无树脂色浆体系的研究与制备

文章出处：原创网责任编辑：小莉作者：小莉人气：-发表时间：2014-06-13 10:52:00

色浆随着乳胶漆应用的日益广泛,水性色浆的制备和研究也一直广受关注。色浆的生产、使用是一个复杂的过程,除了要考虑色浆本身的性能,还需综合考虑色浆与涂料的相容性、生产工艺等。调色完成后,应评价色漆的颜色准确性、色浆添加量、色漆性能、成本以及环保性等各种因素。因而色浆的制备与应用涉及面较广,需要系统地研究。

水性色浆体系的影响因素

颜料的选择

色浆的主要性能取决于其使用的颜料性能和含量。按照化学成分,通常将颜料分为无机颜料和有机颜料。无机颜料耐光性、耐候性好,容易分散,但通常色度偏暗,品种较少,主要包括氧化铁颜料、珠光颜料以及金属颜料等。有机颜料种类齐全、鲜艳度好,但一般价格较高,不易分散,主要品种有偶氮颜料、酞菁颜料等。从使用方便性考虑, 色浆种类越多越好,调色实现起来更容易。但考虑材料采购、库存和生产工艺,色浆的种类越少越好。

综合以上因素,一般来讲基础的色浆体系应该包括以下8种核心色浆:钛白PW6、铁黄PY42、铁红PR101、炭黑PBK7、有机黄PY74、有机红PR112、酞菁蓝PB153和酞菁绿PG7[1]。为了方便和特殊应用,还可增加铁黑PBK11、大红PR254、橙色PO36、永固紫PV23等。颜料的选择应综合考虑产品性能,如细度、吸油量、耐光性、耐候性、耐化学性能以及分散性、批次稳定性等因素。

12 无树脂色浆体系

目前色浆的生产大体可分为有树脂和无树脂2 种体系。早期考虑色浆的贮存性能等因素, 工厂大多采用有树脂体系生产。近年来随着各种添加剂特别是超分散剂技术的发展,色浆的生产越来越多采用无树脂体系。相对于有树脂体系, 无树脂体系色浆具有较多优势。首先通用性更强, 由于树脂性能的局限, 有树脂体系色浆在使用上受到一定局限, 有时甚至会因为兼容性而无法使用, 而无树脂体系应用更加广泛, 适用于绝大多数涂料体系。其次, 无树脂体系色浆通常浓度更高, 具有更好的性价比。另外在生产工艺上也更适合研磨工艺, 能制备浓度更高、细度更细的产品[ 2]。

13 分散剂的选择

颜料的分散是色浆生产的关键,每种颜料都有相应的HLB值( 亲水亲油平衡值),选择分散剂的关键是选择与颜料HLB值相匹配的分散剂[3]。由于颜料特别是有机颜料特殊的表面性能,传统的润湿分散剂对某些有机颜料的分散效果不是很理想甚至很差,主要是由于分散剂分子中亲水基团对极性较低的颜料颗粒表面结合力不强,容易脱离, 导致颜料粒子重新絮凝;同时亲油基团不具备足够的碳链长度,不能产生足够的空间位阻效应,因此不能使颜料分散体系稳定存在。这种情况下,选择超分散剂是比较有效的方法。

超分散剂的分子结构主要分为2个部分,其中一部分为锚式基团, 常见的有: - NR2、- N+ R3、- COOH、- COO- 和- SO3H等基团。这些极性基团通过离子键、氢键以及范德华力等作用能紧密吸附于颜料颗粒表面。同时另一部分为溶剂化链, 具有足够的碳链长度, 以产生有效的空间位阻[4- 5]。目前超分散剂的品种较多, 有ICI公司的So lsperse 系列产品; 德国毕克公司的DsiperseBYK系列产品以及美国Daniel公司Disperse AYD系列产品等,其中ICI公司的Solsperse系列产品应用最为广泛[6]。

14 其他助剂的选择

除了颜料和分散剂, 色浆中还包含其他成分, 如消泡剂、防沉剂、保湿剂和防腐剂等。消泡剂的选择应兼顾消泡性与相容性的平衡。色浆中消泡剂加量不能太大, 以能消除色浆中的气泡为上限。因为色浆还会添加到涂料中, 在调配深色涂料中有可能因为色浆加量大而造成漆膜出现油缩等现象。颜料分散后, 由于颜料粒子较细, 比表面积大, 为降低表面自由能有重新聚结的趋势。特别是一些氧化铁系颜料相对密度较大, 长时间贮存会缓慢地沉降, 甚至结成硬饼, 难以再分散。除了分散剂的影响, 防止颜料在色漆中沉降常用的办法是添加流变助剂, 在低剪切速率状态下建立触变结构。这种结构是疏松的网络结构, 稍受剪切力就会破坏, 黏度变小。剪切力撤去, 又恢复原有结构, 黏度增加, 能使颜料颗粒悬浮而不沉降。常用的流变剂有有机膨润土类、气相二氧化硅、蓖麻油衍生物和聚乙烯蜡等。色浆在调色过程中, 需要经常露置于空气中, 这样容易造成表面结皮。为改善这一现象, 可在色浆中添加保湿剂。考虑到保湿效果和环保因素, 可选择丙二醇等溶剂, 添加量一般在1% ~ 5%。

总之, 好的色浆应做到不沉淀、不絮凝, 有尽可能高的颜料含量, 与涂料相容性好, 对耐久性无不良影响, 不会产生浮色、发花现象; 生产过程应简便、经济, 重现性好, 批次稳定; 有较好的流动性, 便于使用, 环保性优异, 不会对健康造成危害[ 7]。

2 实验

21 水性无树脂色浆的制备

211 原材料和实验仪器

颜料: 二氧化钛CR - 828: 美国科美基公司; 氧化铁系列颜料: 铁红Bayfe rrox 4100, 铁黄Bay ferrox 4910, 铁黑Bayferrox4330, 铁棕Bay ferrox 4610, 德国朗盛公司; 有机颜料: 有机黄C iba GS, 有机红C iba 3RS, 瑞士汽巴公司; 酞菁蓝L7072D, 酞菁绿L8605, 有机橙2930 HD, 德国巴斯夫公司; 永固紫BL: 科莱恩公司; 炭黑C- 311: 上海焦化公司。

分散剂: EFKA4560: 汽巴公司; So lspe rse S27000、S12000:IC I公司; H ydrapa la t?? 3275: 海川公司; 消泡剂: BYK024, 毕克公司; A10: 海川公司。防沉剂: Optigel WA, 美国洛克伍德公司。标准白色外墙乳胶漆: 自制。

实验测试仪器: 研磨机: 耐驰公司M INIZETA; 三辊研磨机: 江阴精细化工机械公司; 刮板细度计、高速分散机、线棒涂布器: 上海现代仪器公司; 色差仪: 美能达公司D2600型; 扫描电镜: 日本岛津公司; 电子天平: 赛多利斯公司。

22 水性无机色浆的制备

无机颜料吸油值较低, 分散相对容易, 因而可制备固含量高的色浆。表1是常见无机颜料性能和色浆的配比。

生产工艺: 按照表1 的配比, 在高速搅拌机1 000 ~1 500 r /m in的转度下, 按顺序加入原材料, 搅拌30~ 40 m in至均匀状态, 然后用三辊研磨机进行研磨, 研磨时间大约60 m in,检测细度合格后包装。

表1 通用水性无机色浆配方

注: ( 1 )- 吸水量说明100 g颜料可含水量, 其测定和吸油量测量方法一样( D IN- ISO787 /5 ) , 仅以水代替亚麻仁油; ( 2 ) - 吸油量; ( 3) - 混合物, 没有确定的颜料索引号。

23 水性有机色浆的制备

相对于无机颜料, 有机颜料种类众多, 但存在吸油量大,不易分散的问题, 因而对分散剂的要求更高, 超分散剂是比较好的选择。通常, 含有超分散剂的水性色浆具有以下特点: 具有更高的颜料含量和着色力, 低泡沫及良好的贮存稳定性, 适应性宽广。添加到涂料中不影响漆膜的光泽和耐水性。表2为通用水性有机色浆配方。

生产工艺: 按照表2 的配比, 在高速搅拌机1 000 ~1 500 r /m in的转度下, 按顺序加入原材料, 搅拌30~ 40 m in至均匀状态, 然后用卧式研磨机进行循环研磨, 研磨时间大约2 h时, 检测细度合格后包装。

表2 通用水性有机色浆配方

3 结果与讨论

31 色浆的基本性能

色浆的基本性能包括密度、黏度、pH、细度、固含量和颜料含量等。色浆的耐光性、耐候性、耐化学品性等主要取决于所用的颜料性能, 具体方法如下:

( 1)耐光性: 采用氙灯光源, 功率6 500W, 按英国标准BS100B02曝晒, 结果用蓝羊毛尺评价, 采用8 级制, 8级为最好, 1级为最差。

( 2)耐候性: 采用ATLAS人工老化仪测试500 h, 结果用ISO灰卡测试, 1~ 5级表示, 5级为最好, 1级为最差。

( 3)耐化学性: 耐化学品性能取决于其中颜料的化学性能, 分别在10%盐酸溶液和5%氢氧化钠溶液中检测, 结果参照英国标准BS1006A03, 用灰卡测试采用5级制, 5级为最好,1级为最差。表3是以上配方色浆基本性能。

注: ( 1 ) - V 表示原色, 即在100份无二氧化钛基础漆中加入5%色浆时的颜色; ( 2) - ST( 1 /25)表示冲淡色, 即100份二氧化钛含量为25%的基础漆中加入1 份色浆后的颜色。

32 分散程度

色浆的分散程度直接决定了色浆的性能。通常的测试方法有刮板细度计、电子显微镜、粒径分布仪以及扫描电镜( SEM )等。刮板细度计是测量颜料分散的一种最简单的方法。优点是速度快, 但它不能反映出颜料分散的真实状况, 只能表示大的颜料凝聚体, 而且不能显示粒径分布和粒子的状态。电子显微镜能精密显示粒子分散性能, 但使用起来不太方便。相对来说, 粒径分布仪和扫描电镜是比较准确、方便的测试仪器[ 8] 。图1和图2是酞菁蓝色浆在不同状态下SEM 图, 可以看出具有比较好的分散状态。色浆颗粒尺寸大约在2~ 5 um。

影响色浆分散细度的因素除了颜料粒径和分散剂的效率, 研磨设备也至关重要。由于无机颜料固含量较高, 黏度相对较大, 多采用三辊研磨设备。而有机颜料多采用卧式砂磨机。研磨时多采用循环模式, 至少保证物料研磨3 遍以上才能得到较好的细度。

3 3 色浆的黏度与贮存稳定性

通常来讲, 为了保证色浆的贮存稳定性, 需要有较高的低剪切黏度。另外, 为了保证使用方便, 搅拌时应具有较好的流动性, 即具有较低的中剪切黏度。因而好的色浆应有较好的触变性。色浆的黏度与贮存稳定性主要与颜料浓度、防沉剂用量有关。表4是氧化铁红颜料黏度与颜料浓度以及防沉剂用量之间的关系。其中低剪切黏度采用NDJ- 1 黏度计4#转子, 6 r /m in状态下测得; 高剪切黏度采用NDJ- 1黏度计4#转子, 60 r/m in状态下测得, 触变指数T i为两者的倍数。

表4 颜料含量、防沉剂加量对氧化铁红色浆黏度、贮存稳定性的影响

注: ( 1) - ( 23+-2) oc 密封保存30 d, 观察色浆有无分水、沉淀现象。

从表4可以看出, 随着色浆浓度增加, 色浆黏度增加, 触变性变大, 在一定程度上能有助于贮存稳定性的提高, 但考虑到氧化铁颜料密度较大, 浓度越大, 沉淀可能性越大, 对比发现65% 浓度颜料含量情况下, 添加0.5%的防沉剂能有效改善色浆的贮存稳定性。

34 色浆与涂料的相容性

判断色浆与涂料的相容性多采用指研法, 方法如下: 选取性能良好的白色乳胶漆或调色用乳胶漆, 添加最大比例的色浆, 混合均匀后用100 um 线棒涂布器涂布在黑白格纸上, 在表干前用手指轻轻旋转擦拭漆膜, 大约1 m in, 实干后观察擦拭部位与未擦拭部分是否有色差。肉眼观察没有色差, 则表明色浆与乳胶漆相容性良好[ 9]。

35 着色强度(着色力)

将标准色浆和测试色浆均按照2% 加量添加到同一批次乳胶漆中, 搅拌均匀, 然后同时涂布在黑白格纸上, 保证2 种涂料有交接处, 干燥后可肉眼观察或用测色仪进行检测。表5则是添加不同批次2%浓度的铁黑色浆调色后的计算机测量色差值。

表5 添加不同批次的铁黑色浆后颜色色差值

从表5可以看出, 试样颜色比标样颜色要深, 色差值% E为0. 51, 其中a, b 值变化较小, 表明颜料红、黄色较为稳定, 而L 值较大, 即黑色相变深, 表明试样色浆着色力更强。颜料含量、研磨时间以及分散剂加量可能导致以上情况。

36 色浆的环保性

很多涂料调色后涂刷在儿童房墙壁、玩具以及各种家具上,特别是深色漆中色浆用量较大,因而色浆的环保性不容忽视, 应符合HG /T 3953- 2007《建筑涂料用水性色浆》标准中关于VOC以及重金属含量的规定。

4 结语

制备性能优异的水性色浆, 需要综合考虑颜料、分散剂以及生产工艺等影响因素。选择颜料时需考虑其物理和化学性能, 如细度、吸油量和耐久性等指标。相对于有树脂体系, 无树脂体系色浆具有颜料浓度高、着色力强、通用性好等优点。选择分散剂时, 颜料HLB值与分散剂HLB 值应接近。超分散剂作为新型的分散剂, 由于特殊机理和成分, 对于颜料分散有良好的效果。

通常由于着色对象不同而对色浆的性能有特定要求。比如一个透明度好的色浆用在水性油墨中是比较理想的产品,而用于涂料则可能因为遮盖力差而不受欢迎。在水性建筑涂料中, 主要要求色浆相容性好, 着色力高, 遮盖力强, 容易分散, 环保性能符合国家的相关标准等。色浆作为一种半成品,在使用过程中还需要注意很多细节, 如内外墙色浆的区分, 相同耐候级别色浆的搭配, 不同色浆对颜色的影响以及色浆表面性能处理对涂膜性能的影响等, 还需要进一步研究。 (责任编辑：小莉)

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