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水性涂料配方基础知识

放大字体  缩小字体 发布日期:2017-08-17  浏览次数:31
核心提示:水性涂料配方体系水性涂料,包括水性木器漆是以水为分散介质和稀释剂的涂料。不常用的溶剂型涂料不同,其配方体系是一个更加复杂
 
水性涂料配方体系

水性涂料,包括水性木器漆是以水为分散介质和稀释剂的涂料。不常用的溶剂型涂料不同,其配方体系是一个更加复杂的体系。配方设计时,不仅要关注聚合物的类型、乳液及分散体的性能.还需要合理选择各种助剂并考虑到各成分之间的相互影响进行合理匹配。,有时还要针对特殊要求选用一些特殊添加剂,最终形成适用的配方。

配方的基本组成

1) 水性树脂: 这是成膜的基料,决定了漆膜的主要功能.

2) 成膜助剂: 在水挥发后,使乳液或分散体微粒形成均匀致密的膜,并改善低温条件下的成膜性。

3) 抑泡剂和消泡剂: 抑制生产过程中漆液中产生的气泡并能使已产生的气泡逸出液面并破泡。

4) 流平剂: 改善漆的施工性能,形成平整的、光洁的涂层。

5) 润湿剂: 提高漆液对底材的润湿性能,改进流平性,增加漆膜对底材的附着力。

6) 分散剂: 促进颜填料在漆液中的分散。

7) 流变助剂: 对漆料提供良好流动性和流平性,减少涂装过程中的弊病

8) 增稠剂: 增加漆液的黏度,提高一次涂装的湿膜厚度,并且对腻子和实色漆有防沉淀和防分层的作用。

9) 防腐剂: 防止漆液在贮存过程中霉变。

10) 香精:使漆液具有愉快的气味

11) 着色剂:主要针对色漆而言,使得水性漆具有所需颜色。着色剂包括颜料和染料两大类,颜料用于实色漆(不显露木纹的涂装),染料用于透明色漆(显露木纹的涂装)。

12) 填料:主要用于腻子和实色漆中,增加固体分并降低成本。

13) pH 调节剂:调整漆液的pH 值,使漆液稳定。

14) 蜡乳液或蜡粉:提高漆膜的抗划伤性和改善其手感。

15) 特殊添加剂:针对水性漆的特殊要求添加的助剂,如防锈剂(铁罐包装防止过早生锈)、增硬剂(提高漆膜硬度)、消光剂 (降低漆膜光泽)、抗划伤剂、增滑剂(改善漆膜手感)、抗粘连剂 (防止涂层叠压粘连)、交联剂(制成双组分漆,提高综合性能)、憎水剂(使涂层具有荷叶效应)、耐磨剂(增加涂层的耐磨性)、紫外线吸收剂(户外用漆抗老化,防止发黄)等。

16) 离子水:配方设计时往往还要添加少量的去离子水以便制漆。

水性树脂

水性漆配方中,基料是形成漆膜并决定漆膜性能的关键组分。配方设计时应尽量提高水性树脂的用量,占体积比的60-70%,使得漆液中的有效成膜物含量尽可能多,这样才能保证制成的漆一道涂装漆膜较厚,丰满度高。

水性丙烯酸树脂

丙烯酸乳液(acrylic emulsions),由于其通用性,耐候性及多样性,已在涂料行业的各个领域得到了广泛应用。水性丙烯酸乳液由丙烯酸酯单体为主的乙烯基单体经乳液聚合而成。聚合过程中添加了乳化剂、稳定剂、pH 调节剂等各种助剂,体系相当复杂。水性丙烯酸乳液制成的漆膜有良好的耐候性,不易黄发,硬度高,光泽好。近年来,随着水性丙烯酸乳液聚合技术的不断发展,多相聚合,核壳技术,自交联技术及高分子表面活性剂的应用,和核壳聚合等技术进一步改进和提高了水性丙烯酸乳液的性质,使得水性丙烯酸乳液的适应不同施工和使用条件的需要,用武之地得到不断的扩大。现在,水性丙烯酸乳液的应用已扩展到性能要求更高的工业用途领域

聚氨酯分散体

聚氨酯材料是分子结构中具有氨基甲酸酯结构的一类大分子化合物的总称,通常由二异氰酸酯和多元醇经聚加成反应制成。聚氨酯高分子既具有使其形成物理性交联的极性官能团,又具有非极性的及柔性的链段。使用得当,其极性管能团还可以进行进一步的化学交联。这些分子特性使得聚氨酯材料具有高强度,韧性及抗溶剂的能力。聚氨酯作为一种强度高,耐候性好,附着力强的优质材料,已在涂料领域得到广泛的应用。

 

根据制备聚氨酯所用的异氰酸酯类型,聚氨酯乳液和相应的漆可分为脂肪族型和芳香族型两大类。脂肪族的漆膜有优异的耐候性和抗黄变性; 芳香族水性聚氨酯多用来做室内装饰漆。按聚合得到的粒子大小有聚氨酯乳液和聚氨酯分散体(Polyurethane Dispersions PUD) 两类。水性聚氨酯分散体,采用独特的工艺将聚氨酯颗粒分散在水中,从而达到以水为载体的成膜作用。与其它乳液成膜机理相近,成膜的效果取决于颗粒间高分子相互渗透的能力。为增加渗透,一方面聚氨酯分子链要足够柔软,流动性好;另一方面,乳液颗粒要尽可能的小,这样可以增加颗粒间的接触面积,减少高分子的移动距离。水性聚氨酯分散体通常有纳米级的粒径,外观半透明甚至完全透明,是最好的水性漆基料之一。水性聚氨酯分散体有时被称为纳米乳液,以区别于外观呈白色的普通乳液。

水性丙烯酸乳液

水性丙烯酸乳液配方需要考虑的问题:水性丙烯酸树脂组成

在调制水性漆配方时,乳液原料的选择是工程师最重要的决定。涂料的主要性能是由树脂决定的。由水性丙烯酸酯乳液,包括聚苯乙烯-丙烯酸酯乳液种类繁多,市场上鱼目混杂。而不同的水性丙烯酸酯树脂组成对其水性漆成膜性及成本的影响很大。这里对几个影响因素进行简单讨论。

 

1)苯乙烯
聚丙烯酸酯乳液引入该单体的主要原因是其可提供较高的玻璃化转发温度(Tg), 从而提高成膜的硬度;另一个原因是成本。苯乙烯在包装工业上用量极大,是石油工业最重要的,成熟的下游产品之一,价格低但受宏观经济影响大。然而引入苯乙烯,特别是其含量高于总单体量的15%以上时,也会给水性漆成膜性带来许多负面影响。首先,含苯乙烯的聚合物链段缺乏柔韧性,宏观上表现为水性漆成膜硬而不韧;还有苯乙烯所含的苯环,是紫外光的吸收体,该单体含量高时,紫外线通过相邻苯环会对聚合物链有剪切反应,从而使水性漆漆膜发脆,光泽度下降,寿命降低;苯乙烯的结构也决定了它对很多有机溶剂有亲和力,水性漆漆膜的耐溶剂性也不其它的树脂有明显差距。

 

2)丙烯酸酯类单体
丙烯酸酯类单体种类很多,性能及价格相差很大。国内最常用的是丙烯酸丁酯,改单体成本最低,是大多乳液厂家用于与苯乙烯配套,制造廉价墙漆的乳液的单体。其功用是提供水性漆漆膜的柔韧性。由于丙烯酸酯聚合物主链上不含除酯基以外的基团,主链及酯基侧链柔韧性均好好,使水性漆漆膜缺乏硬度。这类聚丙烯酸酯乳液虽然是建筑内外墙涂料的选择,但作为对硬度及韧度要求都高的的木器漆来讲,性能就不够了。

 

3)甲基丙烯酸酯类单体
甲基丙烯酸酯类单体,比丙烯酸酯单体在性能上又上了一个台阶。由于甲基丙烯酸酯类聚合物主链上多了甲基,使其主链的活动性受到限制,主链钢性增强,同时酯基侧链有提供了柔韧性,使得甲基丙烯酸酯类单体具有硬度和韧性的最佳平衡,比如聚甲基丙烯酸甲酯(甲甲酯)就是人们俗称的有机玻璃;甲基丙烯酸酯类单体,由于不含苯环,使其比起苯乙烯类单体在抗紫外侵蚀,耐久性,及抗溶剂性方面都比苯乙烯有明显优势。

综上所述,水性丙烯酸酯树脂制造商对单体的选择很多,不但可以变换其种类,又可变换相对比例和成分。水性涂料厂家在选择水性丙烯酸酯乳液时,不能只考虑“纯丙”或“苯丙”这些空洞概念词汇,应该以水性丙烯酸酯树脂及其配方的实际性能为衡量标准。

在选择水性丙烯酸酯乳液时,不能只考虑“纯丙”或“苯丙”这些空洞概念词汇,应该以水性丙烯酸酯树脂及其配方的实际性能为衡量标准!

成膜助剂

构成乳液或分散体的聚合物通常具有高于室温的玻璃化温度。为了使乳液粒子很好地融合成为均匀的漆膜,必须使用成膜助剂降低最低成膜温度(MFFT)。成膜助剂是一类小分子有机化合物,存在于漆膜中的成膜助剂最终会逐渐逸出并挥发掉。

 

多数成膜助剂是涂料有机挥发物(VOC)的重要组成部分,因此成膜助剂该用得越少越好。选用成膜助剂要优先考虑不属于VOC 限制范围,但挥发性不得太慢、成膜效率还要高的化合物。成膜助剂的量取决于配方中乳液或水分散体的用量和玻璃化温度。乳液或水分散体用量大以及聚合物的Tg 高,成膜助剂的用量也要大,反之用量少,配方设计时,首先考虑成膜助剂大约占乳液的或水分散体的3%-5%,或占乳液或分散体固体分的5 %~15%。但是,对Tg 超过35℃的聚合物乳液可能要提高成膜助剂的用量才能保证低温成膜的可靠性,这时应逐渐提高成膜助剂的用量,直至低温(10℃左右或更低)涂装能形成不开裂、不粉化的均匀漆膜为止,找出成膜助剂的最低用量。

 

成膜助剂的用量达乳液或分散体的15%或者更高是不可取的,应考虑更换其他成膜助剂再试。除降低最低成膜温度和提高漆膜致密度外,成膜助剂还能改善工性能,增加漆的流平性,延长开放时间,提高漆的贮存稳定,特别是低温防冻性。

 

水性涂料的成膜助剂一般为醇醚类型的溶剂,最为常用的是二乙醇醚类、丙二醇醚类以及N-甲基吡咯烷酮等成膜助剂,并具有高低沸点之分。水性涂料在夏季施工时,水分挥发较快,即表干相对过快,有部分水分可能会在未干透之前封闭在涂膜内,导致涂膜发白或是流平不好的弊端。因而,可通过添加少量适当而合适的高沸点溶剂来延缓涂膜的干燥速度,延长涂膜的开放时间,改善其施工性能和涂膜外观。在冬季里,由于气温较低,水性涂料的干燥速度较慢,也即水的挥发较慢,但成膜助剂相对比水挥发快一些,或许部分不水一起蒸发,使水性涂料不能形成致密的涂层,导致水性涂料的涂膜存在发白和开裂的现象。所以添加成膜助剂时,一定要考虑克服水性涂料在不同季节的施工性,同时还要考虑其尽可能干燥速度快一些,这也是水性涂料最难的技术要点,尤其是Tg 较高的丙烯酸分散体更是难解决的问题。因此,多种成膜助剂来搭配是最好的选择。

 

成膜助剂有一个不树脂体系的相容性问题,在一个体系中很好的成膜助剂在另一种水性木器漆中可能造成体系不稳定,或者起严重,或者重涂性不良。配方设计时要充分考虑到这一点,并且过试验选取最佳成膜助剂及其用量。 

消泡剂和抑泡剂

消泡剂是水性涂料中最难控制消泡不流平达到平衡的助剂之一。漆液在涂装中因搅动会产生气泡。存在于漆液中的气泡如不及时消除,漆膜干后,形成不可接受的瑕疵。漆液在生产过程中、泵送和灌装时也会产生气泡。

 

消泡是配方设计过程中不可忽略的因素,消泡剂的消泡机理是通过润湿渗透到由体系产生的泡沫薄膜上且不断要在薄膜上扩散,使泡沫薄膜的表面张力不平衡而破泡。

 

一般来说,消泡剂分为抑泡剂和破泡剂两种,抑泡剂的作用是抑制水性涂料在外力的作用下泡沫产生,而破泡剂主要是在已生成泡沫膜的表面迅速散布,破坏气泡的弹性膜,使之破裂,但常常两种搭配使用效果比较好,否则至少要选择一种有效的消泡剂。多数消泡剂,特别是机硅消泡剂,在用量过大时会使湿漆膜产生缩孔,因而消泡剂的用量以能基本消除气泡为原则,不可过度追求消泡效果,以免出现缩孔等副作用。对于水性木器漆,矿物油类消泡剂比有机硅消泡剂的宽容性大,添加稍多不容易出现严重的缩孔,可以优先考虑选用。

目前市场上已有很多消泡剂,其选择要非常谨慎,可以从几个方面加以注意:

1. 受控相容性,即是要达到消泡和表面效果的平衡,既要消泡,又要防止缩孔、流平性差等缺陷。

2. 根据施工条件和方法进行消泡,例如刷涂、喷涂以及辊涂面临不同的起泡程度,也意味着不同的消泡剂选择。

3. 抑泡和破泡的平衡,可根据不同加工和施工方式,合理搭配。

4. 长效消泡性能。许多消泡剂在漆液贮存过程中会逐渐减弱其消泡性能,在设计配方时应使漆中的消泡剂含量偏高一些。

消泡剂的用量占整个配方的0.05%~0.5%,最好在0.1%左右,如果所用的消泡剂添加量超过0.5%才有好的消泡效果的话,应考虑更换消泡剂。不同的树脂体系对消泡剂的敏感程度不同。 水性消泡剂选定的类型和用量必须根据不同的体系,通过实验来确定。

润湿流平剂

润湿流平剂能有效地降低体系的表面张力,显著改善水性木器漆的施工效果。加入润湿流平剂后漆对底材的润湿性能和渗透性增加,漆液的流平性得到改善,有时还能克服缩边 (镜框效应) 问题。更重要的是流平剂能解决常见的缩孔问题,特别是过度使用消泡剂后引起的缩孔。过量的流平剂会抵消消泡剂的消泡作用,使得漆液在施工时产生气泡,有的还有明显的稳泡作用,所以应尽量选用流平性好、起泡性低、稳泡性小的润湿流平剂。流平剂不消泡剂的配合,包括品种的选择和用量的控制,是水性木器漆配方研究的重点.

理想的润湿剂应当包含以下几个方面:

1. 有效降低体系的表面张力能力,改善其对基材的润湿性和渗透性。

2. 尽可能低起泡性、稳泡。

3. 尽可能低的水敏感性。

4. 不影响层间附着力。

5. 良好的表面张力平衡,既能提高基材润湿,又不因过度降低表面张力而影响流平或产生缺陷。

流平剂一般用量在0.1%~1.0%,最好控制在0.3%左右,当消泡剂超量时,为了克服缩孔,流平剂的用量甚至会超过1%。腻子配方中可不用流平剂。

流变助剂

流变助剂提供低剪切条件下的流平效果,使涂刷后的漆液能尽快流平,减少刷痕,避免飞溅,但是随着干燥时间的推移这种流平作用减弱,漆膜固定,又可避免漆液在垂直面上产生流挂。

流变助剂从性能上可分为高、中、低三种剪切黏度的类型:低剪切黏度的流变助剂能够提供罐内黏度,防止颜料沉降,并有效的控制漆液在立面作业时产生的流挂;提供中高剪黏度的流变助剂能很好的提高水性涂料的丰满度和流平性,而与用提高高剪切黏度的流变助剂则帮助流平、防止飞溅以及提高辊、刷涂施工性能。所以,流变助剂的种类和用量必须根据施工的要求及体系来选定,一般根据施工方法的不同来选定流变助剂类型,往往通过三种剪切黏度的流变助剂来搭配才能达到所需施工效果。

 

聚氨酯缔合型增稠剂是目前在水性涂料中应用最广泛的,但是该类增稠剂在水性涂料体系中的选定不配方中其他成分有密切的联系。如增稠效果不水性涂料中的聚合物颗粒大小和疏水性以及助溶剂有很大的关系,如果水性涂料中的聚合物颗粒越小,越疏水,以及助溶剂在聚合物中的分配系数越高,其增稠效率就高,否则该类增稠剂添加很大量都没达到所需的黏度。同时,建议用水稀释后,在合理的剪切力下加入,否则也有可能不体系发生絮凝,产生颗粒。

表面控制助剂

表面控制助剂的种类和作用包括:

1. 改善流动和流平;

2. 降低摩擦系数,增滑;

3. 增强抗划伤能力;

4. 抗粘连;

5. 增强哑粉等的排列;

6. 特殊手感,如柔感等;

7. 其他,如改善涂膜的耐水性、耐污性等。

它们一方面通过均衡干燥过程的表面张力,实现均匀干燥和流动,降低表面粗糙;另一方面在干燥过程中集中在表面,形成光滑涂膜,增加滑度和其他特殊性能。

 

这类助剂主要有两种:

1. 有机硅:这类表面控制助剂,添加量很少就能征有效的提高涂膜的抗刮耐磨性等性能,一般与体系的相容性差,如果选择不当,往往会影响涂膜的光泽度及涂膜层间的附着力。

2. 蜡乳液,例如棕榈蜡和聚乙烯蜡:一定程度影响涂膜的光泽度,这不其的粒径大小及分布有关。蜡乳液要加至配方总量的2%~8%才会有明显的效果,过多的蜡乳液影响漆膜强度并降低层间附着力,推荐的最佳用量为3%~5%。腻子不用蜡乳液,除非有特殊的表面效果要求。一般实色漆中多不必加蜡乳液。有时蜡乳液可用蜡粉代替。

 

采用两种类型的表面控制剂搭配效果更佳,但以下几个方面要非常注意:

1. 是否严重影响涂膜光泽度;

2. 对层间的附着力的影响;

3. 稳泡性评估;

4. 体系的储存稳定性。

消光剂

消光剂是用来调控水性涂膜光泽度的添加剂,以满足当今市场哑光漆主流产品广泛需求。消光剂的消光机理是能有序地排列在涂膜表面,使涂膜表面凹凸不平,造成照在涂膜表面的光线漫反射,从而达到消光的目的。

水性涂料中应用的树脂固含量比较低,制成水性涂料的有效成分不高,加上是分散体系,因而水性涂料的消光比较容易,但不同水性树脂体系的消光难易都不一,一般丙烯酸乳液比水性聚氨酯分散体相对较好消光,但在防沉降性能方面比水性聚氨酯分散体系好一些。 所以消光粉的选定必须要考虑其在不同的体系和用途来评定。消光剂尽可能选定其的折射指数不水性树脂的折射指数相近,减少对涂膜的透明度影响,同时,还要考虑其在体系中的消光效果、分散性、防沉性及手感。

防腐剂

水性涂料是水基体系,在生产过程中较易带入细菌,在储藏过程中都较易被微生物降解,因而,在配方设计时应适当添加防腐剂的类型和用量,防止体系和涂膜的腐败。从环保的角度考虑,应使用较低毒的防腐剂,另外还要注意与体系的匹配性,以及在添加时必须用水稀释后方可,否则,会与体系发生絮凝及不良的现象。

一般来说,对于异噻唑啉酮类防腐剂用量在0.1%已足能防止漆液在贮存过程中霉变。加0.1%的防腐剂后,密封贮存两三年不成问题。

酸碱度调节剂

水性涂料有必要时还可能要调pH 值。多数乳液或水分散体生产时已将pH 值调为8~9,制漆时不必再用pH调节剂。如果pH 值有偏差制漆过程中要加0.05%~0.1%的pH 调节剂,将漆液的pH 值调至7~9。许多水性木器漆只有在中性至微碱性条件下才能稳定,当pH 值过高或过低时,漆液可能会产生絮凝、沉淀、返粗、施工性能恶化等现象。

 

不同的体系的pH 值的要求都不一样,所以,水性涂料的pH 值是根据体系的不同来调整,同时要考虑不配方中防腐剂的匹配。还要注意的是添加时必须用水以倍数来稀释,以免引起体系产生颗粒。

颜料和填料

 

实色漆中,以白漆为例,钛白粉用量要能保证漆膜有足够的遮盖力,钛白粉的用量不应低于13%,但也不必高于22%,这种。情况不溶剂型白漆是一样的。

填料可少加或不加。然而,水性腻子中必须加少量填料,如滑石粉、重钙以及硬脂酸锌等,总用量在15%~30%之间均可。填料越多,腻子的透明性越差,但填隙性越好。

着色剂包括颜料和染料两大类,颜料用于实色漆(不显露木纹的涂装),染料用于透明色漆(显露木纹的涂装)。

配方中有颜填料时要加入颜填料总量2%~10%的润湿分散剂帮助颜填料的分散。

 

其他添加剂

 

1. 香精:香精的用量只要能起到改善漆液的气味作用即可,用量0.05%左右已足够,个别情况可高至0.1%,当然也可以不用。

2.紫外线吸收剂:室内用水性木器漆很少用紫外线吸收剂,对用TDI 制的乳液或水分散体生产的清漆以及户外用漆,特别是户外用白漆最好添加紫外线吸收剂,以阻止光降解和降低光致发色的速度。

 
 
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