粉体材料在涂料中的应用技术Ⅰ

1 引言
颜填料作为涂料中使用量最大的粉体材料,对改进、提升、创新涂料(涂膜)性能扮演着重要角色,颜填料在涂料中的应用技术引起广大关注。近年来,笔者从实例考量了颜填料的应用技术,已在涂料配方设计与涂料产品创新中起到积极推动作用。在掌握颜填料结构及基本性能基础上,合理运用颜填料的复配改性规则及协同效应,可提高研发效率,增加涂料产品技术含量及竞争力,拓展应用市场。

2 颜填料的基本性能
2.1 用于涂料的粉体材料
粉体材料包括有机粉体材料和无机粉体材料,广泛用于涂料、塑料、医药、日用品、化妆品和其他新材料等领域。用于涂料的粉体材料有颜填料(如着色颜料、效应颜料、防锈颜料、通用填料和功能填料等)、粉体助剂和纳米材料。
2.2 颜填料的基本性能
涂料配方设计中选用粉体材料是一种具有创新性和挑战性的研发工作,任何一类涂料产品都必须满足特定的服役环境和使用寿命要求。颜填料是涂料领域使用量最大的粉体材料,它可使涂料具有着色、遮盖、保护、装饰、防腐、耐温、增强、耐候、美化及改善生活环境等功能。涂料用部分颜填料性能列于表1。


注:①颜填料用量为涂料总质量中的百分比,由于多数涂料组成中是几种颜填料的复合,则实际用量应有所变动;
②尖晶石型混相颜料包括蓝色(钴蓝)、棕色(铬铁锌棕)、绿色(铬钴绿、钛钴绿)、黑色(铬铜黑);
③片状结构的特种硅酸盐包括白云母、绢云母及滑石片岩等片径厚为1 ~ 100 nm 的硅酸盐。

3 颜填料的复配改性技术
3.1 复配改性的特征
复配改性也称复合改性(或复合效应)。复配改性的主要特征是参与复配改性的基元组分间交叉渗透、正效应加和、改善性能、创新产品。实践表明,复配改性技术更新了材料应用理念,增加了产品技术含量,拓展了应用市场空间。颜填料的复配改性技术为选择确定涂料用颜填料体系提供了技术基础。
3.2 颜填料复配的规则
涂料服役环境及使用寿命是决定颜填料品种与复配体系的切入点。在掌握颜填料结构与使用性能基础上,恰当地取用品种与配比,注意调整颜填料的形态与粒度分布;考量颜填料体系与涂料其他组分的相容性、匹配性和稳定性,发挥不同颜填料间的正效应加和;合理掌控涂料中的颜填料体积分数(φP 或PVC),关注φP与涂料应用性能的关联度,采取防止颜填料粒子产生絮凝的有效措施;设定的复配颜填料体系应有利于涂料的制造、贮运、涂装及提升涂膜的应用效能等。
3.3 复配改性示例
近年来,在涂料配方设计时,对复配颜料体系进行优化整合,达到预想效果的示例如下。复配颜填料体系中各组分间配比为质量比。
3.3.1 耐酸耐蚀性复配颜填料
在设计高固体分油管内壁用耐蚀涂料配方时,采用耐酸耐蚀性复配颜填料组成是钛白粉∶滑石粉∶活性防锈颜料∶助防锈颜料∶重晶石粉∶石墨粉为1.0∶1.0∶0.6∶0.2∶2.1∶0.02。形成的涂膜具有优异的耐混酸(12%盐酸+3%氢氟酸)、耐硫酸、耐碱、耐盐水、耐污水、耐油、耐盐雾和耐高压碱水等特性,用于输油管和石油钻杆内壁防护、含酸碱盐等强腐蚀介质防护场所。
3.3.2 复配颜填料041
在输气管道内壁用减阻耐磨涂料中,采用复配颜填料041 的组成是氧化铁红∶沉淀硫酸钡∶滑石粉∶钛白粉为13.5∶12.6∶8.3∶15.0。形成涂膜的铅笔硬度不低于4 H,耐盐雾500 h、耐沸水煮7 d、耐3.5%盐水(60 ℃)30 d,耐磨性不大于3.5 mg,呈现优良的使用效果。
3.3.3 复配颜填料A(或D)
在设计单包装无溶剂环氧防腐涂料配方时,选择复配颜填料A 的组成是重晶石粉∶钛白粉∶滑石粉∶复合防锈颜料∶粉体助剂FE 为39∶19∶13∶16∶2。制造的涂料具有优良的贮存稳定性、施工性和固化性,涂膜成功通过耐硫酸、耐环己酮和耐高压碱水(试棒浸泡在pH 为12.5 的碱水中,在150 ℃,70 MPa压力下蒸煮16 h,涂膜表面无龟裂、无起泡、无脱落、防着性良好、底材无锈蚀)试验考核,达到配方设计要求。试验证明,重晶石粉∶钛白粉∶滑石粉∶复合防锈颜料∶粉体助剂CR 为39∶19∶13∶16∶6 ~ 8 组配成复合颜填料D,用复配颜填料D 代替复配颜填料A,形成的涂膜的服役环境温度可达到140 ℃以上。
3.3.4 水性涂料用复配颜填料
以苯丙乳液为基料的水性防腐蚀涂料中,复配颜填料体系组成是氧化铁红∶滑石粉∶陶土∶锌黄∶磷酸锌为2.5∶1.3∶0.2∶1.0∶0.4。以纯丙与苯丙复合乳液为基料制造底面合一的水性带锈防锈漆时,采用复配颜填料体系组成是K-白∶磷酸锌∶氧化锌∶滑石粉∶沉淀硫酸钡∶着色颜料为10∶5∶1∶2∶2∶适量。两种水性涂料都具有优良的性能。
3.3.5 复配颜填料性能比较
在设计多用型防垢耐磨涂料配方时,考证4 种复配颜填料体系对涂料施工时的流平性、固化性、涂膜防垢率及耐酸性的影响,确定满意的复配颜填料体系。4种复配颜填料体系组成见表2。

用硅改性树脂,4 种复配颜填料,匹配助剂F、908固化剂配制城的多用型防垢耐磨涂料的配方及性能见表3 ~ 4。


由表4 可知,用含重晶石粉的复配颜填料制造的涂料02 和涂料03 比用含云铁灰的复配颜填料制造的涂料01 和涂料04 有更好的流平性、防垢效果和耐混酸性;在重晶石粉用量基本相等的复配颜填料体系中,增加钛白粉和石墨粉用量(减少滑石粉用量)的复配颜填料02 制造的涂料02 比减少钛白粉和石墨粉用量(增加滑石粉用量)的复配颜填料03 制造的涂料03 有更优良的流平性及防垢效果。在选择复配颜填料体系时,除掌握参与复配的颜填料品种、结构,性能及用量外,还应认真考察复配颜填料对涂料性能的影响,只有优化复配才能确定满意的复配颜填料体系。

4 颜填料的协同增效技术
协同增效技术也称协同效应或增效作用。协同效应的特征是采用两种或两种以上原料配合时会呈现出比单独用一种原料更优异的某种性质,即1+1>2 的效果。下面介绍颜填料的协同效应示例。
4.1 颜填料的配合与处理
选择涂料的颜填料时,应注意不同品种颜填料间的协同效应。如惰性防锈颜料与活性防锈颜料匹配后会产生优异的协同效应;K-白∶氧化锌∶绢云母为1.0∶0.25∶0.5(质量)时,比单独用K-白有更优异的防锈耐蚀性;采用铝、硅、锆、钛联合包膜处理TiO2 比单独用一种元素处理TiO2 具有更好的耐久性和保光性。
4.2 复合磷酸盐与铁红等的协同效应
在设计气干型水性醇酸防护涂料配方时,采用复合磷酸盐∶氧化铁红∶重晶石粉为7∶3∶1(质量)配合。无毒害的复合磷酸盐具有离子交换能力和催化功效,复合磷酸盐产生的离子与金属底材的Fe2+和Fe3+生成螯合物钝化金属表面,活泼的正磷酸根离子与涂膜内极性基团形成坚硬的络合物保护膜;氧化铁红对日光、大气、碱和稀酸相当稳定;重晶石粉耐酸碱等介质侵蚀、耐光、耐候、耐水,抗腐蚀介质破坏能力强。利用三种颜填料本质特性的交互作用,产生相当优异的协同效应,明显提升涂膜的耐蚀防锈性和抗腐蚀介质渗透能力,应用效果满意。
4.3 氧化锌与防霉剂的协同效应
氧化锌可增加乳胶漆对UV 辐射的抵挡力, 提升涂膜的抗老化性;对霉菌也起到有效的防护作用。在外墙乳胶涂料中,加入5%的氧化锌和0.2%的异噻唑啉酮防霉剂,形成涂膜的防霉效果比它们分别单独使用时更有效,证明氧化剂与防霉剂配合后产生协同效应。
4.4 其他协同效应
采用氧化铁黄与三氧化二铬配合产生促进固化的协同效应,可有效地提高加成固化成膜涂料的固化反应速度,取得实用效果;取熔点450 ℃、700 ℃的玻璃粉及偏硼酸钡配合发挥良好的协同效应,得到像陶瓷一样的涂层,呈现好的耐热性。在专用阻燃涂料配方设计中,考测了几种颜填料的阻燃效果,其阻燃性数值比较见表5。

阻燃涂料的配制组成是基料清漆∶颜填料为1.0∶0.8(质量),固化条件为180 ℃ ,3 min;单独基料清漆为环氧树脂E-44∶专用酚醛树脂为2∶1 (质量),基料清漆膜的阻燃性数值是0.65。将被测涂膜置于酒精灯氧化焰上燃烧时,涂膜阻燃性可按下式计算:
阻燃性= t2 / t1
式中:t1———被测试涂膜在火焰中燃烧时间(每种被测样品在火焰上燃烧时间相同,样品质量相等),s;t2———被测试涂膜离开火焰后,涂膜上的火焰自熄时间,s。
上式计算的阻燃性数值越小,涂膜的阻燃效果越好。由表5 知,含滑石粉∶氧化锌∶钛白粉为1∶1∶1的混合颜填料涂膜中,由于三种颜填料交互作用产生协同效应,则阻燃效果比它们分别单独使用时更好。在专用阻燃涂料中加入具有良好阻燃性的混配颜填料,不仅提升涂膜的阻燃效果,而且降低阻燃涂膜的吸水率及阻燃涂膜的制造成本。

5 结语
运用颜填料的性能及复配规则,展示复配颜填料体系的正效应加和,取得优良功效。复配改性技术设计内容丰富,渗透领域广泛,应用效果突出,为涂料配方设计及涂料产品创新起到推动作用。两种或两种以上的颜填料组配后,对涂料的某种性能起到1+1>2 的改善效果。将颜填料有针对性选配,就可能产生协同效应。涂料配方设计者应着力探寻、发掘,利用协同效应示例,为增加涂料产品技术含量与涂料品种更新提供新思路与新方法。

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