0 引 言
随着我国建筑业的快速发展, 人们对建筑物外墙的装饰要求也越来越高。其中, 玻璃幕墙、铝塑板等具有华贵凝重的装饰效果和优越的防护性能, 但造价比较昂贵, 并且玻璃幕墙存在光污染等问题而受到限制使用; 溶剂型氟碳漆虽然具有较好的耐候性能和装饰效果, 但其在实际应用中存在较多的缺点, 如涂膜的透气性差, 用于建筑装饰涂装时涂层易起皮脱落,在配制过程中使用大量有机溶剂, 因此涂层中有机溶剂的挥发对环境产生严重的污染, 成本高, 施工难度大。本文研制的纳米复合水性金属外墙涂料可以在已封闭处理过的水泥建筑外墙表面直接喷涂, 同时达到金属幕墙所具有的诸多装饰效果和防护性能, 其各项性能指标都达到并超过国家优等品标准, 环保无毒, 具有广阔的应用前景; 同时该产品成本低廉, 施工简单, 为其推广应用创造了良好的基础。
1 实验部分
1. 1 主要原料
聚酯改性丙烯酸乳液A 和B: 国产; 硅丙乳液: 国产; 金属光泽颜料: 国产; 膨润土: 海明斯公司; 纳米S iO2: 德固萨公司; 定向排布剂: 毕克化学公司; pH 调节剂: 国产。
1. 2 主要仪器
CR- 10色差计, 日本美能达公司; WGG60 - E3光泽计, 科仕佳光电仪器研究所; QHQ 型涂膜铅笔划痕硬度计, 上海现代环境工程技术有限公司; QC J型涂膜冲击器, 上海现代环境工程技术有限公司; QTX型涂膜柔韧性测定器, 上海现代环境工程技术有限公司; JTX型建筑涂料耐洗刷仪, 上海现代环境工程技术有限公司。
1. 3 配方设计
水性金属光泽外墙涂料的基本配方如表1所示。
1. 4 制备工艺
将乳液A 分散在水中, 加入助剂, 然后再将膨润土和纳米SiO2 慢速加到该树脂混合物中, 高速分散,砂磨至细度达到要求, 制得漆基A。
在漆基A 中加入另一部分乳液B, 及助剂(消泡剂、分散剂、流变剂、防霉杀菌剂、成膜助剂等) , 分散均匀, 制得漆基B。
将金属光泽颜料加入水和助溶剂等组成的混合溶液中, 充分润湿分散, 制得金属光泽颜料的润湿液。将其再加入到漆基B 中, 分散均匀, 后加入pH 调节剂调节体系pH 值, 加入增稠剂调节体系黏度, 即制成了水性金属光泽外墙涂料。
1. 5 施工工艺
施工时, 底材必须干燥, 含水率< 10% , pH < 10。首先, 清理底材表面灰尘、油脂或松散物质, 如有孔隙应及时修补, 确保墙面清洁、干燥、平整和坚实; 然后,刮涂高性能外墙腻子2~ 4道, 直至平整, 干后再打磨光洁; 喷涂水性外墙封闭底漆1~ 2道; 干后打磨平整; 喷涂中涂漆1道; 后, 喷涂水性金属外墙涂料2~ 3道。
1. 6 水性金属光泽外墙涂料的性能
本实验研制的水性金属光泽外墙涂料的技术性能见表2。
2. 1 原料的选择
2. 1. 1 乳液的选择
作为水性金属光泽外墙涂料的乳液, 其各方面性能要求相当高。首先是耐候性要好, 附着力强, 耐水、耐碱、耐酸、耐沾污性等综合性能优异, 涂膜在室外恶劣的环境下能保持良好的性能; 其次, 由于工艺上的需要, 要求其机械稳定性好, 能经受砂磨等高剪切的分散过程; 再次, 乳液对金属光泽颜料的润湿性要好,乳液的涂膜必须透明, 遇水不发白, 光泽高, 色泽浅,使涂膜呈现出显著的金属光泽, 达到优异的装饰效果。本实验分别选用了聚酯改性丙烯酸乳液A 和B、硅丙乳液及纯丙乳液, 对乳液涂膜性能进行了测试,结果见表3。
由表3结果可知, 本实验中的硅丙乳液和纯丙乳涂膜的透明性和色泽虽优于前两种聚酯改性丙烯酸复配的乳液, 其他性能也基本达到要求, 但是两者的机械稳定性不佳, 达不到工艺的要求。而由聚酯改性丙烯酸乳液A 与B复配( A:B = 1:10)的乳液各方面性能优异, 与按A:B = 1:5复配的聚酯改性丙烯酸乳液相比, 其成本更低, 综合性能佳, 故本实验配方中选其为乳液。
2. 1. 2 金属颜料的选择
金属颜料有铝粉、铝粉浆、云母钛珠光颜料等。由于用于水性体系的水性铝粉和水性铝粉浆要求乳液与其表层载体相容, 不能对铝片有化学性的损坏,不可过酸或过碱, 表面需要罩一层清漆防护, 并且其光泽偏灰, 价格偏高, 因而其应用受到种种限制, 本实验未采用。本实验选用了金红石型的云母钛珠光颜料, 通过对不同厂家不同牌号的金红石型珠光颜料进行测试,终找到了合适的珠光颜料。将厂家A和B的相同牌号的珠光颜料, 制备成漆, 对比漆料和涂膜的性能,结果见表4。
表4 两个厂家的相同牌号的珠光颜料的性能对比
将厂家B 生产的不同牌号的珠光颜料, 以相同的用量制备成漆, 比较涂膜的光泽、色相及遮盖力等性能, 结果见表5。
表5 厂家B不同牌号的珠光颜料的性能对比
从表5可知, 随着颜料粒径的增大, 遮盖力下降,光泽增大, 金属光泽效果变强, 而涂膜的颜色值( L、a、b)所受的影响不大。在实际应用中, 要体现优异的装饰效果, 要求既有较强的金属光泽效果, 又要有一定遮盖力, 故确定选用由1# 和3#以1:1(质量比)复配的2#珠光颜料。将2# 珠光颜料用于制备水性金属光泽外墙涂料, 改变其在涂料配方中的用量, 检测涂膜的性能, 结果见表6。
表6 不同金属光泽颜料用量的涂料涂膜性能对比
由表6数据可知, 随着金属光泽颜料用量的增大, 光泽降低, 遮盖力逐渐提高, 而L* 值先增大后减小, 并且在用量为10% 处达到大值, 涂膜的色相值a* 和b* 上变化不大, 在色差允许范围内, 涂膜的光滑度则随之降低。这是由于随着颜料量的增加, 片粉之间会相互接触, 到一定程度, 使片粉不能自由调整,从而使光泽下降, 同时加大用量还会增加"边缘效应", 即光线为粒子边缘散射。所以金属光泽颜料的佳用量为10% , 此时涂膜的金属光泽佳。此外, 金属光泽颜料不宜与不透明或光散射性很强的颜料一起混合使用, 一般应选用透明好或光散射性较弱的颜料及填料, 如果要用不透明或光散射性很强的颜料, 其用量不宜过高, 否则其金属光泽效果会大大降低。
2. 1. 3 防沉剂及流变剂的选择
2. 1. 3 防沉剂及流变剂的选择
由于金属光泽颜料密度高, 颗粒相对较大, 在贮存过程中极易沉降结团, 因此必须选用优良的防沉剂和流变剂, 促进金属光泽颜料定向排布, 提高涂膜的金属光泽效果和涂料的贮存性能。本实验选用了膨润土、纳米S iO2 和定向排布剂用于金属光泽颜料的防沉定向, 同时配合选用了2种疏水缔合型聚氨酯(HEUR)流变剂, 赋予体系良好的流平性和抗流挂性。本实验将金属光泽颜料通过表面改性, 使其进入到膨润土的层间, 与有机物质一起与膨润土相互交联, 从而被引入到形成的膨润土- 有机复合物的网状立体结构中, 防止了涂料中珠光颜料的沉降, 促进了金属光泽颜料的定向, 提高了涂料的贮存稳定性和施工性, 改善了体系的流平性、抗流挂性等。本实验中选用了一种经过表面处理的颗粒很细的疏水性纳米S iO2, 在体系中形成三维网状结构, 将极易沉降的金属光泽颜料引入到三维网状结构中, 使其在体系中稳定分散, 不沉淀, 从而发挥了纳米S iO2防沉定向的效果。同时纳米S iO2 具有极强的紫外线吸收、红外光反射特性, 添加在涂料中能提高涂料的耐老化性, 它还可以提高涂料的耐候性、耐划伤性, 提高涂层与基材之间的附着力以及涂层的硬度等, 赋予涂料许多优良的性能。本实验还选用了一种高分子蜡乳液作为定向排布剂。它是一种蜡的聚合物颗粒在水中的分散体, 正是由于这种微粒的存在, 其本身有一定上浮的特性,在体系中起到一种托力的作用, 可防止金属光泽颜料沉淀, 在涂料成膜时还能够帮助珠光颜料定位整齐,促进金属光泽颜料的分散, 同时, 该蜡乳液还有助于提高涂膜的光泽, 使得涂膜的金属光泽效果更加显著。
本实验选用2 种HEUR 流变剂, 一种用于低剪切增稠, 另一种用于高剪切增稠, 两者配合使用, 分别用于提高涂料体系的贮存稳定性和施工性能。其增稠作用对体系中表面活性剂较为敏感, 尤其是加入任何离子含量高的原料都会导致HEUR 类增稠剂溶解性的下降。因此, 在配方中应尽量减少多元酸均聚物分散剂等离子含量高的原料的使用。
2. 2 制备的关键工艺及优化
2. 2. 1 膨润土和纳米S iO2 的分散
膨润土是由硅铝盐的片状晶层结合而成, 要使水和有机物进入层间, 层与层发生分离, 使膨润土膨胀,需要高剪切力的作用。同时考虑到膨润土分散于水性涂料中时, 涂料中的有机物分子中的- OH、-COOH、- CH2CH2OH 等极性基团, 可以被蒙脱石层间负电荷所吸引, 而插入层间, 在分散时可以加入一些带有极性基团的有机物质。而纳米SiO2 比表面积大, 表面能高, 非常容易团聚, 在应用过程中必须适当分散, 才能取得有效的作用。本实验中将膨润土和纳米SiO2 在少量乳液中先进行预分散, 即先在这部分乳液中加入分散剂等其他助剂后, 慢慢加入膨润土和纳米S iO2, 润湿, 然后在高剪切力作用下, 砂磨分散, 充分活化, 达到一定的细度。然后再将膨润土、纳米S iO2 的预分散液(即漆基A )加到剩下的大部分乳液中, 并加入其他助剂, 配制成漆, 从而将膨润土和纳米SiO2 较好地分散在涂料体系中。通过比较在膨润土和纳米S iO2 分散时加入和不加极性有机物质的两种情况, 可以发现, 加入极性有机物质后, 体系的触变性能有显著提高, 制得的涂料的色泽、白度、珠光颜料分散性和定向效果均得到提高, 贮存稳定性显著改善。
2. 2. 2 金属光泽颜料的润湿分散
金属光泽颜料在适度搅拌下直接加入基料中, 通过剪切和颜料颗粒之间的相互摩擦来完成分散。过高的剪切会降低珠光效果。因此, 尽可能选择低剪切速率搅拌, 采用低剪切分散设备, 如框式、锚式的搅拌器等。
如果将金属光泽颜料直接加到乳液中分散, 乳液、表面活性剂、消泡剂和其他助剂会互相争夺金属光泽颜料表面的附着点, 这会降低涂膜的附着力和强度, 使湿气侵入附着凝结, 造成涂膜发白、起泡和其他问题。因此, 本实验先将金属光泽颜料进行润湿, 即将其加入到水和助溶剂的混合物中低速搅拌, 充分润湿, 然后再加入到漆基B中中速分散, 并且在此过程中不断搅拌金属光泽颜料的润湿液, 防止其沉降。为提高金属光泽颜料的润湿效果, 先后加入漆基A、高分子蜡乳液、阴离子表面活性剂、pH 调节剂等,调整润湿液的配比, 进行了一系列实验, 比较了金属光泽颜料的润湿分散效果, 以及其对涂料的贮存性能、涂膜金属光泽效果的影响。金属光泽颜料润湿液不同组成及配比见表7, 相应的测试结果见表8。
由表8结果可知: 加入pH 调节剂后, 体系黏度显著降低, 珠光颜料可以分散均匀。通过对比还可知: 体系中加入阴离子表面活性剂不利于提高涂料贮存性能; 而加入高分子蜡乳液和漆基A 则有助于提高贮存性能, 且当两者同时加入时, 两者间的配合作用使得体系贮存性能大大提高。这是由于加入pH调节剂后, 体系的pH 值升高, 珠光颜料颗粒自身- OH使其相互排斥, 从而有助于珠光颜料的润湿分
散; 漆基A 和高分子蜡乳液的同时加入, 有助于膨润土、纳米SiO2 和HEUR 流变剂在体系中形成三维交联网络结构, 从而增强了基料与珠光颜料的结合, 起到防沉定向的作用, 使体系具有优异的触变性能, 涂料贮存性能良好; 而阴离子表面活性剂的加入, 使得珠光颜料颗料表面带有负电荷, 相互排斥, 有助于珠光颜料的润湿分散。但过强的电负性不利于HEUR流变剂三维缔合网络的建立, 从而使得体系的触变性能降低, 涂料贮存稳定性变差。
3 结 语
通过对乳液、金属光泽颜料、防沉剂和流变剂等原料的选择和测试, 确定了水性金属外墙涂料的配方, 同时还探讨了涂料制备的几个关键工艺及配比,找到了制备水性金属光泽外墙涂料的合适工艺路线,所制备的涂料性能各方面都达到推广应用的要求。
