通用水性色浆体系性能影响因素探讨

0 引言
随着人们对各种涂料装饰性能要求的提高,色浆的应用越来越广泛。相对于颜料,色浆具有添加方便、易于体积计量、与涂料相容性好、容易分散的优点,使用时不扬尘,能有效保护人体健康和环境。然而色浆的生产以及调色是一个复杂的过程,需考虑色浆本身的性能及其在涂料中的应用效果。性能好的色浆应该不沉淀,不絮凝,有良好的流动性,贮存稳定性好,使用方便,颜料含量高,不会对人体健康造成危害。其生产工艺应简便、经济,产品重现性好,批次质量稳定。色浆作为半成品添加到各种涂料中使用,其与涂料应具有良好的相容性,对耐久性、耐水性无不良影响,不会产生浮色、发花现象。调色完成后,还必须评价色漆颜色的准确性、耐候性、环保性,以及色浆添加量对颜色、性能的影响等。因此色浆的制备与应用涉及较多因素,需要系统研究。
随着人们环保意识的增强,不含乙二醇,无溶剂,不用烷基苯酚聚乙二醇醚(APE),低重金属含量,低甲醛释放的环境友好型水性通用色浆获得很好的发展[1]。目前市场上常见的国外色浆品牌有科莱恩、汽巴、希必思和巴斯夫等,国内的品牌有世名、科迪等。从使用方便性考虑,用户或调色人员希望色浆种类越多越好,调色更方便。但考虑原材料库存和实际生产工艺过程,色浆的种类应该越少越好。综合考虑以上因素,一般来说:基础的色浆体系应该包括以下8 支核心色浆:钛白PW6、铁黄PY42、铁红PR101、炭黑PBK7、有机黄PY74、有机红PR112、酞菁蓝PB15 : 3 和酞菁绿PG7[2]。当然为了使用方便和特殊应用,还可增加铁黑PBK11、大红PR254、橙色PO36、永固紫PV23 等品种。

1 实验部分
1.1 原材料和仪器设备
颜料:钛白粉CR-828,美国科美基公司;氧化铁系列颜料:铁红Bayferrox 4100,铁黄Bayferrox4910,铁黑Bayferrox 4330,铁棕Bayferrox 4610,德国朗盛公司;有机颜料:有机黄Ciba GS,有机红Ciba3RS,瑞士汽巴公司;酞菁蓝L7072D,酞菁绿 L8605,有机橙 2930 HD,德国巴斯夫公司;永固紫 BL,科莱恩公司;炭黑C-311,上海焦化。
分散剂:EFKA4560, 汽巴公司;Solsperse®S27000,ICI 公司;消泡剂:BYK024,毕克公司;A10,海川公司;防沉剂:OPTIGEL SH,洛克伍德公司;基础乳胶漆:自制。
仪器设备:MINIZETA 研磨机,耐驰公司;三辊研磨机,江阴精细化工机械公司;刮板细度计、高速分散机、线棒涂布器、NDJ-1 黏度计,上海现代仪器公司;D2600 型色差仪,美能达公司;扫描电镜、Atlas 氙灯老化试验箱 Ci4000,上海岛原精密仪器有限公司;天平,感量0.01 g,赛多利斯公司。
1.2 生产工艺
开启高速搅拌机,在中等转速下,加入去离子水、润湿分散剂、保湿剂等助剂,分散均匀后将搅拌机调至高速状态下,加入颜料、防沉剂等,高速搅拌30~40 min 至均匀状态,最后用研磨机进行研磨,研磨时间约60 min,检测细度合格后即可制得色浆。根据产品特点,如固含量、黏度等,可选择不同的研磨设备。通常无机色浆的固含量高,黏度较大,多采用三辊研磨机,而有机色浆多采用卧式砂磨机,研磨介质可采用锆珠或玻璃珠。
1.3 基础配方

1.4 性能测试
耐光性:采用氙灯光源,功率6 500 W,按英国标准BS100B02 曝晒,结果用蓝羊毛尺评价,采用8 级制,8 级为最好,1 级为最差。
耐候性:采用ATLAS 人工老化仪曝晒500 h,结果用ISO 灰卡测试,用1~5 级表示,5 级为最好,1 级为最差。
耐化学品性:耐化学品性取决于颜料的化学性能,分别在10% 盐酸溶液和5% 氢氧化钠溶液中检测,结果参照英国标准BS1006A03,用灰卡测试,采用5级制,5 级为最好,1 级为最差。

2 结果与讨论
2.1 颜料对色浆基本性能的影响
色浆的主要原料是颜料,颜料的种类直接决定色浆的颜色和性能。按照颜色,颜料可分为红、黄、蓝、绿、黑、白、橙和紫等。按照化学成分,通常将颜料分为无机颜料和有机颜料。无机颜料主要包括氧化铁颜料、珠光颜料以及金属颜料等,其耐光性、耐候性好,容易分散,但通常色光偏暗,品种较少。有机颜料主要有偶氮颜料、酞菁颜料等,种类齐全,鲜艳度好,但一般价格较高,不容易分散。表2 是不同颜料制备的色浆的基本性能。

表2 中,V 表示原色,即在100 份无钛白基础漆中加入5 份色浆时的颜色;ST(1/25)表示冲淡色,为100 份钛白含量为25% 的基础漆中加入1 份色浆时的颜色。
色浆的分散程度直接决定了色浆的性能。通常的测试方法有刮板细度计、电子显微镜、粒径分布仪以及扫描电镜(SEM)等。刮板细度计是测量颜料分散程序的一种最简便的方法。它的优点是速度快,但它不能反映出颜料分散的真实状况,只能表示大颜料凝聚体,不能显示粒径分布和粒子的状态。通常要求颜料的细度应小于25 μm,要求严格的应小于10 μm。电子显微镜和光谱分析能精确显示粒子的分散性能,但使用起来不太方便。相对来说,粒径分布仪和SEM 是比较准确、方便的测试仪器。

影响色浆分散细度的因素除了颜料本身的粒径和分散剂的效率外,研磨设备也至关重要。一般来讲,研磨物料越多,需要的时间越长。研磨时多采用循环模式,至少保证物料研磨3 遍以上才能得到所需的细度。
现在市场上表示色浆的种类,除了厂家的具体牌号,一般都会给出颜料索引号。通过索引号和颜料含量就可以确定色浆的基本性能,但是色浆受颜料化学成分、表面状况,特别是所含杂质的影响较大,因此有可能同一颜料索引号也会呈现不同的色相。例如金红石型钛白粉多呈黄相,而锐钛型钛白粉多呈蓝色相。氧化铁红一般有黑、黄色相,有机黄也有红、绿色相等,因而需根据具体情况选用色浆。

2.2 分散剂对色浆性能的影响
颜料分散是色浆生产的关键。一般认为,颜料的分散过程分为润湿、粉碎、稳定3 个阶段。常用的润湿分散剂种类较多,润湿剂有十二烷基磺酸钠、聚氧乙烯烷基醚等,分散剂有聚磷酸盐、聚羧酸盐和聚丙烯酸盐以及卵磷脂等品种[3]。作为目前的高效分散剂,超分散剂获得很大发展。图1 是超分散剂S27000和传统分散剂对色浆贮存性能的影响。

从图1 可以看出:相对于传统分散剂,S27000 制备的色浆贮存稳定性好,黏度变化较小。而用传统分散剂制备的色浆黏度变化明显,而且有沉淀、结块现象,甚至出现颜料粒子返粗的情况,影响产品的使用。
添加不同比例的分散剂到酞菁蓝颜料中制备色浆,颜料含量为48%,然后添加2% 色浆到白色乳胶漆中,搅拌均匀后进行指研实验判断色浆与涂料的相容性。漆膜干燥后,测试指研部分与未指研部分的色差,结果如图2 所示。

从图2 可以看出:随着分散剂用量的增加,分散剂的分散效率和空间位阻效应使得酞菁蓝色浆的相容性变好,在涂料中色差变小,但当分散剂超过一定用量后,相容性反而变差了。分析认为:多余的分散剂聚集在颜料颗粒表面,反而使空间位阻效应下降,使得部分颜料粒子聚集,导致相容性变差。
每种颜料都有相应的HLB 值(亲水亲油平衡值),选择分散剂的关键是选择与颜料HLB 值相匹配的分散剂[4]。由于颜料,特别是有机颜料特殊的表面性能,传统润湿分散剂对某些有机颜料的分散效果不是很理想,甚至很差,主要是由于分散剂分子中的亲水基团对极性较低的颜料颗粒表面结合力不强,容易脱离,导致颜料粒子重新絮凝;同时亲油基团不具备足够的碳链长度,不能产生足够的空间位阻效应,因此不能使颜料分散体系稳定存在[5]。这种情况下,选择超分散剂是比较有效的方法。含有超分散剂的水性色浆具有以下特点:更高的颜料填充量和着色力,低泡沫及良好的漆膜稳定性,良好的贮存稳定性,适应性宽广,添加到涂料中不影响光泽和耐水性。
2.3 颜料含量和防沉剂对色浆性能的影响
通常来讲,为了保证色浆的贮存稳定性,需要有较高的低剪切黏度。另外,为了保证使用方便,搅拌时应具有良好的流动性,即具有较低的中剪切黏度。因而好的色浆应具有良好的触变性。添加树脂能有效改善色浆的贮存稳定性,但由于树脂本身性能可能会影响色浆的相容性,目前色浆生产多采用无树脂体系[6]。色浆的黏度与贮存稳定性主要与颜料含量、防沉剂用量有关。表3 是氧化铁红色浆黏度与颜料含量以及防沉剂SH 之间的关系。其中低剪切黏度采用NDJ-1 黏度计4# 转子,6 r/min 状态下测得;高剪切黏度采用NDJ-1 黏度计4# 转子,60 r/min 状态下测得,触变指数Ti 为两者的倍数。
由表3 可以看出:随着颜料含量增加,色浆黏度随之增加,触变性变大,在一定程度上有助于贮存稳定性的提高,但考虑到氧化铁颜料比重较大,颜料含量越大,沉淀可能性越大,因而需添加防沉剂改善其贮存稳定性。对比发现:颜料含量在55%,防沉剂SH 用量在0.3%~0.5% 时,具有良好的贮存稳定性和流动性。
表3 颜料含量和防沉剂用量对氧化铁红色浆的黏度和贮存稳定性的影响

注:(23±2)℃密封保存30 d,观察色浆有无分水、沉淀现象。
2.4 批次稳定性对色浆性能的影响
批次稳定性是评价色浆质量的重要指标,色浆由于受到颜料稳定性、添加剂用量以及生产工艺等多种因素影响,稳定性容易变化。通常在试验中采用对比方法测试不同批次色浆的着色强度以及批次稳定性。该方法是较简便也是最有效的方法,就是将标准色浆和测试色浆按照同样用量添加到基础乳胶漆中,搅拌均匀,然后同时涂布在黑白格纸上,保证2 种涂料有交接处,干燥后可肉眼观察或用测色仪进行检测。不同批次的氧化铁红色浆调色后的色差见表4。
表4 添加2%不同批次的铁红色浆后的色差

从表4 可以看出:ΔE 为0.11,其中L,a 值变化较小,表明颜料黑、红色相较为稳定,而b 值变化较大,即黄色相变深。不同批次颜料、研磨时间以及分散剂用量变化都可能导致以上情况,需要严格控制。

4 结语
(1) 色浆的主要性能取决于所用颜料的性能和含量,受颜料化学成分、杂质等情况影响,同一颜料索引号的色浆也可能具有不同的色相。评价色浆分散程度大多采用刮板细度计和SEM 图。
(2) 相对于传统分散剂,超分散剂本身具有特殊锚固基团,在分散颜料时具有分散效率高,稳定性和耐水性好等优点。
(3) 一般来讲,色浆中颜料含量越高,色浆黏度越高,触变性也相对变好,有助于贮存。但由于颜料本身的比重较大,有重新聚集、沉淀的趋势,可通过添加防沉剂来改善。防沉剂用量通常为色浆质量的0.3%~0.5%。
(4) 色浆的生产受到颜料批次变化、添加剂用量以及生产工艺等多种因素影响,容易出现不同批次色浆着色强度的变化。通常采用对比试验来评价色浆批次稳定性。

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