THD-2核壳纳米SiO2纯丙复合乳液在耐沾污外墙乳胶漆中的应用

0 引言
随着我国经济的发展和人民生活质量的提高,城市崛起的一幢幢大楼,安全、无毒的外墙乳胶漆已逐步取代传统的溶剂型涂料,而成为这些建筑物的主要装饰材料。然而涂覆于建筑物墙面的外墙乳胶漆长期暴露在大气中,受到风吹、雨淋、紫外线的照射及粉尘、烟气、油污、酸雨等的污染,经过一段时间后就会失去它原有的绚丽多彩的装饰效果,装饰面出现粉化、变色、褪色、失光、变脏等弊病。因此,改善提高外墙乳胶漆涂层的耐久性成为外墙涂料发展的一个重要方向。关于外墙乳胶漆涂层耐久性,笔者认为应包括两个方面:一是耐候保色性,二是耐污染性。就耐候保色性而言,我国有机硅改性丙烯酸乳液、水乳型聚氨酯、氟硅乳液的快速发展,给制备高耐候性外墙乳胶漆提供了优质保证,随着涂料制造商和涂料配方师对高性能外墙乳胶漆的追求,涂料的耐污染性已成为衡量高品质外墙质量的另一个重要指标。本文意在通过讨论影响外墙乳胶漆耐污染性的因素,同时分析THD-2 核壳纳米SiO2纯丙复合乳液在制备高耐沾污性外墙乳胶漆中的理论作用,给涂料制造商和涂料配方师提供了理论依据。

1 外墙乳胶漆漆膜污染的几种途径
导致外墙乳胶漆漆膜污染性的因素多种多样,如乳胶漆漆膜的致密性、表面能、亲水/亲油平衡、平滑度、表面硬度,环境的温度、湿度、尘埃的种类和数量,工厂的废气排放,汽车黑色颗粒尾气的排放,加上不断出现的酸雨、烟霾等自然因素,归纳起来有以下几种途径:
(1) 粘附性污染
聚合物乳液属热塑性丙烯酸乳液,其玻璃化温度(Tg)一般在20~40 ℃左右,以此作为成膜物质的外墙乳胶漆涂层遇高温极易返粘,遇水极易变软,从而易沾附大气中的粉尘,造成漆膜装饰效果降低,这也就是我们通常所说的粘尘性污染。一般来说,漆膜硬度高的外墙乳胶漆,抵御这种污染要强于漆膜软的外墙乳胶漆。
(2) 吸附性污染
基料中的高分子结构决定了高分子乳液涂膜容易产生静电积累(往往带负电荷),从而产生静电吸附,一旦遇上带电荷的尘埃(往往带上正电荷),就容易吸附于涂层的表面形成污染,影响涂料的装饰效果。在乳液高分子链中引入一些离子型无机的价键(Si-O),可以提高导电性能,避免静电吸附对涂层的污染。在春夏季节,因空气比较潮湿,不存在静电吸附,秋冬季节,当空气十分干燥时,就有可能存在静电吸附现象。
(3) 吸入性污染
在外墙乳胶漆配制过程中,一般都要使用表面活性剂、助剂,包括乳液合成过程使用的乳化剂,这些低相对分子质量的表面活性剂,随着时间推移要进行挥发,这样导致涂层中留有大量的孔隙。就微观而言,与溶剂型涂料相比较,乳胶涂料涂层含有大量的微孔,且表面比较粗糙,呈现出凹凸不平。亲水性细小的尘埃溶解或分散在雨水中形成胶体,通过毛细管的作用,进入漆膜孔隙中,从而对漆膜造成永久性的污染。因此,在配制外墙乳胶漆时,降低涂膜的孔隙率,提高涂膜的致密性对于改善涂膜吸入性耐污染是非常重要的。
(4) 涂膜表面亲水亲油污染理论的探讨
聚合物乳液亲水/亲油值(HLB 值)决定了漆膜是疏水性的还是亲水性的。疏水性涂膜表面张力低(比污染物表面能低)。因此,随着有机硅、有机氟改性丙烯酸乳液不断开发,漆膜的表面张力不断降低,处在干燥雾少地区的建筑物表面,用该类乳液制成乳胶漆对改善其耐污染性很有效。但同时我们也看到有的地区建筑物表面涂覆该乳胶漆并没有达到预期效果,污染痕迹依然严重。这是因为这些地区的污染物是以亲油性为主,亲油性成分的污染,如图1 所示。
201110061731268281.jpg
亲油性污染成分沾上水以后,在亲水性涂膜表面接触面积比疏水性涂膜表面接触面积要小,从预防漆膜表面灰尘污染物的角度来讲,坚硬表面能低,且平滑的表面被认为是好的涂膜,但从去污的角度来看,亲水性涂膜表面被雨水的洗净效果和表面均匀污染程度而造成的雨迹和斑痕不明显效果被认为是好的涂膜。图2 显示亲油性污染物在亲水性涂膜表面被洗刷的过程:
201110061732108437.jpg
从图2 可以看出,亲油性污染物质在亲水性涂膜表面比较容易被雨水冲洗掉。但亲水性化涂膜可能会给聚合物带来耐水性问题,为了既不损害涂膜的基本特性,同时又赋予其优异的耐污染性等机能,聚合物必须采用特殊的亲水性方法,引进特殊的亲水性官能团。如在乳液中引入纳米材料,纳米材料的特殊结构会使涂料许多性能如耐洗刷、耐候性、耐污染性产生质的飞跃,目前国外和国内许多公司已经推出将纳米SiO2 引入到涂料体系中制成抗菌、自洁型外墙涂料,在涂料生产中已经形成共识。但纳米SiO2 的颗粒尺寸小,比表面积和表面张力都很大,再加上表面局部电荷分布不均,极易发生吸附、团聚而生成不是纳米的粒子,很容易失去其应有的作用。THD-2 采用聚合物乳液的核壳结构理论模型,采用种子乳液聚合工艺,在聚合过程中引入纳米SiO2。该乳液以纳米SiO2 为核,丙烯酸酯为壳的纳米SiO2 纯丙复合乳液,并已成功投入批量生产,克服了将纳米SiO2 直接引入涂料体系时易团聚,与有机物乳液相容性差的缺点,从而提高了漆膜的导电性能和致密性,并使涂膜表面张力提高,得到了亲水性的效果。
2 提高乳胶漆涂膜耐沾污性的措施
乳胶漆性能由其组成和结构所决定。根据本文所讨论的污染机理,欲提高乳胶漆涂膜耐沾污性,需从组成和结构等方面进行考虑。
2.1 聚合物乳液的选择
乳胶漆主要成膜物质是聚合物乳液,当然也是影响沾污性的最主要因素,从上述影响涂层耐污染性的因素及THD-2 聚合物乳液的特性,THD-2 聚合物乳液提供了合理的玻璃化温度。通过特殊的亲水表面处理、核壳合成技术,并把纳米SiO2 成功引进乳液而合成的这种高性能乳液,是高耐沾污涂料配方所选的最佳乳液之一。
2.2 配方的颜料体积浓度
涂膜是一个由有机聚合物和无机有机颜料、填料、助剂组成的复合材料体系,颜料体积浓度PVC 是支配乳胶漆性能的重要参数,在相同的玻璃化温度条件下,提高PVC就是减少热塑性聚合物的相对含量,达到增加涂膜综合硬度,涂膜粘附性污染得到了改善,但同时也增加了涂膜的孔隙率,漆膜表面平整度下降而导致吸入性污染的增加。我们通过不同PVC 体系耐沾污性的测试,PVC 高的乳胶漆耐沾污性不一定好。测试结果表明,把体系的PVC 设计在40%左右,体积固含量也设计在40%左右,耐沾污性测试结果最为理想。
2.3 颜填料
乳胶漆中的颜填料也是影响漆膜耐沾污性的一个重要因素,要制备一个高品质耐沾污性乳胶漆,固体含量相对较高(60%左右)体系中乳液含量也较高,所以用于分散颜料的水相对较少,因此一般要选择低吸油量的颜填料,如进口金红石型钛白粉、重质碳酸钙、沉淀硫酸钡,一般选择粒径大小在800 目左右的填料,这样既能满足分散的要求,又能保证漆膜的致密性和硬度。
2.4 助剂
助剂也是乳胶漆生产过程中的一个重要组成部分,所选择的分散、润湿剂应适应配方中乳液、颜填料,并保证颜填料分散时间短,不发生絮凝和沉淀现象,涂料无浮色、发花、失光,展色性能好,加量要恰当,加量过大会降低涂料耐水性和附着力,甚至还会导致涂料黏度上升,凝胶。加量过少,会使颜填料分散不佳,造成乳胶漆返粗,发胀,从而影响漆膜的平整度和致密性。分散剂最好选择耐水性、 展色性好的铵盐分散剂。另外要选择分散性佳、破泡、抑泡效果好,且持久性好的消泡剂。成膜助剂选用Texanol 和乙二醇丁醚配合使用。乙二醇丁醚蒸发速度快,但它比Texanol 成膜效率低,在用法用量上要注意。增稠剂在选用时,既要考虑配方体系的贮存稳定性,又要考虑体系的流平性,上述助剂只要选择恰当,用量合理,都能使漆膜得到良好的致密性和丰满度。
2.5 功能性材料的使用
制备高耐沾污性外墙乳胶漆,有时还可以添加一些功能的材料,如遮盖聚合物,它是一种有机体质颜料,粒子呈中空球状,其中充满水。这是一种不成膜的苯丙共聚乳液,当涂料成膜时,随着粒子中的水不可逆地挥发,中空部分被空气填充,不透明聚合物在空气中的折射率分别为1.55 和1.0,因而产生的散射使聚合物具有一定的遮盖力。又由于它粒子呈球形,在相同体积的情况下表面积最小,因而乳液用量也小,粒子细而均匀,能使乳胶漆漆膜表面平整,减少积灰,提高耐沾污性。

3 以THD-2 为基料高耐沾污性乳胶漆
3.1 配方
以THD-2 为基料高耐沾污性乳胶漆的配方见表1。
201110061734412656.jpg
3.2 乳胶漆性能
乳胶漆性能见表2。
201110061735260625.jpg
4 结语
(1) 通过分析耐污染的几大因素,运用核壳结构理论模型,采用种子乳液聚合工艺,使用了特殊的亲水性官能基,并把纳米SiO2 引入聚合过程中,得到的THD-2 在不损害涂膜的基本特性的同时,提高了耐污染性能。
(2) 不透明聚合物的引入。在不增加成本的情况下,使涂膜更加致密、平滑、坚硬,提高乳胶漆的对比率、耐擦洗性和耐沾污性。
(3) 优选颜料、填料。在确定乳胶漆的PVC、固含量、体积固含量后,通过对助剂的优选使漆膜达到最佳状态,使涂层的耐沾污性进一步提高。

发表评论

您的电子邮箱地址不会被公开。 必填项已用 * 标注