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耐沾污外墻乳膠漆的開發,分析了外墻乳膠漆涂膜被污染的主要原因及影響因素
2019年07月23日    閱讀量:635    新聞來源:中國建材網 cnprofit.com  |  投稿

0 引 言

隨著我國城市化進程的加快,外墻建筑乳膠漆已逐漸成為城市建筑物的主要裝飾材料。然而作為外墻涂料長期暴露在大氣中,要保持外觀清潔對裝飾性來說是十分重要的。因此,改善建筑外墻乳膠漆的耐沾污性已成為衡量涂料質量的一個重要的指標中國建材網cnprofit.com


涂料的耐沾污性首先與涂料本身性質有關,如漆膜的致密性、表面能、親水/親油特性、平滑度、表面硬度等;其次與環境有關,如溫度、濕度、灰塵量、化學介質等。隨著工業的發展,汽車尾氣、工業廢氣等含有各種化學成分的污染物,對涂料的耐沾污能力提出了更高的要求。


本文在分析了導致外墻乳膠漆耐沾污性差的主要原因,討論了改善涂膜耐污染性的改進思路,基于親水性漆膜比疏水性漆膜在耐沾污性上更具優勢的理論而應用親水性核殼型純丙乳液(江蘇日出集團提供) ,研制出外墻耐沾污乳膠漆,并在應用中調整配方、改進工藝,獲得了良好的應用效果。


1 外墻建筑乳膠漆耐沾污性差的主要原因

外墻乳膠漆在使用環境中時刻受到外界各種各樣的污染。外墻涂料涂層被污染,首先是因為大氣中存在各種塵埃,漂浮著帶油性的煙霧。在工業城市里,燃油和燃煤設備的煙囪里揮發出大量的帶有油性或酸性的物質,還有大量的汽車尾所中含有黑色顆粒,加上酸雨、霧等,這些污染物通過多種渠道污染外墻涂層,歸納起來大致如下主要因素。


(1)粘附:外墻乳膠漆的成膜物———聚合物乳液是熱塑性的,其玻璃化溫度( Tg )一般為20 ℃左右,在Tg 以上,涂膜易受熱發粘而沾灰,或是涂膜受雨水浸泡而軟化,軟化后的聚合物更容易粘附空氣中的污染物; ( 2)吸附:涂膜會因吸附灰塵而污染。


涂膜的臨界表面張力約為50 mN /m左右,屬低表面能,吸附作用雖存在但不嚴重。另外,就靜電吸附而言,非極性有機物是不良導體,在空氣比較潮濕時,不存在靜電吸附;當空氣干燥時,就容易產生靜電,一旦遇到相反電荷的微粒,相互吸引,就有可能存在靜電吸附現象而形成污染; (3)吸塵:從微觀上看涂膜表面是凹凸不平的,存在空隙,分散在雨水中的細小的塵埃膠體進入涂膜毛細孔,水分蒸發后塵埃留在毛細孔內沉積在涂膜的表面,從而對涂膜造成永久性的污染。


此外,涂層在濕熱條件下滋生霉菌,也會形成污染,影響涂層的裝飾效果。


2 對于親水性漆膜與疏水性漆膜耐沾污的分析

在解決外墻乳膠漆耐沾污性的問題上,一直以來存在著關于疏水性漆膜或親水性漆膜更具自潔性的兩種觀點的討論。疏水性的基本理論在于若涂膜表面能比污染物的低,污染物就很難穩定附著在漆膜表面。


一些業界人士利用疏水助劑降低漆膜的表面能使漆膜具有所謂的“荷葉”效果研究開發了一系列外墻涂料品種。隨著有機硅、有機氟技術在涂料應用中的不斷進步,使漆膜表面能不斷降低,然而人們發現,低表面能涂層依然沒有達到預期的耐沾污效果,雨痕問題已經成為涂膜沾污的突出問題。


與疏水性理論相反,針對疏水性涂膜難以克服的“雨痕”現象及城市污染源中大量油性物質的存在,日本涂料界提出了“親水性涂膜比疏水性涂膜更耐沾污”的觀點,認為疏水性漆膜耐沾污差的兩大原因:一是靜電吸附;二是雨水珠不利于洗凈污染物。疏水性涂膜由于表面干燥而導致帶電浮游污染物顆粒吸附較親水性涂膜更易污染。


同時雨水在疏水性涂膜表面起珠不能潤濕、鋪展,抵消了雨水對污染物的沖刷力,不利于利用雨水來洗凈污染物,達到自潔性的目的。相反,親水性漆膜由于其疏油性,一些親油性的灰塵即使附著,也較易被雨水沖走。日本在20世紀90年代中期研制成功氟碳漆親水性漆膜,在實踐應用中,雨痕問題明顯緩解,耐沾污性明顯好于疏水性涂膜的氟碳漆。


3 涂料配方及性能

3. 1 配方

耐沾污外墻膠漆的配方參見表1。

表1 涂料配方基本構成

耐沾污外墻乳膠漆的開發,分析了外墻乳膠漆涂膜被污染的主要原因及影響因素 中國建材網,cnprofit.com


3. 2 工藝

根據配方依次加入水及潤濕劑、分散劑、防浮色劑、防腐劑、消泡劑等于分散罐中,在分散機攪拌均勻后再加入顏料及其他填料,繼續分散20 min,然后研磨,將研磨后的漿液放入預先放有乳液的反應罐中,攪拌均勻,在分散機攪拌情況下,加入乳液,攪拌均勻,最后加入消泡劑、增稠劑和流平劑調至所需黏度。


3. 3 性能

產品性能檢測按照GB /T9755—2001的標準,其結果見表2。

表2 涂料技術指標


耐沾污外墻乳膠漆的開發,分析了外墻乳膠漆涂膜被污染的主要原因及影響因素 中國建材網,cnprofit.com

4 配方設計原理及應用

本配方基于親水性理論,在配方設計上定位于改善外墻乳膠漆耐沾污性,使用高玻璃化的核殼型聚合物乳液作為成膜物,提高乳膠漆的固含量,增加乳膠漆表面的平整度和致密度。


4. 1 乳液的選擇

乳液可以看成是分散在水中的許多獨立的聚合物粒子。常規乳液是由不飽和單體按照一定軟硬單體比例聚合而成。體系中硬單體的比例大造成Tg 升高,不利于常溫成膜;而軟單體比例大,則乳液膠膜易回粘,配制的涂料耐污染差。而使用一定的聚合工藝,合成的核殼乳液能夠滿足功能上的需求。本配方所需的是一個滿足高Tg 且親水的涂膜。此種核殼乳液是一種內軟外硬的核殼結構并在殼層上接枝特殊的親水性功能基團,使配制的外墻乳膠漆在涂膜上有一定的硬度又具備親水的特點,達到了配方的要求。


4. 2 PVC的確定

顏料體積濃度( PVC) 、顏基料比、質量固含量、體積固含量是衡量乳膠漆性能的重要標志。在常規的外墻乳膠漆配方中,高性能乳膠漆的顏基比為2.0~4.0∶1.0,質量固含量約為40%~50% ,也有一些高固含量的產品達到60% ,體積固含量約為20% ~35%。基于以上思路設計的配方在實際應用中仍然出現一系列問題:質量固體分高、開罐效果差,必須兌水施工,施工時成為低固體分涂料,且兌水后,環境濕度低,表干太快,濕度高,影響重涂。質量固含量低,低黏度乳膠漆貯存易分層,調色后降黏太多。實際施工的體積固含量較低,導致涂膜致密性低,而且低體積固含量影響乳膠漆的豐滿度和光澤。高水量需要較高的表面活性劑,留在涂膜中的表面活性影響漆膜耐水性。鑒于以上缺點,本配方在設計中采用質量固含量高、體積固含量高的思路。質量固含量高的實現是在配方中滿足分散顏填料所需水的情況下盡量減少體系中水的含量,這樣會提高干燥后涂膜的厚度、封閉性。體積固含量比質量固含量更具直觀性,直接反應干濕膜厚的關系,加之乳液對體積的貢獻相比顏填料更大,較高的體積固含量代表較高的乳液含量,因此體積固含量也被用作評價涂料品質的重要指標。


4. 3 顏填料的選擇

親水性涂膜表面主要是把涂膜表面設計成親水性,使水在涂層表面接觸角變小,使其在涂層表面盡量鋪展,從而帶走涂膜的灰塵并且不留下“淚痕”,但是若涂膜表面粗糙,空隙率大,水通過毛細管道滲入,同時軟化涂膜,造成污染,所以除了乳液的作用外應設計一個高硬度的致密涂膜。


4. 3. 1 顏填料的選擇

乳膠漆中顏填料的含量也是影響漆膜耐沾污性的一個重要因素。提高顏填料的含量可以在一定程度上增加涂膜的綜合硬度;并可有效提高漆膜耐沾污性。本配方中固含量相對較高(60% ) ,體系中乳液含量也較高,用于分散顏填料的水相對較少,應盡量選擇低吸油值、高密度的顏填料,又考慮作為外墻乳膠漆耐久性的要求選擇了填料的粒徑700目的沉淀硫酸鋇和700目重碳酸鈣,在保證高固含量的同時又便于分散研磨,為增加涂膜的致密度并減少二氧化鈦的用量以降低成本,還用了一定量的遮蓋聚合物。


4. 3. 2 遮蓋聚合物的使用

遮蓋聚合物是一種不成膜的水性聚合物乳液,具有球狀中空的結構,其外殼為玻璃化溫度很高的聚合物,平均粒徑為0.38μm,中間空穴充滿水。在涂料干燥過程中,水通過聚合物外殼蒸發,留下空隙。由于空氣與周圍聚合物的折射指數不同,使光得到有效的散射,從而達到了漆膜的遮蓋力(即不透光性) 。使用遮蓋聚合物可以提高涂料遮蓋力,節省成本,且保持涂料的性能;改善內墻涂料的耐擦洗性,外墻涂料的耐沾污;提高涂料的戶外保色性;使漆膜手感更滑爽。更重要的是,使用一定量的遮蓋聚合物能有效地提高體系的體積固含量。是本配方在不增加乳液量的情況下得以實現高體積固含量的一個重要手段。在設計配方時要注意二氧化鈦含量,只有二氧化鈦的PVC高于8%~10%以上時,遮蓋聚合物的使用才能顯著地體現其提高遮蓋力的作用。含遮蓋聚合物的乳膠漆比僅含無機顏填料的乳膠漆在一定程度上更富假塑性,當把配方調整到同樣的中剪切黏度(KU)時,其高剪切黏度( ICI)較低,在這種情況下,要得到所需的流變性,可使用流變改性劑,以提高其高剪切黏度。成膜助劑等助劑在顏填料分散階段加入分散研磨,再添加乳液,充分攪拌均勻后在最后調漆階段添加遮蓋聚合物,以免破壞原有的遮蓋作用。


4. 4 助劑的使用

在潤濕劑、分散劑品種的選擇上注意到是否適應所選用的顏填料及乳液。所選用潤濕劑、分散劑能使顏填料分散時間短,不發生絮凝和沉淀現象,涂料無浮色、發花、失光,并且展色性好,同時要注意加入量要恰當,加入量過大導致黏度上升,失光,有凝膠的趨勢,降低涂料著力和耐水性,并且泡沫會變多;加入量太少,除了分散效果不佳外,會造成:反粗,涂料發脹。


在消泡劑選擇上注意到易在水中分散,快速破泡,有持久消泡效果,為了保持良好的涂料開罐效果和涂刷效果,在生產中分兩次加入。在殺菌劑選擇上選用了環保型殺菌劑,不含有機溶劑和甲醛。在成膜助劑和助溶劑選擇上選用丙二醇(兼有防凍劑作用) 、Texanol,慎用二乙二醇丁醚,考慮到以上3種助劑可以按不同比例對聚合物乳膠粒起溶解作用,又能溶于水中,溶解乳液粒子時,乳液粒子變軟,起到了內增塑作用,粒子相互滲透、降集、降低了粒子成膜的溫度,涂膜形成后,該部分助劑會慢揮發掉,涂膜變硬,恢復原有力學性能,同時溶于水中的助劑會降低水的揮發速度,延長干燥時間,增加流平性,有利于形成均勻的涂膜。


選用ASE - 60, RM - 2020增稠劑,既考慮到無分水現象又要有流平好的效果,實踐證明,這種氨基酸不僅有良好的開罐效果,同時涂膜有很好的豐滿度。


5 結 語

(1)通過先用THD - 1乳液,在成膜助劑作用下能較完全地成膜,并能盡可能地減少乳液中水溶性物質的濃度。因此,在制備乳膠漆試驗中得到了耐沾污指數為5%的理想效果。

(2)不透明聚合物優創- E的選擇提高了乳膠漆的穩定性,調整PVC在不增加成本的情況下,提高了乳膠漆的對比率、耐擦洗性和耐沾污性。

(3)在確定乳膠漆的PVC后,潤濕劑、分散劑及填料的選擇有助于涂層的耐沾污性能的進一步提高。


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