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硅樹脂外墻涂料的配方設計與性能研究,討論硅樹脂外墻涂料配方設計對涂膜性能的影響因素
2019年07月25日    閱讀量:499    新聞來源:中國建材網 cnprofit.com  |  投稿

0 引 言

作為一種環保、施工方便的裝飾材料,近年來水性涂料在外墻裝飾中的應用越來越廣泛。但由于環境中水分、灰塵、紫外線等因素的影響,以及涂料大多涂刷在混凝土、砂漿等堿性基材上,易出現沾污、泛堿、耐水性差、褪色等質量問題,特別是在北方地區,為了防止基層開裂,很多工程采用了彈性涂料,但由于彈性涂料透氣性差,容易出現起泡甚至導致漆膜脫落的情況,因而研制一種憎水、透氣性好的硅樹脂涂料意義重大。


1 配方設計因素及基礎配方

1.1 PVC(顏料體積濃度)

涂料配方的設計中,顏料體積濃度(PVC)是涂料配方設計中的一個重要參數,不同的PVC對涂膜的耐擦洗性、光澤、耐水性、耐候性等性能有很大影響中國建材網cnprofit.com。一般來講,PVC<CPVC時,聚合物能完全包裹顏填料,形成連續的涂膜,涂料的附著力、耐洗刷性、流平性等較好。在有效降低液態水吸收的同時,也阻礙了墻體潮氣的逸出,潮氣冷凝聚積到一定程度,會大大降低涂料與墻體的附著力,容易形成鼓泡。當PVC>CPVC時,乳液聚合物不能將顏料和填料粒子間的空隙完全充滿,會保留一定量的空氣,涂膜性能有較大的變化,透氣性上升,同時耐洗刷性會有一定程度的下降,耐候性也會大大下降。


1.2 乳液

用于外墻的乳液種類最多的是純丙乳液和苯丙乳液。根據合成的單體,純丙乳液的性能區別很大,但通常純丙乳液具有更好的抗紫外線性能,吸水率低,通常適合低PVC的涂料配方中。而苯丙乳液在顏填料粘接能力上表現良好,而且吸水率低,抗皂化性能好。


1.3 硅樹脂添加量

用于有機硅改性外墻乳膠漆的硅樹脂乳液大多是通過有機硅改性的丙烯酸乳液,分為接枝型和共混型兩類,但都存在有機硅含量較低的問題。德國瓦克公司提供了硅樹脂產品,其中BS 43N乳液是一種水稀釋型硅樹脂乳液,活性物質含量達到42% 。


1.4 顏填料的種類和添加量

顏填料種類眾多,不同的顏填料對涂料的光澤、耐候性影響較大,其中白色顏料以二氧化鈦性能最為優異,外墻涂料宜采用金紅石型二氧化鈦,其他顏料如氧化鐵系列性能良好。填料中常見的種類有重質碳酸鈣、硅灰石粉、云母、滑石粉、高嶺土、白云石等。


1.5 助 劑

硅樹脂涂料中助劑與普通外墻涂料基本相似,由于硅樹脂屬于熱固型成膜,所以配方中成膜助劑的用量應減少。硅樹脂表面張力較低,選用消泡劑時應選擇合適的品種和加量。另外潤濕劑和分散劑的加量對有色涂料的展色性非常關鍵。

綜合以上因素,基礎配方如表1所示。

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白色涂料配方中,顏料采用二氧化鈦。有色涂料中,采用m(二氧化鈦):m(氧化鐵紅)=2:1。填料采用兩種不同的粉料搭配。通過調整普通乳液和水的加量,可獲得不同PVC的涂料配方

2 試驗部分


2.1 原材料及測試儀器

有機硅樹脂乳液BS 43N:德國WACKER公司;純丙乳液AC一261:美國ROHM &HAAS公司;苯丙乳液296DS:德國BASF公司;二氧化鈦R一595:澳洲美禮聯公司;氧化鐵紅411O:德國朗盛公司;消泡劑、分散劑:進口;填料:國產;氫氧化鈣、磷酸二氫銨:化學純;石蠟、松香:工業品;標準配制灰。

對比率儀、JTX—II耐洗刷儀、耐沾污測定儀:上海現代儀器公司;透氣性測定設備:德國,規格500 mL PE桶帶蓋,桶蓋規格D90 mm×6 mm;透射型電子掃描電鏡:日本;高速分散機;色差儀:美能達公司D2600型;紫外燈箱:功率500 W,河南建材院;天平:感量0.01 g。


2.2 實驗生產工藝

配制外墻涂料時,首先加入1—5,低速分散,加入6、7后高速分散30~40 min,至細度達到要求。考慮有機硅乳液的特點,粉料分散完成后,應先加入有機硅乳液BS 43N攪拌5~10 min,以便有機硅乳液能更好吸附在顏填料表面,然后在中速狀態下加入9~13,分散10~15 min后調整體系pH值到8~ 9,攪拌至均勻狀態即可。


2.3 涂料性能檢測

按照GB/T 1733—1993甲法規定檢測耐水性;按照GB/T9265-1988規定檢測耐堿性;按照DIN 53778規定檢測耐洗刷性,測試前涂料照射200 h QUV—B,并進行噴淋處理;按照GB/

T 9755-2001附錄A方法檢測耐沾污性,污染源采用上海建科院提供的標準配制灰;吸水性的測定是用涂布器在玻璃板上制得一定厚度的涂膜,標準環境下養護7天,然后將干膜進行循環吸水性測試。每次循環前稱取質量‰ ,浸入水中24 h后,用濾紙吸干涂膜表面的水,馬上稱取質量m ,干燥48 h。

吸水率=(m1一m0)/m0 X100%

透氣性的測定參考ISO 7783—2一濕杯法(50/93):在PE桶蓋上涂刷一定量的涂料,標準環境下養護14天后,將一定量的飽和磷酸二氫銨溶液放人桶中,并密封于標準濕度環境。由于飽和磷酸二氫銨溶液產生93% 的濕度,與桶外環境形成濕度差,每24 h通過稱取桶的質量差來計算涂層透氣性。結果用靜止空氣層厚度sd表示。將制備好的涂料樣板養護7天后,放入紫外燈箱中照射100 h,冷卻后取出觀察表面粉化狀況,檢測耐紫外光穩定性。


3 結果與討論

3.1 顏填料對涂料性能的影響

通過添加苯丙乳液296DS,調整PVC為50% ,此時不添加硅樹脂,調整不同的顏填料比例和填料種類,得到白色涂料,進行耐紫外線測試(戶外曝曬),結果如表2所示。

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從表2可以看出,當顏填料比例在30:70或進一步增大顏料比例時,涂料對比率達到優等品要求,色差變化少,粉化程度比較輕微。填料選擇上,通常考慮抗粉化性好、不易沉降、耐磨性好、吸水量少的品種。因此,涂料配方設計中可選擇顏料:填料=30:70,填料可選用兩種或兩種以上的抗粉化性比較好的粉料復配使用,如重質碳酸鈣、白云石、重晶石、硅灰石、滑石粉等。


3.2 乳液對涂料性能的影響

分別選取純丙乳液AC一261和苯丙乳液296DS,按照表1配方配制PVC為35% 、50%和65% 的涂料,顏料選取R一595二氧化鈦。測試涂料的吸水率、透氣性和耐洗刷性,測試結果如圖1~3所示。

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從圖1~3可以發現,苯丙乳液和純丙乳液配制的涂料性能區別不是很大,其中涂膜吸水性測試中,第一次循環后吸水率相對較高,但經過多次水洗循環后,吸水率變化較小,說明第一次水洗循環前,涂料中含有水溶性物質,對吸水率影響較大。相對來說,PVC對涂料性能影響很大,隨著PVC的上升,涂料吸水率下降,透氣性上升,耐擦洗性能下降。特別是PVC為65% 的涂料,性能變化明顯,主要是PVC比較高的原故。


3.3 硅樹脂乳液添加量對涂料透氣性的影響

在配方中,選擇苯丙乳液,調整涂料PVC為35%、50% 和65%,顏料選取R一595二氧化鈦。在保持PVC不變的情況下,用有機硅樹脂BS 43N對苯丙乳液進行替換,比例分別為0、25%、50%、75%和100%。涂料性能如透氣性測試結果如圖4所示。

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從以上測試結果可以看出,不同的PVC對涂料性能影響很大。PVC為65% 時,透氣性良好,主要是因為PVC超過CPVC了。但在同一PVC體系中,隨著硅樹脂乳液加量的增加,涂層透氣性變化明顯。


丙烯酸乳液成膜時,當PVC低于CPVC時,會形成連續的漆膜,降低涂層透氣性,導致墻面中的水汽不能逸出墻體,影響涂膜的附著力,甚至會出現漆膜成片脫落的情況。有機硅不堵塞毛細孔,具有很好的透氣性。圖5和圖6是PVC為50%涂料中不加BS 43N的A0樣品和全部替換的AIO0樣品的電鏡掃描(SEM)圖。

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從圖5、圖6可以很明顯對比看出,圖5中未加有機硅樹脂的涂料微觀上結構連續,而在圖6中,從AIO0樣品微觀圖上可以看出,毛細孔沒有被堵塞,能保持很好的透氣性。硅樹脂用量對涂料耐沾污性的影響見圖7。從圖7測試結果可以看出,不同PVC涂料耐沾污性能差異也很大。


當PVC為35%和50% 時,此時PVC<CPVC,涂料中乳液能完全包裹住顏填料,耐沾污性能主要取決于乳液的玻璃化溫度。當PVC>CPVC時,由于乳液不能完全包裹住顏填料,耐沾污性能會有較明顯下降。


但在同一PVC體系中,隨著硅樹脂乳液加量的增加,涂層耐沾污性能具有較明顯的提高,這是由于當硅樹脂乳液添加到外墻乳膠漆后,能形成類似網狀結構的大分子,這種網狀結構比較堅硬,與普通丙烯酸乳液具有熱塑性不同的是,有機硅樹脂具有熱固性,表觀硬度幾乎不隨溫度變化,所以即使在外界溫度較高如夏天戶外的環境中,硅樹脂涂料仍具有良好的耐沾污性。但BS 43N取代超過50%后,性能略有下降,可能是BS 43N添加量超過一定程度后,帶來了過多的微孔,影響了涂料耐沾污性。

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有機硅中一si一0一si一鍵鍵能是452 kJ/mol,比c—C鍵鍵能(356 kJ/mo1)高很多,所以當紫外線能量(418 kJ/mol)照射200 h后,純丙乳液漆膜中聚合物會有部分降解,導致漆膜耐洗刷性能下降,但有機硅基本不受影響。所以加入有機硅乳液對提高涂料耐候性也有很好的效果。

另外實驗考察了PVC 50%的涂料中,有機硅樹脂BS 43N加量對涂料耐水性、耐堿性的影響,結果如表3所示。

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從表3可以看出,未添加BS 43N的涂料耐水性、耐堿性分別為7天、5天,但添加BS 43N后耐水性、耐堿性均有較大的提高,其中A100耐水性優異,超過30天。有機硅既具有無機基團,又有有機基團,有機基團使之具有很低的表面張力,很強的憎水性。


3.4 助劑對涂料性能的影響

實驗中,測試了不同消泡劑加量對50%PVC涂料外觀的影響,其中BS 43N50%代替,結果如表4所示。

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NXZ是金屬皂類消泡劑,SN 154是二氧化硅類消泡劑。從表4可以看出,SN 154比NXZ消泡效果略好,但更易產生“油縮”等外觀病態,根據實驗結果可選擇0.3% NXZ添加量,多次加入效果更好。

在有色涂料中,考察了不同潤濕劑和分散劑對涂料展色性的影響,判定方法采用指研法,實驗結果如表5所示。

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從表5可以發現,2% 188A和4% OROTAN 1124配合可以得到比較好的展色性。關于其他助劑,在中高PVC涂料中由于顏填料相對較多,涂料耐擦洗性能會受到較大影響,可以通過添加一定量的木纖維或遮蓋聚合物來改善。


4 結語

涂料的配方設計是一個比較復雜的工作,特別是外墻涂料體系,要獲得比較好的透氣性、低的吸水性、優異的耐擦洗性能和耐候性能,需要考慮很多方面。通過硅樹脂外墻涂料的性能測試結果,可得出以下結論:

(1)PVC是涂料配方設計.的關鍵,是影響涂料的主要因素;

(2)為獲得比較好的抗粉化性能,顏填料比例中顏料所占比例應在30%以上,填料可選用兩種或多種粉料,如重質碳酸鈣、白云石、重晶石、硅灰石等抗粉化性能好的粉料;

(3)性能優異的純丙乳液和苯丙乳液對涂料吸水性、透氣性、耐洗刷性等影響不大,純丙乳液在低PVC涂料中優勢更大;

(4)有機硅樹脂能顯著改善涂料透氣性、耐沾污性以及耐水性、耐堿性等性能,但添加時應考慮合適的比例;

(5)不同的助劑種類和添加量對涂料性能影響較大,0.3% NXZ可獲得較好的消泡效果和外觀。2% 188A潤濕劑和4% OROTAN 1124分散劑配合在有色涂料中可以得到比較好的展色性。可通過添加一定量的木纖維或遮蓋聚合物來改善涂料耐擦洗性能。


參考文獻

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