零VOC乳胶漆的研制

零VOC 乳胶漆的研制

路国忠    顾 军 王成华( 北京市建筑材料科学研究院, 100041)
吕杰斌 ( 北京纳美科技发展有限公司, 北京100041)

随着社会的进步和人类认识水平的提高, 人们的环保意识日益增强, 无毒、无味、无有机挥发物的健康型涂料越来越受到欢迎, 它将替代含有有机溶剂的涂料。我国于2002 年颁布了环境标志产品认证技术要求水性涂料标准, 对VOC 值作了限定。为了满足日益严格的环保要求和可持续发展的需要, 水性涂料( 即乳胶漆) 正向着对环境更友好的方向发展。低VOC 涂料是指VOC 含量低于30g/ L; 零VOC 是指VOC 含量趋于零的涂料产品。下面介绍如何配制零VOC 涂料。

1  VOC 的来源
在涂料配方中VOC 主要来自于乳液、溶剂、助剂、pH 值调节剂等。 1)乳液: 应选用不需成膜助剂能够成膜的乳液, 且要求乳液的残存单体浓度极低; 2)溶剂: 用于改善成膜性能的成膜助剂,如醇酯- 12, 主要赋予涂料耐冻融稳定性的助剂,如二元醇类。这些是涂料中VOC 的主要来源之一; !3)助剂: 某些矿物油类消泡剂, 改善涂膜流平性能的某些缔合型增稠剂, 及涂料不变质的某些防腐杀菌剂等都含有不同程度的溶剂( 即VOC) ;4) pH 值调节剂: 用于调节涂料体系pH 值的助剂也含有溶剂, 如常用的AMP- 95。

2  原材料的选择和实验
21  乳液
生产零VOC 乳胶漆的关键是合成不需要成膜助剂和溶剂就能低温成膜的乳液。目前此类乳液大体有以下几种。
 1)自交联型丙烯酸乳液: 通过对软、硬丙烯酸酯单体的选择、对比、调整, 以玻璃化温度较低的丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯等软单体以及少量丙烯酸、甲基丙烯酸等原材料进行乳液聚合, 在聚合过程中加入潜交联剂。这是一种自交联型乳液, 在室温条件下成膜中自交联。
2)乙烯一醋酸乙烯共聚物乳液( 俗称VEA 乳液) : 由于醋酸乙烯酯具有水增塑性, 即水能犹如成膜助剂一样降低醋酸乙烯酯乳液的最低成膜温度( 即MFT 值) , 使其在低温下能形成完整的涂膜。
乙烯的Tg 为- 68ºc , 具有独特的内增塑作用, 使其共聚乳液在低温下成膜性好。
3) 在常规乳液中引进功能单体, 如异氰酸酯为交联剂, 通过氧化- 还原引发体系, 可使乳液的MFT大大降低, 降至3ºc 以下, 使其能够在较低温度下无需添加成膜助剂和溶剂也可形成完整的涂膜。

4)核壳乳液: 由于此类乳液具有独特的复相颗粒结构, 在胶乳颗粒中有软相、硬相, 每一颗粒中的软相的最低成膜温度( MFT ) 很低, 干燥成膜时, 软相变形填充空隙, 形成连续相, 而硬相赋予涂膜良好的抗粘连性, 所以在不需添加任何成膜助剂和溶剂的情况下, 能够在较低的环境温度下形成具有优秀抗粘连性能的连续漆膜。
对于生产零VOC 乳胶漆, 尽管采用没有成膜助剂和溶剂成膜的乳液, 也是不够的, 还需要这些乳液具有很低的残余单体含量, 因为乳液的单体残留浓度高低也直接影响涂料的挥发性有机物( VOC) 。
对同样的配方, 用以上四种乳液配制成的乳胶漆a、b、c、d 的主要性能比较情况见表2。

由表2 可以看出, 从涂料的常规性能和环保指标考虑, 乳液D 做的乳胶漆d 的综合性能指标最好。但由于此类乳液的特殊结构及成膜机理, 要求乳液在配方中的加量要合适。乳液量偏低, 涂料的成膜不充分, 使涂膜的性能不理想, 耐洗刷性下降, 耐水性不好等; 乳液量偏高, 涂膜较软, 耐沾污性差, 光泽高, 透气性差, 作为健康环保型乳胶漆要求其透气性>200g/ m, 光泽( 60º)< 15, 同时增加了VOC 值。通过实验测得乳液用量与涂料性能的关系见图1。

图1  乳液用量与涂料性能关系
乳胶漆要求既有良好的透气性, 又要有良好的抗水渗性, 即人们所谓的( 呼吸功能)。它与配方的PVC 或颜/ 基化( P/ B) 有关, 按照GB/ T 17146- 1997 <建筑材料水蒸汽透过性能试验方法>, 通过测试漆膜的吸水率及水蒸汽透过性来确定乳液的用量和PVC ( 或P/ B) 。经过试验, 要使涂膜具有良好的( 呼吸功能), P/ B 一般控制在2.2~ 2.7;考虑到乳胶漆的成膜性、耐擦洗性及VOC 值, 乳液在配方中的添加量一般为25% ~ 30%。

22  助剂
在涂料中用于改善成膜性能的溶剂和成膜助剂( 如烃类和一些酯类) , 主要用于改善涂料低温稳定性的助剂( 如二元醇类和醚类) 是涂料中VOC 主要来源之一。例如去除配方中的酯、烃、二元醇类物质后, 使涂料的VOC 和其散发率明显低于其它配方。另外, 涂料中溶剂量较大, 在成膜过程中, 各种溶剂会向漆膜/ 空气界面扩散并汽化。有时候这个过程会对漆膜的微观结构产生影响, 导致漆膜的光反射能力下降, 漆膜表面出现云雾状混浊, 产生雾影。由于零VOC 涂料中不需要添加任何溶剂,所以, 这从根本上避免了由于溶剂扩散而造成雾影的问题。但是, 配方中去除这些溶剂后, 零VOC乳液最重要外, 还需要选择比较好的助剂, 来保证涂料的某些常规性能。比如: 乳胶漆的施工性( 施工时不存在( 接痕)) 、漆膜低温稳定性等。通过试验, 选择了无溶剂的特种表面活性剂, 它可以延长干燥时间, 降低干燥速度, 对基材有比较好的润湿性, 无缩边、搭茬现象, 并且很好地改善了涂料的冻融稳定性。这种助剂在配方中的加量与涂料的性能关系见表3。

由上表可知CF – 10 添加量一般在0.3% ~0.4%之间合适。

23  颜填料的选择
要保证涂料具有良好的低温成膜性, 涂膜具有优异的耐擦洗性, 一要调整一个合适的PVC 值;二要选用吸油值低的颜料, 避免使用超细的填料,以改善涂膜的物理性能。

24  其他助剂的选择
零VOC 值达到极低, 助剂的选择也尤为重要。如: 增稠剂选用不含有溶剂的缔和型增稠剂,同时又保证了涂料的流变性能, 消泡剂选用非矿物油类消泡剂, 选用不含甲醛的防腐杀菌剂等助剂。这样, 既能使VOC 值极低, 又能满足涂料的常规性能。

25  零VOC 性能检测指标
经北京市建筑材料质量监督检验站检测, 各项性能指标均达到了国家优等品标准, 见表4。

3 结语
综上所述, 减少乳胶漆挥发性有机物的方法:1) 去除溶剂及醇类助剂; 2)选用低温自成膜乳液;3) 采用特种表面活性剂改善低温稳定性; 4)选用吸油值低的颜料, 避免使用小粒径填料。另外, 在配制乳胶漆中还应注意涂料的冻融稳定性、颜料接受性和展色性及涂料的流变性。

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