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彈性乳膠漆配方設計思路,本文討論了彈性涂料配方設計的原材料選擇問題
2019年07月23日    閱讀量:305    新聞來源:中國建材網 cnprofit.com  |  投稿

前言

建筑物多以水泥砂漿抹面為基層。抹灰砂漿在硬化時,由于體積減縮而產生的硬化裂縫;溫度變化時,由于熱脹冷縮而產生的溫度裂縫,干濕變化時,由于濕漲干縮而產生的干縮裂縫,凍融時,由于水結冰體積膨脹而產生的凍融裂縫,基層沉降產生結構裂縫等,導致保護裝飾涂層開裂,雨水隨裂縫滲漏進入墻體,加深對建筑物的破壞,如鋼筋銹蝕等危及建筑物。


彈性涂料在一定溫度范圍內(聚合物的Tg-Tf)保持較高的彈性、韌性和伸長率,涂布在基層表面,當基層墻體產生裂紋時涂膜不會斷裂,具有較好的防裂抗滲漏性中國建材網cnprofit.com。彈性涂料涂膜通常能遮蓋如下一些毛細裂縫:裂縫在0.2mm以下,彈性平涂可以遮蓋住,0.2-2mm,彈性膩子可以遮蓋,裂縫大于2mm者,需要灌注環氧密封膠,然后再批彈性膩子。


彈性涂料涂膜具有彈性,具有遮蓋裂縫的能力,主要取決于彈性涂料本身的彈性和彈性涂料干涂膜的厚度,彈性涂膜厚度較普通涂料涂膜厚,通常彈性干涂膜厚度在250-450um,拉毛花紋的最高厚度達500um,而傳統的涂料干涂膜厚度為50-75um。要獲得厚膜,涂料要求有很高的不揮發份(即高的體積固含),涂料中水量少,使用干法生產。


干法生產的最大缺點是涂料易起泡,泡很難脫出,因此,生產彈性涂料原材料乳液、潤濕分散劑、消泡劑選擇很重要。目前彈性涂料品種齊全,彈性乳膠漆因其環保和簡單越來越受到人們的青睞,彈性乳膠漆目前有兩類:平面厚涂膜彈性乳膠漆和彈性厚漿非平面乳膠漆。


生產彈性乳膠漆過程中,較常見的問題是涂料脫氣消泡困難,非平面涂料存在花紋定型、以及涂膜彈性/強度和耐粘污性問題。本文就這些問題闡述在該類配方設計中的一些思路。


1. 彈性涂料消泡

涂料在生產和使用中都會有氣泡產生而給生產和施工帶來不便和影響,氣泡空氣來源生產過程中空氣的混入、涂料在應用中空氣的截留、化學反應產生氣體(如含異氰酸酯的涂料)。

氣泡在涂膜中產生空洞、針孔、痱子、火山口等表面缺陷,氣泡完全截留在涂膜中形成痱子,氣泡開口破裂,氣泡部分截留在涂膜中形成空洞如針孔、火山口或通道。

氣泡的產生與與液體體系的表面張力(γ)有關,在某一體系中輸入一定的機械功(如攪拌做功),體系則會產生氣泡,氣泡的總表面積與輸入的機械功和體系的表面張力有如下的關系:W=γ·A

W---機械功

γ---體系表面張力

A---氣泡總表面積

因此,在乳膠漆生產,尤其是彈性乳膠漆生產,由于大量乳液、潤濕分散劑等的使用,降低涂料體系的表面張力,導致生產最容易起泡,氣泡生成后,泡沫的穩定與介質的黏度、涂料體系中的穩泡物質、以及消泡劑的滲入與擴散能力息息相關,通常泡沫的穩定與下列因素相關 :

氣泡膜板周圍液體的表觀粘度影響消泡劑的滲透、擴散和排液

氣泡膜板表面活性劑分子層的靜電排斥力(庫侖力)阻礙氣泡的破裂F=q1*q2/r

氣泡膜板層的吉布斯(Gibb)彈性(E=dr/dA)阻礙氣泡的破裂。

馬蘭哥尼效應阻止氣泡膜變形、恢復氣泡膜厚度與形狀,阻止泡的破裂。

后三項在氣泡受到外界干擾氣泡膜變薄后,具有恢復氣泡膜厚度的能力,而穩定泡沫,阻止其破裂。因此彈性涂料脫氣消泡與乳液、潤濕劑關系密切,它們含有起泡和穩泡物質;而顏填料、分散劑等影響漿料制備的黏度,影響氣泡的聚積與上升。


1.1 乳液對消泡的影響

不同品種乳液,同品種不同廠商提供的乳液,乳液聚合方式不同,常規乳液聚合方式有微乳液聚合、核殼聚合、反相乳液聚合、無皂乳液聚合等。聚合過程使用的乳化劑種類、用量不同,由于乳化劑品種的差異,賦予合成乳液不同的性能,不同品種的乳化劑起泡能力與穩定氣泡能力不一樣,表面活性劑的親水親油基長短對泡沫的穩定有不一樣的影響,C12~C14穩泡效果最好,泡沫膜剛性和強度適當,泡沫難以破裂。


使用不同乳化劑所合成的乳液具有不同的特性,盡管市售的乳液都是50%的固含量,粘度差別很大,在同等攪拌條件下起泡性,以及泡沫的穩定性差別很大,這主要與聚合中使用的表面活性劑至關重要的。


表1所例是世面上幾種常用的彈性乳液起泡、穩泡性比較,實驗表明,不同廠商提供的乳液其對顏填料的潤濕能力、在制漆中的起泡難易、穩泡能力差別很大。為了保證涂料生產中獲得較低黏度的漿料,便于氣泡容易聚集和上升到表面破裂。選用潤濕能力強、不易起泡,尤其穩泡能力差的乳液,

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1.2顏填料對消泡的影響

眾所周知,無機的顏填料表面自然親水,其實,不管無機、有機顏填料,在制造與儲存過程中,顏填料粒子表面都可能吸收潮氣,在顏填料粒子的之間的空隙中填充著空氣。


因此,其實顏填料粒子的表面包覆著一層空氣和潮氣,在潤濕分散階段被潤濕分散劑置換下來,為表面活性劑乳化到分散相中成為氣泡,顏料料表面積越多,置換出的空氣越多,且顏填料表面積越多,分散所的的漿料黏度越高,漿料中的微泡越難聚集上升,因此給消泡帶來困難。


彈性涂料生產水分有限,使用有限的液體分散高固體漿料,要想獲得較低黏度,需要有良好分散劑、潤濕劑外,在粉料的選擇上,要求選用吸水量較低的顏填料(吸水量的測試,可采用類似吸油量方式測得)。


表2列舉了幾種鈦白在同等分散條件下分散后漿料的黏度,以及幾種700目重鈣吸水量,從表2可以看出,由于鈦白粒子表面處理方式不同,以及粒子粒徑分布的差異,吸油量/吸水量差別很大,不同商家鈦白分散后漿料黏度差別很大,對脫氣消泡影響一定很大。

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1.3助劑的選用

1.3.1分散劑的選用

涂料制備選用潤濕分散劑,目的是為了縮短分散時間,減少分散動力消耗,分散劑的分散潤濕能力與其分子結構與分子量大小相關,不同類型的分散劑分散能力以及穩泡能力差別大,如圖1,Hydropalat 5040 Hydropalat 3204,在降粘方面有明顯優勢。分散劑選用分散能力強的分散劑,使分散的漿料黏度低,有利于氣泡脫出。

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1.3.2 潤濕劑對消泡的影響

潤濕劑特性是低分子量和低黏度的,賦予流動性和易擴散性,它有著很適應接近、吸收、穿透和吸附在顏填料粒子表面的粒子體上,分散階段添加潤濕劑可加快分散,產生較多的初級粒子,加快分散進程。潤濕劑分子結構為一頭一尾,一端親水,一端親油,具有表面活性,降低連續相表面張力,加速連續相對分散相的潤濕。


潤濕劑分子結構為非離子性,不象陰離子、陽離子、電中性或多官能團潤濕分散劑借助于其親水端與顏填料粒子表面、棱角、隅角等力不飽和處形成物理化學鍵,潤濕劑則借助于其親水端基與顏填料粒子表面吸附的水結合在一起,而非形成物理化學鍵,這種與顏填料粒子表面的水之間的結合是很脆弱的,容易導致非離子型的潤濕劑解吸,解吸了的潤濕劑是游離的,容易積聚在空氣、底材界面而起穩泡作用,因此普通潤濕劑象普通表面活性劑樣具有穩泡特性。


COGNIS公司的低泡潤濕劑Hydropalat 140潤濕劑,由于分子結構的特性,具有良好的潤濕降粘性,但不穩泡,雖具有表面活性,但因其能與顏填料表面更穩定的結合在一起,以使其選擇性吸附,而不致在空氣或底材界面上游離聚集,因而穩泡性差。常規潤濕劑則恰能在空氣與底材界面上聚集,從而有較強的穩泡功能。COGNIS常用的幾支潤濕劑特性如下:

常用的潤濕劑特性:

Hyonic PE 100親水親油平衡具有良好的潤濕行為,良好的穩泡能力Hydropalat 436親水性強,具有良好的潤濕行為,良好的穩泡能力

Hydropalat 188-A疏水性強,潤濕能力較弱,穩泡

Hydropalat 110潤濕能力一般,穩泡性較弱

Hydropalat 140良好潤濕能力,良好的低泡性

表3列舉了幾種潤濕劑的潤濕性和穩泡性的實驗數據,數據表明為分散劑與不同潤濕劑組合分散混合粉料,所得漿料黏度,以及漿料氣泡含量差別較大,Hydropalat 140具有潤濕能力強,良好的低泡性,Hydropalat 110潤濕能力較Hyonic PE-100稍差,但低泡性較好。

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1.3.3 消泡劑選擇

消泡劑任務是阻止泡的形成和促進泡的破滅,破壞氣泡表面面膜,消泡劑用于大泡。微泡則需要脫氣、消泡一起并用,消泡劑具有不溶于介質,但能以微滴形式進入并分散于介質,而微滴最有效直經是泡沫的厚度大小;作為消泡劑要具備兩個條件:E=γ1+γ12-γ2>0,(E-滲透系數,γ1-發泡體系的表面張力,γ2-消泡劑的表面張力,γ12-發泡體系與消泡劑間的界面力)保證消泡劑能滲入到氣泡表面,S=γ1-γ12-γ2>0(S-擴散系數),保證消泡劑在氣泡表面的擴散鋪展,最終導致氣泡表面張力不均,從而氣泡表面的液膜流動,氣泡膜變薄、破裂,放出氣體。


消泡劑的組成成分有:

(1)活性成分也稱有效成分,其作用為破泡、消泡,表面張力小,代表物:動植物油、疏水二氧化硅、高級醇等。

(2)擴散劑,作用為潤濕乳化劑,保證消泡劑微滴擴散接觸到氣泡膜并鋪展,代表物有壬(辛)基酚聚氧乙烯醚、皂鹽等。

(3)載體,作用是有助于載體和起泡體系的結合,易于分散到起泡體系里,把兩者結合起來,其本身的表面張力低,有助于抑泡,且可以降低成本。代表物:除水以外的溶劑,如脂肪烴、芳香烴、含氧溶劑等。其中消泡劑有效活性物質的化學成分有金屬皂、石蠟、疏水硅、硅酮或復合硅酮,不同組成的消泡能力不同,消泡物質的消泡能力與活性物質的滲入因子E和擴散因子S關系密切,E、S數值大者消泡能力強,表4列出了不同活性消泡劑成分的滲入和擴散因子大小。


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厚漿涂料因其高固含,高黏度,涂料生產氣泡難以脫出。涂料施工,尤其拉毛輥施工,產生更多的氣泡,導致涂料施工消泡困難,泡沫成堆,施工后氣泡中部分空氣截留在涂膜內,形成針孔,或氣泡空氣全部截留在涂膜內形成小空鼓。如此特殊的涂料體系,消泡劑選擇以及用量都不同與普通常規的內外墻涂料,通常選用強破泡能力的含硅類消泡劑,如COGNIS的Foamster 334、Foamster 8034、Foamster1620等,目前又有將新型的分子級的消泡劑,如FoamStar A36。因此,彈性體系選用消泡能力強,并且加大劑量,會取得滿意的效果。表5摘錄了部分消泡劑在彈性體系消泡性能狀況。

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2.增稠劑的選用

水在涂料的漿料及乳液兩部分中均以連續相的形式存在,水的低粘度容易使涂料分層,而且在施工時造成涂刷困難,故增稠劑在乳膠漆中是必須的。乳膠漆一般需要控制三個粘度:低剪粘度(貯存穩定性)、中剪粘度(流平及抗流掛性)、高剪粘度(ICI粘度,控制飛濺及提高豐滿度)。


不同的施工造型,要求涂料具有不同的流變性能,厚漿拉毛涂料要求涂料定型好,花紋整齊,增稠劑選擇很關鍵。一般增稠劑組合有三中類型:a 纖維素與協和型(PU類),b 丙烯酸增稠劑與協和型(PU類),c 纖維素或丙烯酸增稠劑或膨潤土。


a、b兩類組合,可獲得小花紋-大花紋的變化花紋涂膜,c類組合觸變性過大,涂料在施工后黏度恢復到原始的高黏度時間極短,為尖花紋。從涂膜抗水起泡性考慮,纖維素與丙烯酸增稠劑組合類耐水性較差。從生產工藝角度考慮,使用丙烯酸類或丙烯酸與協和型(PU類)生產更合理,使用膨潤土、纖維素粉末在分散階段會提高黏度,導致脫氣不良。通常選用DSX1130與強觸變性聚胺酯類增稠劑DSX3290組合。


低黏度彈性拉毛涂料黏度低,在90±5KU范圍,要求具有更強的觸變性,通常TI>6。涂料流動性與花紋定型相矛盾,提高涂料的觸變行為,增稠劑選用高黏度纖維素與丙烯酸類增稠劑合用。



4.涂膜彈性與剛性 耐污性平衡

聚合物乳液有三種狀態,玻璃態、彈性態、粘流態,相應有兩個轉變點溫度,Tg為聚合物玻璃化溫度是聚合物從玻璃態轉化為彈性態溫度,Tf是聚合物從彈性態轉化為粘性流動態溫度,彈性乳液要求Tg-Tf有很寬的溫度范圍。


彈性涂料涂膜可以隨應力延伸和回縮,并在被拉伸時有合適的模量和拉伸強度。彈性涂料的涂膜之所以具有彈性是由彈性乳液聚合物的組成與結構決定的,高聚物在其玻璃化溫度以下時,處于玻璃態,變成堅硬的固體,沒有彈性。


一般涂膜在使用溫度范圍內就是處于這種玻璃態情況,當高聚物在其玻璃化溫度以上時,處于橡膠態,此時所呈現的力學性能是高彈性,彈性乳膠涂料就是基于高聚物的這一力學性能而制成的,這類聚合物的分子呈現高度卷曲,而分子間的力又較弱,在外力作用下易變形,除去外力后,形變消失,具有高彈性。


彈性涂料的組成關節是彈性乳液,它不同于普通乳液,其玻璃化溫度低,在零度以下,低于其所使用的環境溫度,在所使用的環境溫度下為彈性體。

彈性涂料涂膜因為其彈性,涂膜使用環境溫度在其Tg—Tf范圍內,柔軟易粘污,且彈性與涂膜強度是一對矛盾的概念,因此,彈性涂膜附著力、拉伸強度、耐粘污性、以及涂膜的防水透氣性,是彈性涂料配方設計要調整的,通常通過乳液的選擇,合理PVC來調節來均衡。


彈性乳液的彈性來源與內外增塑劑有關,彈性乳液玻璃化溫度在0℃--40℃,其中不同增塑劑的使用對涂膜彈性的永久性和涂膜耐污能力是有區別的,具體見表6:

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除乳液本身彈性外,涂料配方的PVC含量也是一項重要的影響因素,在一定的PVC范圍(PVC<CPVC=,PVC越高,涂膜強度高,彈性下降,耐污性提高,涂膜透氣性提高,;反之,PVC越低,涂膜彈性越好,強度下降,涂膜封閉性越好,為取得彈性、強度、耐污性以及水氣的透過性平衡,彈性乳膠漆配方設計PVC在20-35%之間。


結語:

彈性涂料涂膜具有良好的抗裂防滲漏行為,可以對建筑物提供良好的裝飾和保護,抗裂需要較厚的干涂膜,以及彈性乳液固有的低Tg,使得彈性涂料的生產需要克服脫氣消泡的困難,需要平衡彈性涂膜的彈性、防水透氣和耐污性的綜合設計。


使要獲得彈性、強度、耐污性以及透氣性平衡的涂膜,乳液選擇內軟外硬球型或半月型核殼結構乳液,PVC控制在適當的范圍(如30%左右)。另外,彈性乳膠漆由于乳液用量大,涂料黏度高,涂料生產消泡脫氣困難,要獲得良好外觀的彈性涂料與涂膜在配方設計中,通過原材料選擇,獲得較低黏度的漿料是關節,低黏度的漿料有利于氣泡的聚集和上升,原材料選擇依據如下:

. 選用對粉料潤濕能力強,不易穩泡的低黏度乳液

. 選用吸水量低易分散顏填料

. 選用分散能力強、低穩泡的分散劑

. 選用強潤濕能力,低泡潤濕劑

. 不選用粉末狀增加分散漿料黏度的增綢劑


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