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水包水多彩涂料的研究进展

                                        水包水多彩涂料的研究进展
                                   李国梁,叶仙华,乔永洛,申亮
                 (江西科技师范大学有机功能分子研究所,江西南昌330013)
    摘要:水包水多彩涂料具有环保无毒、仿真性高、抗裂性好、耐候性高、施工快、性价比高、轻质材料等优点,被广泛应用于建筑内外墙、饰面板等领域,并具有广阔的应用前景,已经成为近几年研究的热点。本文主要介绍水包水多彩涂料所用保护胶体系、成膜物质、各种助剂;最后对水包水多彩涂料的发展进行了展望。
    关键词:水包水多彩涂料;凝胶体系;成膜树脂;彩粒
    中图分类号:O622 文献标识码:A 文章编号:1007-3558(2014)06-0013-05
    水包水多彩涂料是一种以水性树脂和保护胶体复合制备的彩色粒子构成涂料的分散相, 保护胶水溶液和水性树脂构成连续相的多相悬浮体系[1]。该涂料经喷涂施工,涂膜干燥后可呈现出多种色彩花纹,形象逼真,外观类似于花岗岩,所以又叫液体花岗岩或仿石涂料,见图1。相对于真石漆和干挂石来说,具有色彩搭配容易、制备简单、重量轻、装饰性好、节能环保等特点。
                
    多彩涂料最早是由E.R.Bush[2]提出,并于1939 年获得专利;到50 年代多彩涂料达到了实用化,有商业品出售;60 年代,多彩涂料发展较快,可用于多彩涂料中的成膜物的种类越来越多,如聚苯乙烯树脂、聚酞亚胺等;进入70 年代以后,日本在这方面研究较多,开发出了不含溶剂的水性多彩涂料[3]。在我国80 年代初开始研制多彩涂料, 并相继从国外引进一些厂家开始引进一些生产线和相关技术;90 年代国内出现了多彩涂料产品,由于产品新颖,装饰效果突出等特点,短时间内在国内得到了快速的发展[4],但由于产品存在稳定性差、耐水白不好、施工难度高,同时多彩涂料的耐候性不如真石漆,因此在90 年代流行一段时间后快速消失,建筑外墙基本使用真石漆。进入21 世纪,随着合成树脂技术和水性涂料助剂技术的发展,特别是硅丙乳液技术和保护胶技术的进步,涂料工作者解决了水包水多彩涂料的稳定性和耐候性问题,同时施工方法简单化,因此近几年来水性多彩涂料发展迅速,大有代替外墙真石漆和干挂石的趋势。本文介绍了水包水多彩涂料的制备原理,综述了水包水多彩涂料制备过程所用的树脂、保护胶、助剂等材料,最后总结了水包水多彩涂料目前存在的挑战与机遇。
    1·水包水多彩涂料的制备原理
    多彩涂料由连续相和分散相组成,根据两相性质分类主要分成4 种类。例如:连续相为水相,分散相为油相我们称之为O/W(水包油型),其它三类则分别是W/O(油包水型)、O/O(油包油型)、W/W(水包水型)。上述前三种多彩涂料由于使用了大量的有机溶剂,使用时有机溶剂的排放量很大,因此遭到了市场的排斥。水包水多彩涂料是一种水包水型(W/W)多相悬浮体系,其中彩色粒子是一种水性体系,连续相也是水性体系,制备过程包括彩粒的制备过程和连续相调漆的过程,见图2。
    
    水性彩粒制备的原理是将彩色基础漆(分散相)加入水性凝胶液中(连续相),使基础漆液滴和保护胶溶液在表面产生凝胶化,形成一层不溶于水的柔性膜,这层柔性膜能够防止颜料液滴之间发生聚集、凝结,而且还能够阻止膜内涂料组份及膜外的保护胶液组份互相扩散外,保证彩粒的稳定性[5];将制备的各种彩色粒子作为分散相加入到以水性乳液体系为主的连续相体系中,添加各种助剂,调整施工性和储存性,就可以制备成水性多彩涂料。在制备水性多彩涂料过程中,所用到的基础漆树脂、连续相树脂、保护胶体系、助剂等都对水包水多彩涂料的最终性能具有重要影响。
    2 ·水包水多彩涂料凝胶(保护胶)体系
    水包水多彩涂不同于其他多彩涂料,分散相与连续相均为水性体系,所以其必须借助一种保护胶体,使两相混合时在颗粒表面瞬间形成一层保护膜,这层保护膜能够有效地阻止膜内颗粒的涂料成分以及膜外的连续相成分相互渗透,并且也能够有效地阻止不同颜色颗粒之间的聚集和凝结。水性多彩涂料中彩粒渗色和连续相混浊是目前水性多彩涂料产品最常见的问题,造成这种现象的主要原因是彩粒表面凝胶保护膜强度不够、太脆弱,彩粒内部的颜料、填料、助剂等通过脆弱的保护膜不断向外渗透,使连续相逐渐带上了彩粒的颜色,以致出现混浊的现象[6]。因此,获得一种稳定的保护胶体系就成为水性多彩涂料是否成功制备的关键。
    制备水性多彩涂料采用的保护胶体系主要有[7]:(1)聚乙烯醇、淀粉、半乳甘露聚糖/硼酸盐体系;(2)阳离子乳胶漆/阴离子分散体系或阴离子乳胶漆/阳离子分散体系;(3)纤维素醚/无机盐体系;(4)纤维素醚/特制硅酸镁/锂盐分散体系。其中特制硅酸镁/锂盐体系可适用于大部分树脂乳液体系,且制备的多彩涂料色粒稳定、仿真度高、储存时间长、施工稳定,是目前多彩涂料的主要凝胶体系,如市面上的GTS(上海网格)、LaponiteS-482(洛克伍德)等是该体系的代表。
    纤维素醚/特制硅酸镁/锂盐分散体系其凝胶原理[7]是:在水中硅酸锂镁盐片层剥离分散,形成无色透明的凝胶液,它能在已分散的色漆颗粒表面形成一层具有柔软性、可塑性、润滑性的保护膜,由于片层表面带有负电荷,而边缘带有正电荷,当在凝胶浓度较高、高离子强度时,片层表面的双电层被压缩,片层之间的排斥力减弱,而表面和边缘之间的相反电荷的静电相互吸引,导致形成“两边连两面”的结构,当这个结构贯穿整个体系时,就生成了一个相连的三维网络凝胶体,该凝胶体系稳定,不容易受到外界的影响,这也是该体系性能稳定的主要原因。
    施君,尹鑫,陈以春[8]选用GTS 作为保护胶体,其浓度为5%,制备的多彩涂料各方面性能均达到要求。戴志浩等[9]介绍了一种以进口无机硅酸锂镁保护胶为基础的凝胶型水包水型多彩外墙涂料的配方设计和生产工艺,实验发现使用这种保护胶浓度越高,粒子越硬,当保护胶浓度控制在6%~8%时,成漆具有良好的稳定性和施工性;胡群义等[10]使用Laponite RD 作为保护胶制备的水性多彩涂料色粒稳定可调、施工性好。保护胶的种类和用量的选择,直接影响到粒子渗色程度、硬度、后增稠程度等。纤维素醚/特制粘土凝胶体系,因其具有较好的造粒性、良好的施工性以及储存稳定性,且仿真度高、耐水性好、配方简单,因而是目前水包水多彩涂料体系的主流;但是这一类凝胶体系目前以进口为主,且价格高昂,造成水包水多彩涂料的制漆成本是真石漆的几倍,大大增加了建筑的成本,阻碍了水包水多彩涂料的大范围推广,因此急需开发成本低、稳定性好的凝胶体系,以替代进口产品,从而降低水包水多彩涂料的生产成本。
    3· 水包水多彩涂料用树脂乳液
    水性多彩涂料由分散相和连续相组成,在分散相和连续相中,树脂成膜物质是必不可少的组成成分。在分散相中,树脂乳液主要决定色粒的强度和对比度,选择不同的树脂乳液,可以制备具有不同几何形状的色粒,同时树脂乳液要和凝胶体系具有很好的配伍性,防止发生渗色、重新融合等现象,在分散相中可使用的树脂乳液包括聚醋酸乙烯乳液、苯丙乳液、乙丙乳液、乙烯-醋酸乙烯共聚乳液等;而在连续相中的乳液选择首要考虑的是其与保护胶之间的配伍性,包括后增稠性、耐水白性、耐候性、耐污性、开裂性及自清洁性等,连续相用乳液决定着多彩涂料的最终使用性能。同时在一个多彩涂料配方中,分散相和连续相用乳液的搭配也会对多彩涂料的储存稳定性、耐水白性、色粒清晰度、耐候性等产生影响。吴庆喜,石军[11]在分散相中使用纯丙弹性乳液,连续相中使用硅丙乳液,探讨不同乳液搭配对涂料性能的影响,结果发现,使用纯丙乳液和硅丙乳液搭配所得粒子颜色清晰,贮存稳定性好,耐水性好,性能优于其它乳液搭配。罗智明等[12]用氟碳乳液制备一种耐污型水性多彩涂料,利用纳米抗污剂和氟碳乳液的协同作用,提高产品的耐老化性和耐污性,有良好的装饰性和保护性。
    不仅分散相和连续相用乳液类型对多彩涂料具有重大影响,而且在两相中乳液用量也影响着多彩涂料的最终性能。陈燕,周佳伟[13]讨论了弹性乳液、苯丙乳液、硅丙乳液用于分散相中对凝胶彩粒稳定性的影响,结果发现采用弹性乳液凝胶彩粒稳定性最好;同时还讨论了弹性乳液用量对凝胶稳定性的影响,发现在此体系中弹性乳液用量≤20%,或是≥40% ,彩粒稳定性差、易渗色,当弹性乳液的用量在25%~35%之间时分散介质在可见光区的吸光度较小,说明形成的凝胶彩粒的稳定性较好,不易渗色。蔡青青等[14]使用天然纤维素类衍生物-无机保护胶作为凝胶体系,实验讨论了连续相中乳液用量对凝胶粒子制备的影响,实验结果表明:随着体系中乳液含量的增加,凝胶粒子的稳定性增加,这是由于胶体分散相多为水溶性的物质所组成,在贮存期间会发生吸水膨胀而与连续相溶合为一体,体系中加入乳液后,水量相应减少,容易发生溶胀吸水而聚结成团或溶合能力下降,粒子贮存稳定性得以提高。
    无论是在连续相中还是在分散相中,乳液种类的选则和使用量都会影响彩粒的稳定性及多彩涂料的最终性能,两相中乳液的合理搭配非常重要。其中用于连续相中的乳液,可以是看作为最后的成膜物质,直接影响到涂料的使用性能,例如耐水性、色彩对比度、开裂性、耐候性、耐污性等,同时还要考虑多彩涂料的储存稳定性、后增稠性、渗色性等,所以在连续相中,一般选用耐候性和耐水性较好的硅丙乳液、氟碳乳液等乳液,目前市场上用的比较好的多彩连续相乳液有国民淀粉的KD6,上海杜普利高分子可以有限公司的DP-60、巴德富公司的RS-991 和2520D 以及日出的TD661B 等乳液产品。
    4· 水包水多彩涂料用助剂
    在多彩涂料的制备过程中,助剂发挥着重要作用,助剂种类和用量影响着多彩涂料的制备和稳定性,对多彩涂料影响较大的助剂主要是分散剂和增稠剂。
    在多彩涂料制备过程中,分散剂关系到多彩涂料中彩色颜料颗粒是否能得到所需要的目标粒径大小和形状,以及彩色颜料颗粒在多彩涂料中的悬浮稳定性,同时分散剂对颜料分散的越细,各种色彩的对比度越好,因此多彩涂料对分散剂要求是分散剂的分散能力要强,一般在多彩涂料中分散剂往往选择聚丙烯酸类的钠盐或铵盐分散剂;同时分散剂用量过多也会造成负面影响,主要影响彩粒的渗色性和耐水性,因此选择合适的分散剂和添加量是多彩涂料制备过程中必须要考虑的因素。吴庆喜等[11]通过对选用的铵盐分散剂的不同用量进行试验。试验结果表明,当铵盐分散剂用量少时,会影响分散效果,进而影响彩色颗粒的悬浮性能;当铵盐分散剂用量过多时,分散效果很好,但会降低产品黏度,彩粒容易被打碎。
    在多彩涂料制备过程中,增稠剂关系到多彩涂料的储存稳定性、施工性等性能。由于多彩涂料中的色点是靠凝胶化原理制备而成,因此增稠剂的选用以不破坏彩点稳定性为原则,因此增稠剂选用碱溶胀型较好。刘成楼,隗功祥[7]在制备水性多彩涂料过程中为了调整色浆和基础漆的黏度,选择强假塑性无溶剂缔合型增稠剂DSX3290,当其用量为0.5%~1%时,可使水性多彩涂料具有优良的悬浮、触变性。吴庆喜[11]在制备水性多彩涂料过程中对比聚氨酯类增稠剂、丙烯酸类增稠剂等,结果表明,应选择增稠效果较好、后增稠现象不明显的耐水性丙烯酸类增稠剂。
    5· 水包水多彩涂料目前存在的挑战与机遇
    水包水多彩涂料具有环保型、外观可灵活设计、装饰性强等特点,有很大的应用前景,但是目前水包水多彩涂料还存在价格相对较高、涂膜初期耐水白差、稳定性不够好,例如易出现后增稠、粒子渗色等问题[9][15],这些都是水包水多彩涂料亟待解决的问题,而且施工工艺比较单一,目前均为喷涂,这都会限制水包水多彩涂料的进一步应用,所以开发低成本、稳定性好、性能突出、可采用刷涂、滚涂等多种施工方式的水包水多彩涂料已经成为研究热点,同时开发具有防水、防火、防菌、高耐候性、自清洁等功能性水性多彩涂料将成为未来的发展趋势。
参考文献:
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