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超低VOC建筑內墻乳膠漆的配方設計,簡單介紹了VOC的定義及其危害、乳膠漆中VOC的主要來源,著重論述了超低VOC內墻乳膠漆的配方設計,主要包括乳液的選用、水性助劑合理搭配及顏填料的選擇等
2019年07月23日    閱讀量:246    新聞來源:中國建材網 cnprofit.com  |  投稿

VOC,即可揮發的有機化合物,它使臭氧層受到破壞,并對自然環境和人類自身產生不利影響。我國于2002年頒布了環境標識產品認證技術要求水性涂料標準,標準指出,低VOC是指VOC含量低于30 g/L,超低VOC是指VOC含量趨于零的涂料產品。


1 乳膠漆中VOC的主要來源

乳膠漆以水為分散介質,VOC比溶劑型涂料低得多,在乳膠漆配方中VOC主要來源于乳液、溶劑、助劑、色漿等,其中最主要的來源是成膜助劑和防凍劑如二醇類溶劑中國建材網cnprofit.com


①乳液。乳液中所含有的殘余單體是VOC的來源之一。


②溶劑。溶劑用于改善成膜性能的成膜助劑,目前傳統的成膜助劑是Texanol、醇醚、溶劑汽油及苯甲醇等溶劑;賦予涂料耐凍融穩定性的助劑,如乙二醇、丙二醇,這些都是VOC的主要來源之一。


③助劑。助劑包括某些礦物油類消泡劑、改善涂膜流平性能的某些締合型增稠劑以及使涂料不變質的某些防腐殺菌劑, 用于調節涂料體系pH值的助劑,如常用的AMP - 95等都不同程度地含有溶劑。


2 乳液的制備

乳液是影響乳膠漆的綜合性能特別是涂膜性能的重要因素,乳液影響涂膜的光澤保持性、附著力、耐堿性、耐洗刷性、耐候性、抗起泡性、抗開裂性等性能。超低VOC乳膠漆應選擇不需要成膜助劑和溶劑就能低溫成膜并且理化性能良好(如凍融穩定性、貯存穩定性等)的乳液,這要求在乳液合成時改善一些具體性能,如使乳液具有高玻璃化溫度( Tg )來提高涂膜的硬度、耐擦洗性和耐沾污性,并考慮降低乳液的最低成膜溫度(MFT)使涂料在無需成膜助劑時具有較好的低溫成膜性能等[ 1 ] 。


此外,乳液還應具有很低的殘余單體含量,乳液中殘余的單體濃度會影響乳膠漆的VOC含量,可以通過調整聚合工藝參數來提高單體的轉化率,使殘余單體量降到最低值以至趨于零。


2. 1 核殼結構乳液

核殼結構聚合物乳液的合成是近些年在種子乳液聚合基礎上發展起來的新技術。核殼乳液聚合提出了粒子設計的新概念,即在不改變乳液單體組成的前提下改變乳液粒子結構,從而提高乳液性能。


核殼乳液聚合得到的乳膠粒子是非均相,采用特殊工藝可以設計乳膠粒子的核結構與殼結構的組成。與一般的聚合物乳液相比,核殼結構聚合物乳液具有獨特的復相顆粒結構,在膠乳顆粒中有軟相、硬相,軟相的最低成膜溫度很低,干燥成膜時,不需要成膜助劑,軟相變形填充空隙,形成連續相;而硬相賦予涂膜良好的抗粘連性,核殼乳膠粒獨特的結構形態大大改變了聚合物乳液的性能,降低了VOC的含量[ 1 ] 。


華南理工大學采用核殼乳液聚合技術、增塑劑接枝改性技術及微細化技術制備超低VOC乳液。該乳液具有獨特的兩相、多相核殼結構及單組分室溫自交聯成膜特性,具有較低的成膜溫度(MFT)及較高的玻璃化轉變溫度( Tg ) ,干燥成膜時自交聯固化,在不需添加任何成膜助劑、防凍劑和溶劑的情況下,能夠在較低的環境溫度下形成性能優越的連續漆膜,解決了涂料低溫成膜和凍融穩定性等問題,不含VOC,環保性能良好,實現涂料的真正環保與高品質的完美結合。


2. 2 單組分常溫自交聯乳液

單組分常溫自交聯乳液是生產高性能超低VOC建筑乳膠涂料的一種有效途徑。在乳液聚合時,通過對軟、硬單體的選擇、對比、調整,引入可實現交聯的官能團,使其在成膜時,產生交聯,形成三維網狀結構,解決漆膜抗粘連性、耐沾污性、耐溶劑性、耐熱性等問題,更好地滿足使用要求,是建筑涂料發展方向之一,也是目前研究的熱點之一。作為建筑乳膠涂料,這種交聯必須是常溫交聯,而且為了使用方便,最好是單組分。


目前制備單組分常溫交聯建筑乳膠涂料的方法有失逸性交聯、紫外和太陽光交聯、氧化交聯、TM I交聯、螯合交聯等。與需成膜助劑制成的乳膠涂料相比,在相同的顏料體積濃度下,用這些乳液配制的低氣味無溶劑乳膠涂料,耐洗刷性有較大提高; 當其它性能相當時,此類乳液配制的乳膠漆的VOC又遠遠低于需成膜助劑制成的乳膠涂料。


2. 3 乳液混拼

乳液混拼是指將兩種或兩種以上采用相同共聚單體合成出的具有不同玻璃化轉變溫度( Tg )的乳液進行混合, Tg 低于室溫的乳液(軟相)隨著水分的蒸發而形成連續相; Tg 高的乳液(硬相)中的聚合物均勻地分布在軟相聚合物組成的連續相中,提高了整體膜的抗粘連性能,而對軟相聚合物的MFT影響不大,對整體的成膜性能不會產生不良影響。


通過乳液混拼工藝, 可使混拼乳液在保持較低的MFT的情況下, 具有較好的抗粘連性。在粘連性及力學性能大致相同的情況下,與其它乳液相比,混拼乳液具有較低的MFT。研究表明, 采用乳液混拼技術有望改變原有涂料配制技術中大量使用成膜助劑來降低乳液的MFT,改善乳液的成膜性, 并使其具有較好的抗粘連性及力學性能的局面。


因此,采用軟硬相混拼乳液來生產乳膠涂料, 可大大降低成膜助劑的使用量, 使乳膠涂料真正走上綠色、環保之路。



3 水性助劑的合理使用

使用與體系配伍的水性助劑是保證超低VOC內墻乳膠漆各項施工與測試性能及控制VOC含量的關鍵。傳統乳膠漆使用的成膜助劑、二醇類防凍劑、礦物油類消泡劑、某些締合性增稠劑、防腐殺菌劑及溶劑類的pH 值調節劑[ 2 ]等都是涂料配方中VOC的主要來源。超低VOC內墻乳膠漆應使用可低溫成膜和凍融穩定性合格的乳液,以減少VOC的含量; pH值調節劑可以用無機堿溶液代替溶劑型調節劑。此外,選用一些無溶劑的特種表面活性劑和特效助劑來改善涂料的施工性和耐凍融性也是降低乳膠涂料中VOC的有效方法之一。


3. 1 消泡劑

在乳膠漆中添加了乳化劑、分散劑、潤濕劑,乳膠漆體系的表面張力下降,極易產生泡沫,會造成縮孔、針孔等,影響產品的性能。破泡需要三個過程:氣泡的再分布、膜厚的減薄和膜的破裂。消泡劑的種類比較多,但一般都具有破泡、抑泡和脫泡的多重作用。為了滿足超低VOC的要求,應該選用非礦物油類消泡劑,且在泡基本消失后加入增稠劑,因為粘度高的時候不利于消泡。


3. 2 分散劑、潤濕劑

乳膠漆在長期貯存的過程中,分散劑不足,則易出現絮凝;分散劑過量,很容易出現分層現象。這是因為隨著分散劑用量的增加,顏料顆粒之間的作用力增強,雙電層變厚,電位增大,體系的穩定性增強,但分散劑的濃度達到一定的程度后,會破壞這種雙電層,電位下降,從而出現分水現象,因而需要通過實驗確定分散劑的最佳用量。


潤濕分散劑的使用還與顏填料的種類有關,目前還沒有一種潤濕分散劑能適用于各種不同體系和不同類型的乳膠漆。


3. 3 增稠劑

增稠劑是影響乳膠漆流變性能的一個重要因素。目前,乳膠漆中使用的有機增稠劑主要有三類:纖維素醚類(HEC) 、聚丙烯酸酯乳液類、締合型增稠劑[ 3 ] 。纖維素醚類、聚丙烯酸酯乳液類增稠劑具有較高的低剪切粘度,有利于提高乳膠漆的貯存穩定性及抗“流掛”,但單獨使用難以滿足“流平”、防“飛濺”要求; 締合型增稠劑具有較高的高剪切粘度,可滿足涂刷成厚膜的要求,同時具有較低的低剪切粘度,漆膜易流平,但抗“流掛”、抗“分水”效果差。單獨使用一種增稠劑很難滿足施工及貯存穩定性的要求,因此應在乳液配方中合理組配不同種類的增稠劑。


但是當兩種不同類型的增稠劑搭配使用時,由于增稠網絡的排斥,比例搭配不當時容易產生分水。


3. 4 防霉殺菌劑

乳液、纖維素、顏填料和助劑等物質為微生物提供了生存及繁殖的條件,乳膠漆中的微生物會導致難聞的氣味,漆膜出現霉斑、變色,甚至起泡、脫落。因此,為了防止乳膠漆在貯存期間變質及成膜后長霉,必須加入防腐劑、防霉劑[ 4 ] ,一般添加量為0. 05%~0. 1%。在超低VOC乳膠漆中不宜選用含有甲醛的防霉殺菌劑。


4 顏填料的選擇

為了保證超低VOC內墻乳膠漆具有良好的低溫成膜性,涂膜具有優異的耐擦洗性,應該選用成膜性好、與底材附著力強的顏填料。輕鈣、重鈣、滑石粉等具有良好的附著力,可以提高漆膜的耐洗刷和耐磨性,避免出現起泡、掉粉等現象;高嶺土、云母等具有很好的成膜性,可以改善漆膜的柔韌性,賦予漆膜手感滑爽。


另外,無機顏料雖然價廉性優,但無機顏料中不同程度地含有重金屬離子,是涂料產品中重金屬離子的主要來源。用于健康型建筑內墻乳膠漆的顏填料,其重金屬離子應作為一個嚴格的控制指標,盡可能選擇原料組成穩定、重金屬離子含量低的顏填料。


4. 1 常用的顏填料

乳膠漆一般使用白色的顏料,高檔乳膠漆中一般使用金紅石型鈦白粉,因為它具有較高的折光率,結構穩定,化學性能良好,耐久性優。常用的填料主要有重鈣、高嶺土、滑石粉、云母粉等。在內墻涂料中建議使用重鈣、滑石粉等白度較高的產品。


4. 2 功能填料

功能填料因其化學組成、晶體結構的差異,其加工技術和應用技術有所不同,通過提高加工技術、改善填料特性,賦予乳膠漆新的功能。如片狀的絹細云母粉提高了涂膜耐候性;吸附類填料提高了涂料的貯存穩定性;納米填料提高了涂料的抗菌、耐候性等[ 5 ] 。


4. 3 遮蓋聚合物

遮蓋聚合物可以用來代替部分鈦白粉,降低了成本。這種聚合物中空微球體質顏料的微孔中含有空氣及金紅石型TiO2 顏料, TiO2 也可存在于中空微球的樹脂部分。提高控制空隙的濃度和分散在中空微球的TiO2顏料,則會使涂料的遮蓋率提高,并且還可以提高TiO2 的利用率[ 6 ] ;另外,還可以提供乳膠漆在耐洗刷、耐堿等方面的性能,提高對比率、遮蓋率。


遮蓋聚合物產品,例如,優創,它是空心聚合物球體,可以幫助涂料生產廠商在不損傷性能的前提下,明顯減少原材料的成本。優創提高涂料的遮蓋力的原因是因為中空微球的“微氣泡效應”和微珠對鈦白粉的填充和解絮凝作用的結果。


5 結束語

開發綜合性能優良的超低VOC內墻乳膠漆是乳膠漆領域發展的方向。


減少VOC的途徑主要有:

①通過核殼乳液、單組分常溫自交聯乳液的制備及乳液混拼,滿足超低VOC內墻乳膠漆在不需要成膜助劑和溶劑就能低溫成膜的需要。

②合理使用與體系配伍的水性助劑,主要是消泡劑、分散潤濕劑、增稠劑、防腐殺菌劑,既要滿足超低VOC的要求,又要滿足乳膠漆的常規性能。

③選用能夠改善成膜性和耐洗刷性的顏填料。減少VOC的含量涉及到乳液和各種助劑的選擇,各種原料用量比例應找到一個最優的平衡點,滿足優化施工及測試性能的要求。



超低VOC建筑內墻乳膠漆的配方設計


劉薇薇, 江慶梅, 張心亞, 藍仁華

(華南理工大學化工與能源學院, 廣東廣州 510640)


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