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【干货】水性涂料配方基础知识(上)

时间:2018-6-21 6:19:27 点击:110

  核心提示: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,而不常用的溶剂型涂料则不同,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。有时候,我们还要针对特殊要求来选用一些特殊添加剂,最终形成适用的...

   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,而不常用的溶剂型涂料则不同,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。有时候,我们还要针对特殊要求来选用一些特殊添加剂,最终形成适用的配方。由于梳理的内容也颇为详细,故此笔者整理成(上)、(中)、(下)三个系列与大家一起探讨,欢迎指导!
    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。而其主要成分水性树脂当中,稳定性、耐候性、耐光性、耐腐蚀等表现都非常出色的就是水性丙烯酸树脂。水性丙烯酸树脂制成的水性涂料成膜性能好、保色性也十分不错、且兼具无污染、施工性能良好等特点。
    至于水性丙烯酸树脂,则是通过丙烯酸乳液聚合而成。丙烯酸乳液,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。
来源:中国水漆网
网址 : www.shuiqi.com.cn

作者: 来源:中国水漆网
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