产生分子链间缠绕,从而增加水相粘度[2 ] 。此类增稠剂有羟乙基纤维素、甲基纤维素、羧甲基纤维素、羟丙基纤维素、羟丁基甲基纤维素等品种。它们多以粉状形式存在,应用时常和颜料一起研磨成颜料浆。也有以液体形式供应的纤维素产品,其水溶液的浓度通常在2~5 %之间。该类增稠剂中,最常用的是羟乙基纤维素(HEC) 。根据粘度的不同,有不同的规格,如美国联碳(Union2Carbide) 公司生产的Cellosize QP 系列及美国阿克隆(Aqualon) 公司生产的Nat rosol 250 系列。纤维素类增稠剂增稠效率高,对涂料配方的限制少;受乳胶类型及分散剂、表面活性剂的影响小;在广泛的pH 范围内(3~11) 其粘度稳定。纤维素类增稠剂的普遍缺点是易被微生物降解和发霉,并且随着纤维素相对分子量的增加,乳胶涂料的飞溅性增加[3 ] 。

2. 2  丙烯酸类
此类增稠剂需调节PH 值至碱性,使羧酸根离解。通过羧酸根离子间的同性静电斥力使分子链由螺旋状伸展为棒状,提高水相当黏度[2 ] 。主要品种有聚丙烯酸盐、聚甲基丙烯酸盐。丙烯酸类增稠剂的最大优点是与乳液,尤其是丙烯酸乳液相容性好,所增稠的乳液容易成膜,涂膜平整而且不会被消光,适用于有光乳胶涂料的制备。该类增稠剂具有不易发生微生物降解的优点。

2. 3  缔合型聚氨酯类
它是非离子憎水改性环氧乙烷聚氨酯嵌段共聚物。在乳胶涂料水相中像大分子表面活性剂,可以形成胶束,亲水端与水分子以氢键缔合,疏水端与乳胶粒子、表面活性剂的憎水结构以分子间配向效应吸附在一起,在水中形成立体网状结构[4 ] 。同时,分子中氨基( – NH2) 基团增加了增稠剂分子和颜料粒子的氢键力,使乳胶涂料具有一定触变性,有利于施工。最常用的品种是憎水改性的乙氧基化聚氨酯及相似的含脲、脲- 氨酯及醚键的氧化乙烯/ 氧化丙烯。

3  润湿剂
乳胶涂料的制备主要是基料与颜填料的分散问题。首先要实现颜填料被基料润湿,然后是颜填料粒子的均匀、稳定及充分分散。润湿剂可降低液体和固体表面之间的界面张力,使固体表面易于为液体所润湿,使基料与颜填料表面得以充分接触。常用乳胶涂料润湿剂与乳化剂属于同一范畴的表面活性剂,多为阴离子或非离子表面活性剂。此类表面活性剂型润湿剂品种很多,如二烷基磺基琥珀酸盐、烷基萘磺酸钠、聚氧乙烯烷基酚醚等。美国Rohn and Hass 公司的Triton CF – 10 是一个应用效果较好的低发泡润湿剂。它是辛基酚环氧乙烷缩合物的苄基醚,属于非离子型表面活性剂,用量大约为乳胶涂料总量的1 %。

4  分散剂
分散剂使被润湿的颜填料粒子稳定地分散,提高固体粒子在液体中的悬浮性能,使颜填料分散体系在相当长时期内处于相对稳定状态,避免颜填料的絮凝、结块。分散剂分为两大类,即无机分散剂和有机分散剂。无机分散剂中包括磷酸盐、硅酸盐等,使用最多的是六偏磷酸钠,其次是多磷酸钠、多磷酸钾、焦磷酸四钙等。有机分散剂中包括聚丙烯酸盐类、聚异丁烯顺丁烯二酸盐类等。有机分散剂的分散效果通常好于无机分散剂。特别是对于低极性、易絮凝、难分散颜料(如酞菁蓝、酞菁绿及碳黑等) 更为适用。分散剂用量一般为所用颜填料量的0. 4 %左右。

5  消泡剂
由于在乳胶涂料中加有多种表面活性剂,因此,在其生产制备和施工过程中很容易产生泡沫。泡沫的产生既不利于生产控制,也影响涂膜的外观和性能。消泡剂就是用来抑制涂料在生产中泡沫的出现及消除涂料成膜时出现的气泡。消泡剂必须能分布在整个涂料体系中,它的表面张力必须低于涂料体系的表面张力。消泡剂主要分为硅系、硅酮和非硅系三大类。应用最多的是硅系产品,如二甲基硅氧烷、乳化硅油、水性硅油等。有机硅消泡效果好,用量一般小于0. 05 %。非硅型消泡剂是极性有机化合物,如磷酸三丁酯、正辛醇、矿物油和脂肪酸盐混合物等,用量有时高达0. 5 %。

6  防霉剂和防腐剂
乳胶涂料由高分子乳液、颜填料、助剂等物质组成,这些物质往往是各种微生物的营养来源,在适当的潮气、温度下,细菌容易繁殖生长,造成乳胶涂料霉化、变质或者使乳胶涂膜出现霉斑、变色甚至起泡、脱落[5 ] 。因此,生产乳胶涂料的过程中,必须加入防霉剂和防腐剂。常用品种有2 – (4 – 噻唑基)- 苯并咪唑、甲氧甲酰氨基苯并咪唑、2 ,4 ,5 ,6 – 四氯苯二甲腈、氧撑双吩恶吡等,一般添加量为(0. 05~0. 1) %。

7  防冻剂和流平剂
防冻剂的作用是降低水的冰点,以利于乳胶涂料在低温下贮存。最常用的防冻剂有乙二醇、丙二醇及二醇醚类等,其用量常常结合流平剂统一考虑。流平剂的使用是避免涂料在成膜过程中失水太快,保证涂料良好的流平性。目前,以1 ,2 – 丙二醇应用最广,其用量对有光乳胶涂料可以高达12 %。丙二醇在涂膜形成后期和涂膜形成之后能缓慢地挥发出来,消除自身的影响。

8  中和剂
乳胶涂料的pH 值对体系的性能及稳定性有很大影响。中和剂可以使乳胶涂料的pH 值保持在一定的范围内。乳液聚合过程中常以Na2HPO4 、NaAc等作为中和剂来保证聚合过程顺利进行。乳胶涂料的pH 值通常用氨水或易挥发的有机胺来调节。

9  结论
各种助剂在乳胶涂料中的加入量虽然不多,但对乳胶涂料的生产、贮存、施工、成膜起着非常重要的作用,从而影响涂膜最终的物理机械性能和其他性能。每种助剂的选用及加入量取决于多种因素,我们应根据具体情况并结合实验综合考虑。

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