对比颜料体积浓度对乳胶漆性能的影响

对比颜料体积浓度对乳胶漆性能的影响
黎治平, 郭清泉, 蓝仁华, 陈焕钦
( 华南理工大学化工学院, 广东广州510640)

1  前言
近年来,乳胶漆作为建筑涂料的一个主要品种而得到了大力的推广应用[1 ] 。目前市面上建筑乳胶漆的品种很多,但是涂料产品的性价比一直是消费者和涂料商追求的目标。配制出性价比较好的乳胶漆来满足建筑行业的需要,应遵循一定的配方设计规律,特别是颜料体积浓度( PVC) 与临界颜料体积浓度(CPVC) 之间的比值(Λ) 。
PVC 定义为在干涂膜中颜料和填料所占的体积分率

CPVC 定义为有足够基料填充在颜料粒子缝隙中时的颜料体积浓度。
单一颜料CPVC 的理论计算方法为

 混合颜料CPVC 的理论计算方法为

式中OA 为颜料的吸油量(克亚麻油/ 100 克颜料) ; p 代表颜料;ρi 为i 组分颜料的密度;ωi 为i 组分颜料的重量分率;CPVCi为单一颜料或填料的临界颜料体积浓度。
PVC 和CPVC 是乳胶漆的两个重要参数。当PVC 超过某一数值,漆膜性能发生突变时所对应的PVC 就是CPVC。1975 年Bierw agen 引入对比颜料体积浓度(Reduced PVC) 概念,即:

其意义是指出离CPVC 的距离。涂料的许多性能,例如光泽、遮盖力、耐洗刷性等都与对比颜料体积浓度(Λ) 有着非常密切的关系,会随其值的变化而变化。本文通过实验研究了对比颜料体积浓度对乳胶漆光泽、耐洗刷、遮盖力等性能的影响。

2  实验部分
2. 1  原材料
苯乙烯2丙烯酸酯乳液,美国罗门哈斯公司生产;钛白粉,美国杜邦公司生产;滑石粉,广西生产;高岭土,山西生产;涂料助剂,国外公司生产。

2. 2  实验设备
高速分散机, GFJ20. 4 型,上海涂料机械设备厂;三角度数字光泽度计,WGG2B 型,福建泉州伟达计量仪器厂;遮盖力测试板,天津建筑实验机公司生产;耐洗刷测试仪,天津建筑实验机公司生产;耐沾污性实验装置(水箱、水管等)

2. 3  实验方法
设计相同基料种类、相同助剂种类和用量,不同对比颜料体积浓度,颜料为钛白、滑石粉、高岭土、钛白-滑石粉混合物和钛白-高岭土混合物的乳胶漆涂料配方,配制乳胶漆。乳胶漆的制备:将分散剂、消泡剂等助剂投入到水中搅拌均匀后,加入配方量的颜填料高速分散30~40min , 放慢搅速, 缓缓加入乳液继续分散约30min ,调节pH 到8~9 后即可出料,制得乳胶漆成品。乳胶漆的性能测试:按国标GB/ T 1743 规定,采用WGG2B 型数字光泽度计在60°入射角条件下测量涂膜光泽;按国标GB/ T 1726 规定,采用遮盖力测试板用刷涂法测涂料遮盖力; 按国标GB/ T9266 规定,采用耐洗刷测试仪测试涂层耐洗刷性;按国标GB/ T 9755 有关规定,进性耐沾污性实验。

3  结果与讨论
3. 1  颜填料和混合物的颜料体积浓度计算值
由公式(2) 计算的颜料和填料临界颜料体积如表1 所示,由公式(3) 计算的混合颜填料的临界颜料体积浓度如表2 所示。

3. 2  对比颜料体积浓度(Λ) 对乳胶漆光泽的影响
由图1 和图2 可以看出对任意一种颜料或填料,涂膜的光泽随涂料对比颜料体积浓度的增加,先减后增,在对比颜料体积浓度等于1 时涂膜光泽最小。当Λ小于1 ,即PVC 小于CPVC 时,涂膜可视为由颜料相与基料相组成。Λ 增加,颜料增加基料减少,涂膜表面粗糙度增加,涂膜光泽下降。当Λ等于1 时,空气进入涂膜中形成空气相,涂膜可视为由基料相、颜料相与空气相组成[5~6 ] ,从而使涂膜光泽在CPVC 处发生突变。随Λ 进一步增加,Λ 大于1 时,虽然基料减少,涂膜表面粗糙度增加,但由于空气折射作用,涂膜光泽反而增加。
 由图1 可看出,在相同的Λ 条件下,钛白、滑石粉和高岭土形成的涂膜光泽,钛白最高,滑石粉次之,高岭土最低。这是因为钛白的粒径小于滑石粉和高岭土的粒径,在相同Λ 条件下,单一钛白形成的涂膜表面粗糙度比单一滑石粉和高岭土形成的涂膜表面粗糙度小,从而使钛白形成的涂膜光泽大于滑石粉和高岭土形成的涂膜光泽;同时由于滑石粉粒径小于高岭土粒径,使得滑石粉形成的涂膜光泽大于高岭土形成的涂膜光泽。这也是造成图2 中钛白2滑石粉混合物涂膜光泽比钛白2高岭土混合物涂膜光泽高的原因。

 将图1 和图2 比较发现,在相同的Λ 下,钛白2滑石粉混合物涂膜光泽介于钛白涂膜光泽和滑石粉涂膜光泽之间;钛白-高岭土混合物涂膜光泽介于钛白涂膜光泽和高岭土涂膜光泽之间;钛白-滑石粉涂膜光泽大于钛白-高岭土涂膜光泽。这是因为滑石粉和高岭土的加入增大了混合物平均粒径,提高了涂膜表面粗糙度,从而使涂膜光泽降低。由于钛白粒径远远小于滑石粉和高岭土粒径,并且在混合颜料中占有较大的比率,使得混合物涂膜光泽大于滑石粉和高岭土的涂膜光泽。
乳胶漆光泽要在一定范围内,通过上图可以选择满足乳胶漆涂膜光泽要求的对比颜料体积浓度范围,经过考核选择对比颜料体积浓度大于0. 6 。

3. 3  对比颜料体积浓度(Λ) 对乳胶漆遮盖力的影响
乳胶漆的遮盖力主要由所用颜料钛白的用量决定,体质颜料滑石粉和高岭土也能提供一定的遮盖力。在满足遮盖力的前提下,加入一定量的体质颜料代替部分钛白,可以降低乳胶漆的成本。

图3  混合颜填料对比颜料体积浓度对涂膜遮盖力的影响
  图3 所示是对比颜料体积浓度对涂膜遮盖力的影响。由图3 可看出,随着Λ 的增大,乳胶漆的遮盖力增大,其中Λ在0. 6~1. 0 范围内,遮盖力增大得较为平缓。当Λ 较小时( < 0. 6) ,钛白粒子浓度较低,它随着钛白用量的增多而增大,从而使得遮盖力显著增大;当Λ 较大时(0. 6~1. 0 之间) ,钛白粒子浓度的进一步增大导致钛白粒子间距离缩小,钛白粒子紧密相连,发生光学上的絮凝,降低了遮盖力,这降低的遮盖力部分与由于颜料粒子浓度增大带来的遮盖力增大相抵消了,因而这一Λ 范围内,遮盖力基本保持不变;当Λ 大于1 时,钛白粒子浓度较大,抵消了钛白粒子间絮凝导致的遮盖力下降,从而使遮盖力随着Λ的增大而增大。
在实验研究过程中还发现,在较低Λ 范围内,颜料粒子间距离较大,加入填料后起不到间隔的填充效应,反而降低有效钛白粒子浓度,造成遮盖力下降;在较高Λ 范围内,因为钛白粒子被填料粒子所隔开,使钛白粒子间距离相对不太小,减少了钛白粒子间的絮凝,使得混合颜填料的遮盖力接近于钛白的遮盖力。

3. 4  对比颜料体积浓度(Λ) 对乳胶漆耐洗刷性的影响
由图4 和图5 可以发现对任意一种颜料、填料或颜料混合物,涂膜的耐洗刷性随对比颜料体积浓度的增加而降低,当Λ 小于1 时,涂膜的耐洗刷性随对比颜料体积浓度的增加降低得较为剧烈,不同颜料填料或颜料混合物涂膜的耐洗刷性存在的较大差别;当Λ大于1 时,涂膜的耐洗刷性随对比颜料体积浓度的增加降低的幅度变小,不同颜料填料或颜料混合物涂膜的耐洗刷性存在的差别较小。


 涂膜可视为由颜料相与基料相组成。涂膜耐洗刷性是和基料量以及基料与颜料间的相互作用有关。当Λ 小于1 时,涂膜完全由基料和颜料组成,基料完全包裹颜料粒子填充满颜料粒子间空隙,基料用量对涂膜耐洗刷性的影响大于基料和颜料相互作用对涂膜耐洗刷性的影响。此时,随着Λ 增加,颜料增加,基料减少,从而涂膜耐洗刷性显著降低。当Λ大于1 时,基料不能完全包裹颜料粒子并填充颜料粒子间空隙,基料和颜料粒子间相互作用对涂膜耐洗刷性影响占优势。此时,随Λ 增加,颜料增加基料减少,基料和颜料粒子间相互作用降低,从而使涂膜耐洗刷性降低并且降低幅度较小。
如图4 所示,在相同的Λ 下,钛白、滑石粉和高岭土三种颜填料形成的涂膜耐洗刷性差别较大。这是因为颜料和水间的相互作用降低了颜料和基料间的相互作用。钛白、滑石粉和高岭土这三种颜填料中,钛白和水之间的相互作用最小,其次为滑石粉,高岭土和水之间的相互作用最大。这就使得在相同对比颜料体积浓度下,钛白形成的涂膜耐洗刷性最好,其次为滑石粉的,高岭土形成的涂膜耐洗刷性最差。如图5 所示,将滑石粉和高岭土分别加入到钛白中,总体上降低了颜料混合物和基料间的相互作用,从而降低了颜料混合物涂膜的耐洗刷性。在相同的Λ下,滑石粉涂膜的耐洗刷性大于高岭土涂膜
的耐洗刷性,这就使得钛白2滑石粉涂膜的耐洗刷性高于钛白2高岭土涂膜的耐洗刷性。乳胶漆耐洗刷性必须大于一定值,从图4 、图5可以得出当对比颜料体积浓度小于0. 8 时可以满足乳胶漆的要求。

3. 5  对比颜料体积浓度(Λ) 对乳胶漆耐沾污性的影响
通过对加入钛白、高岭土和滑石粉三种混合颜填料的涂膜进行耐沾污性实验,对涂膜实验前后光泽度进行测定,其变化结果如表3 ;失光率随对比颜料体积浓度的变化如图6 所示。
表3  对比颜料体积浓度不同的涂料耐沾污性实验前后的光泽度变化

 随着对比颜料体积浓度的增加,涂膜的光泽度呈下降趋势,因为涂膜的光泽主要来自涂料中的基料,Λ越小,涂料中的基料含量越大,则光泽度越高。经耐沾污性实验后涂膜的光泽度呈下降的趋势,Λ越小,耐沾污性实验的失光率就越大。当Λ 为0. 7时涂膜的耐沾污性最好,Λ小于或大于0. 7 时,耐沾污性较差。这是因为涂膜的耐沾污性在一定程度上与涂膜的硬度以及孔隙大小即涂膜的致密度有关。当Λ为0. 7 时具有较优的颜填料与基料比,以最大限度地减少孔隙,涂膜的致密度最大,涂膜的硬度也较好,因而耐沾污性最好;当Λ 大于0. 7 时,颜填料的增多可提高涂膜的硬度,但由于基料用量减少而使部分颜填料未能较好的包覆或包覆层较薄,使得涂膜的孔隙过多造成涂膜耐沾污性下降;当Λ 小于0. 7 时,基料含量大,颜料含量少,涂膜的硬度不如Λ为0. 7 时的硬度,因此涂膜的耐沾污性下降。
乳胶漆的耐沾污性受到各种因素的影响,要综合考虑。从图6 可看出当对比颜料体积浓度在0. 7~0. 8 之间时涂膜的耐沾污性较好。乳胶漆的性能繁多,各种性能随对比颜料体积浓度变化的性质各不相同。为选择一个较平均而又能满足乳胶漆实际应用需要的综合性能,必须选择一定的对比颜料体积浓度范围。综合以上的对比颜料体积浓度和乳胶漆性能的关系,选择对比颜料体积浓度为0. 6~0. 8 之间为最佳。

4  结论
对比颜料体积浓度(Λ) 对涂料性能有着重要的影响。涂膜的光泽随对比颜料体积浓度的增加,先减后增,在Λ 等于1 时存在最低值;涂料的遮盖力随对比颜料体积浓度的增加而增加,在Λ 小于0. 6时,涂料遮盖力随对比颜料体积浓度的增加增大得显著,在0. 6~1. 0 范围内,涂料遮盖力随对比颜料体积浓度增大得较为平缓;在Λ 小于1 时,涂料的耐洗刷性随对比颜料体积浓度增加降低得较为剧烈,在Λ大于1 时,涂料的耐洗刷性随对比颜料体积浓度增加降低的幅度变小。在Λ 等于0. 7 时,涂膜的耐沾污性最好,小于或大于这个0. 7 ,涂膜耐沾污性均呈下降趋势。综合对比颜料体积浓度对乳胶涂料性能的影响,选择对比颜料体积浓度为0. 6~0. 8 之间最佳。

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