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1、乳胶漆及外墙保温粘合剂配方设计北京锐科易成化学品有限公司 彭伟江 第一部分 . 乳胶漆配方设计 随着水性涂料技术的不断进步以及日益高涨的环保呼声，乳胶漆目前已成为建筑涂料领域的主流产品。 乳胶漆与溶剂型涂料有着本质的区别，其组成复杂，但各种组分并不是盲目地混 和在一起，而是各自起着不同的作用，本文将结合一些配方来探讨一下乳胶漆的配方设计。 1 乳胶漆的组成及各组分的作用 乳胶漆基本由三大部分组成：即颜料、基料（聚合物乳液）及添加剂。下面分别讨论。 1.1 乳胶漆常用颜料及其选择 颜料在乳胶漆中起到提供遮盖力、丰富涂层的色彩及增加涂膜强度的作用。颜料通常分为二类：一类是着色颜料，另一类是体质颜料
2、。 1.1.1 着色颜料 对于乳胶漆，无机颜料和有机颜料都可使用，但从涂料的稳定性和涂膜的耐候性来看，通常无机颜料比较合适。 对于外墙乳胶漆，应选用而候性及耐紫外线性均较强的颜料。白色颜料通常为金红石型钛白粉，有色常选用酞青系和氧化铁系颜料。 对于内墙乳胶漆，由于不必过多考虑耐候性，着色颜料的选择范围相对宽些，白色颜料选用锐钛型钛白粉、立德粉等，有色颜料也可选用有机颜料。 1.1.2 体质颜料 体质颜料又称填料，可起到以下作用： 使涂膜消光 改进涂料的流动性 略微改进涂料的遮盖力 作为填料，可降低成本，增加体积 还有些体质颜料本身密度小、悬浮性高，可防止密度大的颜料沉淀，改进涂料的物理和化学性
3、质，如耐磨性、耐热性等。由于体质颜料常有消光作用 , 所以在高光漆中一般不使用。建筑乳胶漆中常用的体质颜料包括：高岭土、碳酸钙、滑石粉、沉淀硫酸钡、硅酸铝等。通常搭配两种以上使用。 1.2 基料（聚合物乳液） 在乳胶漆中，基料是聚合物乳液，是乳胶漆中的成膜物质。乳液的性能很大程度上决定了乳胶漆的优劣，乳液通常应满足以下要求： A. 具有良好的耐碱性 B. 能常温成膜 具有较好的耐水性 具有较好的耐候性 乳液的性质 乳液的基本性质可从胶体的性质和涂膜的性质考虑。如果把这些性质和作为涂料用基料的性质联系起来，则胶体性质主要关系到配漆适应性和涂料性能，而膜的性质主要关系到涂膜性能。图 1 系统地表示
4、了乳液主要的基本性质。作为胶体的性质，需要考虑分散稳定性、电荷、流动性、泡沫、颜料结合力和成膜性能。其中，分散稳定性对于用作分散相的乳液来说是一项最重要的胶体性质，具体来说，需要将它分做化学稳定性、机械稳定性、冻融稳定性及贮存稳定性来考虑。 图 1 聚合物乳液的基本性质 下面重点讨论一下乳液的稳定性： 化学稳定性：化学稳定性是指对化学药品的稳定性。在乳胶漆中分为对钙离子的稳定性， 对成膜剂等的稳定性及对颜、填料的稳定性等。 机械稳定性：是指乳液在经受机械剪切时的稳定性。在实际生产过程中因为在泵送、制漆时的搅拌和涂装时的喷涂等操作中都存在不同程度的机械剪切，因此必须考虑乳液的机械稳定性问题。 冻
5、 - 融稳定性：是指乳液经受冻结和融化交替变化时的稳定性。由于乳液在运输贮存中有可能受冻，解冻后时应能保持受冻前的稳定状态。 贮存稳定性：乳液在规定期限内，在正常贮存条件下的稳定性。不应出现出渣、分水、增稠等现象。 乳液涂膜性质 硬度：取决于聚合物的玻璃化温度 Tg 光泽：透明度 附着力（粘接性）：对各种基材及颜料的粘接性能 柔韧性 抗性：包括耐水、耐碱、耐酸、耐光、耐候、耐油、耐污染等耐性。 （ 3 ）聚合物乳液的主要指标： 外观：乳液一般为从乳白色不透明到半透明的液体。 B 、粘度：通常聚合物乳液粘度从几个厘泊到几千厘泊不等。 C 、凝胶物：乳液中出现微量凝胶是允许的的，但不应过多，且不应
6、在储存时继续增加。 D 、玻璃化温度： Tg 值。 Tg 值直接关系到乳胶漆的成膜性能和涂膜性能，如脆化温度和硬度。乳液聚合物通常是热塑性的，当室温高于其 Tg 值时，它显现为橡胶态，具有良好的韧性；当室温降到 Tg 以下时，其表现出脆而硬的玻璃态，无法变形，通常作为乳胶漆基料的乳液其 Tg 值一般设定在 10 30 之间， Tg 值基本是由乳液中化学组成决定的。软硬单体的不同的搭配比例共聚可得到不同 Tg 值的乳液。 E 、最低成膜温度： MFT 值，以表示。乳液的最低成膜温度是由聚合物粒子内部构造和玻璃化温度决定的。通常的聚合物乳液，其粒子内部的组成是比较均匀的，在这种情况下， MFT 与
7、乳液聚合物的玻璃化温度大体一致的。之所以不能完全一致，是因为 MFT 受乳液中的表面活性剂以及保护胶体和水等影响的缘故。 通过加入成膜助剂，可以对乳液暂时起到增塑作用，降低玻璃化温度，进而降低 MFT ，促进成膜，成膜后迅速挥发，乳液便恢复到原来的玻璃化温度。 离子性质：由乳液聚合中使用乳化剂的类型决定，通常为阴离子型，少数为非离子型。 径及粒径分布：聚合物乳液是一个不均相物质。聚合物乳液呈不规则颗粒状分布。由于所采用的乳化剂和工艺的不同，乳液粒径变化有很大的范围。常用平均粒径表达乳液的性质。 乳胶漆用乳液的平均粒径通常为 50nm 到 300nm 之间。乳液粒径直接影响到乳液的外观，粒度很大
8、的乳液呈完全不透明的白浊态，其成膜完全无光泽，例如聚醋酸乙烯乳液，平均粒度为 180 200nm 的乳液呈带蓝光乳白色，成膜透明、光泽高。 余单体含量：乳液聚合反应一般是能够达到比较高的转化率。但是仍需对残余单体进行后消除处理，以使其残余量降至最低，来满足环保法规的要求。（ 4 ）乳胶漆常用乳液及其特性 纯丙乳液： 干燥速度快 膜透明度高 优异的韧性 优良的颜料粘接能力 低气味 优秀的耐水、耐碱性能 出色的户外耐久性 苯丙乳液： 好的耐水性 光泽优异 好的颜料粘结性能 内外墙通用 不耐久 醋丙乳液 ： 相对便宜 对水和紫外线敏感 只能用作内墙漆 乙烯醋酸乙烯乳液： 粘结性好 耐水较好 耐碱性差
9、 耐候性差 1.3 涂料助剂及选择 由于乳胶漆的基料和颜料均为分散相，而水为连续相。水的高表面张力及低粘度的特性导致乳胶漆在制备过程中必须加入各种助剂来满足制造工艺及使用性能。在乳胶漆中常用的助剂有：润湿剂、分散剂、消泡剂、增稠剂及流变改性剂，防腐剂及防霉剂、成膜助剂， PH 调节剂等。 在此我们重点讨论分散剂和增稠剂的应用，这两类助剂对乳胶漆的整体性能有非常大的影响。 1.3.1 分散剂 分散剂吸附于颜料表面，借助于外部机械剪切力的作用使颜填料的二次颗粒分散成初级颗粒，通过双电层屏蔽作用及空间位阻效应，使其分离并不再凝聚。 分散剂的功能： 缩短分散时间； 提高遮盖力和、展色性及光泽； 防止涂
10、料浮色和发花 改善流平 防止过度絮凝 （ 1 ） 分散过程分为三个基本步骤： A 颜料表面的润湿：润湿剂取代颜料表面的空气及杂质。 B 。颜料分散成初级颗粒：借助机械剪切如高速分散、砂磨等工艺使凝聚的颜料粉碎和分散成相互隔离的初始粒子。分散剂分子吸附在通常带正电的颜料粒子表面，在颜料颗粒表面形成双电层，产生相互排斥。 C 。稳定分散状态：经过分散的颜料粒子长时间稳定悬浮在体系中。 （ 2 ）分散剂的分类及特性 分散剂按分子量的不同通常分为两类：一类是小分子，包括：胺、磷酸盐、羧酸等。另一类为高分子，包括：多元酸均聚物和多元酸共聚物，其中多元酸共聚物又可衍生出亲水和疏水两种不同类型的分散剂。 不
11、同类型分散剂的优缺点如表 1 所示。 表 1 分散剂的分类及特性 类型 优点 缺点 小分子分散剂 成本低、良好的初始分散效果 长期分散稳定性差，影响成膜 多元酸均聚物 初期分散性好、稳定性佳、成本低、与 HASE 增稠剂配伍性良好 与 HEUR 增稠剂相容性差，耐水性差 多元酸共聚物亲水共聚物 极好的光泽，与 HASE 及 HEUR 增稠剂配伍性佳 分散效率不如多元酸均聚物 多元酸共聚物疏水共聚物 良好的耐水性、润湿性好，与 HEUR 增稠剂配伍极好 分散效率不如多元酸均聚物 （ 3 ）分散剂用量的确定 分散剂的用量可由粘度法确定：该法是用一定量的颜料和水配成浆料，进行高速分散。然后连续在浆料
12、中滴加一定量的分散剂，并测量粘度，直到达到最低粘度，再添加三次，记录粘度，作出粘度对分散剂用量的曲线如下。实际生产时的分散剂用量应在最小分散剂用量的基础上再增加 50 的量。 采用粘度法，对于同一浆料体系，采用不同的分散剂，测出其各自达到最低粘度时的分散剂用量，就能够评估不同分散剂的分散效率。 1 3 2 增稠剂 只由水、乳液和颜料构成的体系粘度太低，不能成为严格意义上的漆，无法满足在制备、储存和施工方面的要求，所以必须加入增稠剂来改善乳胶漆的流变性能。 常见的增稠剂类型有：膨润土、纤维素醚类、碱溶胀聚丙烯酸乳液、非离子缔合型聚氨酯 增稠剂的作用机理： 纤维素类增稠剂是由于氢键的作用形成很高的
13、水合作用，从而在乳液颗粒和颜料颗粒之间形成一个交联的网状结构或独立区域，使其相互分离，形成结构粘度。 缔合型增稠剂由于分子链上同时具有亲水基和疏水基。疏水端吸附在乳液颗粒表面或颜料颗粒表面，在颗粒间形成网络结构，并且此网络比纤维素类更加有序。从而起到增稠作用。 碱溶胀乳液增稠剂含有大量的羧基，与氨中和后，基本树脂被溶解掉，羧基在静电排斥作用下舒展开来，从而使体系的粘度增高。疏水改性碱溶胀增稠剂 的机理则包括了碱溶胀和缔合型两种作用。 常用增稠剂的特性见表 2 表 2 常用增稠剂的分类及特性 分类 优点 缺点 纤维素醚类 HEC 使用简便，低剪粘度高，粘度稳定性好，对 PH 和其它组分不敏感 高
14、剪粘度低，易霉变，抗飞溅差，流平差，光泽差，耐水差。碱溶胀乳液 ASE 抗霉变性好，抗飞溅性好，低剪粘度高 使用时需调 PH 值，流平差，光泽差 疏水改性碱溶胀乳液 抗霉变性好，抗飞溅性好，改善流平，成本较低 耐水较差，增稠效率受配方影响， 对表面活性剂，二醇类HASE 及分散剂敏感。 非离子缔合型聚氨酯 HEUR 良好的涂刷性，优秀的流平性，防飞溅性，高光泽，涂膜耐水性好，生物稳定性好 增稠效率受配方影响， 对表面活性剂，二醇类及分散剂敏感。 特别需要注意的是缔合型增稠剂 HASE 和 HEUR 的增稠效率受以下因素影响： 乳液种类 乳液粒径大小 表面活性剂 颜料体积浓度 PVC 体积固含量
15、 VS 如何选择增稠剂 无机增稠剂：一般适用于低档的内外墙涂料 纤维素类：一般适用于中低档内墙涂料 单纯碱溶涨型增稠剂：一般适用于中低档内外墙涂料 缔和型碱溶涨型增稠剂：适用于低、中、高档内墙涂料，少数可用于外墙 聚氨酯型增稠剂：适用于中高档内外墙涂料 由于乳胶漆在制造、储存和施工过程中的剪切速率变化范围很大。如储存、流平时受低剪切，剪切速率为 0-10S -1 涂刷蘸漆和调漆时受中剪切速率 10 100 S -1 ， ，而涂刷过程受高剪切速率 100 10000 S -1 的作用。因此其粘度的变化范围也非常大。为此 通常在乳胶漆配方中需搭配两种或两种以上的不同类型的增稠剂使用，才能同时满足体系的低剪、中剪和高剪粘度的要求。 2 配方设计基本原理 乳胶漆的配方设计主要考虑的是乳液和颜料的用量及配比，围绕此再来选择各种助剂的搭配。乳胶漆配方设计主要有两种方法。一种是颜基比（ P/B ）法，所谓颜基比是指颜料和填料的质量百分数对固体树脂质量百分数的质量比，通常用 P/B 来表示。另一种是颜料体积浓度（ PVC ）法，由于， PVC 法比颜基比法更加科学，更加真实的反应了涂膜的实际情况，下面重点介绍颜料体积浓度（ PVC ）法。 颜料的体积浓度是指涂膜中颜料的体积在涂膜总体积中的百分比，以 PVC 表示。 PVC V
