乳胶漆抗开裂性能的研究
陈明毅1，陈炳耀1，罗智斌2，陈炳江2
（1. 广东三和化工科技有限公司，广东中山 528429 ；2. 广东顺德三和化工有限公司，广东佛山 528325）
0 引言
乳胶漆施工后，漆膜容易出现细小裂纹，严重时甚至会出现大片脱落和剥离等弊病，此时漆膜失去原有的保护和装饰作用。乳胶漆开裂有施工的原因，也有配方设计等因素的影响。本研究通过对乳胶漆配方设计中成膜机理的研究，分析造成乳胶漆漆膜开裂的原因，从基料、成膜助剂，以及颜填料的选择及搭配等方面解决乳胶漆开裂的问题，如通过适当提高填料的粒径，降低其吸油量；采用一些纤维状或片状填料或玻璃化温度低的乳液；增加成膜助剂用量，以及调整配方的颜料体积浓度（PVC）等措施来降低乳胶漆漆膜开裂的风险。
1 试验部分
1.1 原材料与基本配方
乳胶漆原材料与基本配方见表1。
1.2 性能测试
1.2.1 低温成膜性
用具有厚度梯度的刮膜器将乳胶漆刮涂于涂有底涂的水泥纤维板上，放入冷冻箱中，温度设定为5℃。待漆膜完全干燥后观察其是否开裂以及开裂厚度。开裂厚度越厚，表明涂料的低温成膜性越好。
1.2.2 抗开裂性
1.2.2 抗开裂性
底材采用Leneta 无封底的测试纸，分别用800 μm和1 000 μm 厚度的刮膜器将乳胶漆刮涂于测试纸上，然后将测试纸放入抗开裂测试器内，在一定风速下干燥，分别测试800 μm 和1 000 μm 厚度漆膜的开裂情况。测试温度：10~12℃。
1.3 漆膜龟裂厚度试验
裂缝是由于漆膜干燥收缩应力大于其抗拉强度而产生的。随着颜填料比表面积的增大，漆膜干燥收缩应力提高，就容易产生裂缝。漆膜龟裂厚度试验板涂布湿膜可以表示漆膜的开裂程度，涂布后的湿膜在（23±2）℃、相对湿度（50±5）% 的标准条件下养护48 h，观察干膜的开裂情况，开始开裂的干膜厚度就是该乳胶漆抗干燥收缩裂缝的极限，以μm 来表示。对于基层平整度较好的内墙乳胶漆，漆膜抗干燥收缩裂缝好在500 μm 以上；对于基层平整度较差的外墙乳胶漆，漆膜抗干燥收缩裂缝好在1 000 μm以上。
2 结果与讨论
2.1 乳胶漆成膜机理及漆膜开裂原因
乳胶漆施工后，漆膜中各组分，包括颜填料、聚合物颗粒等随水分挥发逐渐靠拢，而分子间存在的静电斥力和空间位阻使分子分散。随着水分进一步挥发，分子颗粒表面的吸附层破坏，成为不可逆接触，达到紧密堆积，在分子驱动力作用下，颗粒变形，聚结成膜。如果在成膜过程中受力不平衡，成膜不完全，漆膜就会开裂。
2.2 临界颜料体积浓度（CPVC）对漆膜开裂性的影响
临界颜料体积浓度是指基料聚合物恰好覆盖颜填料粒子表面，并充满颜料和填料粒子堆积所形成空间时的颜料体积浓度，以CPVC 表示。
式（1）中：OA为吸油量，g/100 g ；ρ 为颜料密度，g/cm3 ；93.5 为亚麻仁油密度，×100。
如果乳胶漆颜料体积浓度（PVC）处于CPVC 区域附近，乳液聚合物对粉料的填充与包裹处于连续与分散的临界点，漆膜在干燥时容易导致应力集中，漆膜的抗开裂性就较差，因此在配方设计时需要关注配方的PVC 与CPVC，尽量不要将PVC 落在CPVC附近的危险区域。如图1 所示，PVC 为60% 时，漆膜开裂现象比较严重，这表明CPVC 在60% 左右。
2.3 成膜助剂对漆膜开裂性的影响
乳胶漆的成膜是由水分挥发、乳胶分子变形和乳胶分子链段扩散缠绕而融合成连续膜，连续成膜的必要条件之一是成膜环境温度必须高于乳胶漆的低成膜温度。成膜助剂是一种高沸点、挥发慢的极性溶剂，在成膜过程中可提供足够的自由体积，帮助乳胶漆降低其玻璃化温度及低成膜温度。由于颜填料的影响，乳胶漆的低成膜温度会高于乳胶聚合物体系的玻璃化温度（Tg），另外，随着PVC 的提高，颜填料黏附成膜助剂的量也会增大，导致成膜助剂效能降低，所以需要更多的成膜助剂，以保证乳胶漆的成膜温度高于其低成膜温度，否则乳胶漆不能连续成膜。成膜助剂添加量不足，漆膜成膜不良，就会造成漆膜开裂。
成膜助剂的用量还取决于乳液聚合物的低成膜温度和成膜助剂的效能，表2 列出不同的乳液、采用不同用量的成膜助剂Texanol 所能达到的低成膜温度。
不同品种乳液的低成膜温度不同，确定成膜助剂用量时，不仅要考虑乳液的低温成膜性，更应该注意乳胶漆的低温成膜性，一般以乳胶漆低成膜温度为5℃作为成膜助剂的用量要求。
2.4 乳液的选择
乳液Tg 是高分子链运动被激发，即链段由冻结状态到具有足够热运动能量以克服内旋转位垒的转变温度，从力学性能上说，这一阶段就是乳液从玻璃态到高弹态的转变过程。乳液低成膜温度（MFT）是指乳液在干燥过程形成不开裂的连续膜的低温度。MFT 和Tg 是同一性质的两个不同方面，MFT 表现的是乳液外观形态上的变化，而Tg 是从力学性质、物态转变的角度，从乳液分子结构方面对乳液进行表征，对普通乳液来说，温度低于Tg，乳液不会发生聚结；温度高于Tg，乳液便会发生聚结而形成致密的薄膜，MFT 经常用来替代Tg。如图2 所示，Tg 高的乳液成膜时容易造成漆膜开裂。故在满足各项性能要求的前提下，应尽量选择Tg 较低的乳液。
2.5 颜填料的选择
颜料是乳胶漆中重要的固体组分之一，能赋予漆膜整体骨架支撑能力。未添加颜料的乳胶漆膜柔韧性优良、致密、整体性好。如果将颜料，特别是较细的粉料添加到涂料中，漆膜的柔韧性变差、易碎，漆膜的整体抗拉强度就越低。所以在乳胶漆配方中，其他组分不变的情况下，使用一些较粗的颜料，如片状结构的云母粉及滑石粉，能明显改善漆膜的强度和减少收缩应力，有利于改善漆膜的抗开裂性。
绢云母矿物表面具有活性基团，容易与高分子链相结合、缠绕，在漆膜中平行排列，上下重叠，使漆膜内部形成一种致密的网状结构，从而大大提高漆膜的综合性能和抗渗透性，提高漆膜强度、抗龟裂性。当云母粉添加量为4%~6% 时，漆膜的抗开裂性能佳。
滑石粉属于硅酸盐系列的粉体，它是一种水合化合物，主要化学成分为3MgO·4SiO2·H2O，其中镁原子和氧原子结合，夹在两片二氧化硅之间。滑石粉比较软，质轻，在漆膜中能吸收伸缩应力，避免产生裂缝。当滑石粉添加量为4%~6% 时，漆膜的抗开裂性能佳。
云母粉与滑石粉用量对乳胶漆抗开裂性的影响见图3。
2.6 施工环境的影响
（1） 底材
如果底材自身湿度过高，在涂装之后随着底材水分的蒸发，底材表面就会出现裂缝，随之漆膜表面也会出现裂缝；此外，底材表面如凹凸不平会导致湿膜厚度不一致，干燥速率和产生的收缩应力都不一致，从而导致漆膜开裂。
（2） 温度
不管是什么类型的涂料，都会有施工温度要求，一般是5~35℃，如果环境温度低于或高于此温度范围，就会出现脱粉、开裂、附着力差等漆膜弊病。施工温度的影响见图4。
（3） 湿度
施工时，环境湿度不能高于85%，在较高湿度环境下施工，会导致漆膜水分蒸发缓慢，使得乳胶漆湿膜难以干燥成膜，从而发生开裂。
3 结语
乳胶漆施工干燥后开裂是比较常见的问题，在乳胶漆漆膜开裂后直接修补难度较大，通常要将开裂的涂层打磨清除后，再重新涂布施工，这会导致工期延长、原材料浪费、费用增大等。通过对乳胶漆成膜机理的研究，分析造成漆膜开裂的原因，从成膜助剂的选择、基料以及颜填料的选择及搭配方面解决乳胶漆开裂的问题。
