新型乳胶漆用疏水剂的研制

新型乳胶漆用疏水剂的研制

李玉平① ,王亚强,张平,郑廷秀,贺卫卫　(湖南大学材料科学与工程学院,长沙410082)

0 　引　言
随着人们环保和健康意识的增强,具有安全、无毒、低VOC、绿色环保等优点的乳胶漆正逐步取代传统的溶剂型涂料而广泛应用于建筑装饰、装修领域。但是,由于乳胶漆漆膜表面凹凸不平,并且存在许多毛细孔,在环境因素的影响下,很容易被污染,大大缩短了乳胶漆的使用寿命。因此,提高乳胶漆的耐沾污性一直是涂料工作者研究的热点问题。德国波恩大学植物学教授W. Barthlott 研究发现[1 ] ,许多植物的叶子具有很强的疏水性,因而污染物不能沾附在整个叶子表面,而只能松散地堆积在表面的凸起处。下雨时,这些污染物随雨水而被冲掉,从而使植物叶子具有随雨水而自洁的功能。所以,增强乳胶漆漆膜的疏水性是提高其耐沾污性的一种有效手段。本文旨在研制一种新型的乳胶漆用疏水剂,将其作为一种功能性组分加入到乳胶漆体系中,能够使涂膜具有较强的疏水性,从而提高乳胶漆的耐沾污性。

1 　疏水剂的作用机理
受乳胶漆本身的成膜过程的控制,以及受环境温度、湿度等因素的影响,成膜后乳胶漆漆膜表面往往存在很多毛细孔。当夹杂着污染物的雨水落在漆膜上时,含有大量的亲水性基团的漆膜表面将很快被润湿,污染物会在渗透压的作用下与水分一起通过毛细孔渗入漆膜内部,从而造成漆膜的污染。疏水剂主要是由表面张力较低的物质组成。将其作为一种功能性组分,加入到乳胶漆体系中,随着成膜时水分的蒸发,疏水剂从漆膜内部迁移到表面,从而降低了漆膜的表面张力,使其具有较强的疏水性,防止含有污染物的水分通过毛细管渗入漆膜内部,增强乳胶漆的耐沾污性。用作疏水剂的原料主要有两类:一类是有机硅类材料,另一类是蜡类材料。有机硅一般是指具有—Si —O —Si —主链与有机侧链的聚硅氧烷[2 ] 。若能够与树脂和颜填料的—OH紧密连在一起,在漆膜表面形成网状疏水薄膜,降低漆膜的表面张力,从而使水分无法渗入毛细孔而只能成水珠落下。但是有机硅的疏水性太强,导致乳胶漆产生重涂性差、涂膜易缩孔等弊病。蜡也是一种表面张力很低的物质,将其与乳化剂等助剂一起分散在水中,可以制得稳定的蜡乳液。将该乳液加入到乳胶漆体系中,成膜后不溶性的蜡可以填满漆膜表层的空隙而形成一层连续的薄膜,从而降低漆膜的表面张力,达到疏水的目的。但由于这层薄膜过于致密,会使漆膜的透气性有所降低。通过一定的工艺,将有机硅与蜡的混合物分散在水中制成乳液,将其作为一种功能性组分加入到乳胶漆中,一方面能有效地降低漆膜的表面张力,提高其表面疏水性,防止水分渗透,增强乳胶漆的耐沾污性;另一方面,由于该乳液在漆膜表面并没有形成非常致密的薄膜,从而使漆膜又具有很好的透气性。这样,既避免了有机硅类材料重涂性差的缺点,又克服了蜡类材料透气性差的不足。

2 　疏水剂的制备
2. 1 　主要原材料
硬脂酸、三乙醇胺、吐温- 80 、十二烷基苯磺酸钠、油酸,均为化学纯;石蜡、硅油、消泡剂、pH 调节剂,均为工业品。

2. 2 　主要仪器
JHS – 1/ 9 搅拌器; FA1104 电子天平; 220 V ×1 000 W万用电炉;C84 – II 反射率仪;NDJ – 79D 黏度计;JL – 1155 激光粒度分析仪;JL – 80B 台式离心机。

2. 3 　基础配方
　　经过探索性实验,确定的基础配方如表1 所示。

2. 4 　工艺流程
将石蜡切成小块,放入烧杯中,加热至85 ℃使其熔化。待石蜡全部熔化后,加入一定量的硅油,低速搅拌使其充分混合,然后依次加入称量好的乳化剂和热水,以1 000 r/ min 的速度搅拌30 min 后,冷却至室温。再加入消泡剂和pH 调节剂,搅拌均匀,即得到产品。最后, 取少许疏水剂乳液在离心机上以4 000 r/ min的速度离心15 min ,观察是否分层以确定其稳定性[3 ] 。根据水层的厚度,将疏水剂的稳定性分为4 个等级(见表2) 。

3 　影响疏水剂性能的因素
3. 1 　乳化剂的类型
一般将HLB 值作为选择乳化剂的依据,理论上只有此值在8～18 的乳化剂才适合于O/ W(水包油)型乳状液体[4 ] 。大量实验表明,单一类型的乳化剂效果并不理想,一般采用几种不同类型的乳化剂混合使用[5 ] 。根据基础配方,保持混合乳化剂的总量不变,改变各种乳化剂的比例,按前述工艺流程制备疏水剂样品,以稳定性为主要考察指标,结果见表3 。

　* :1 级最好,4 级最差。
　从表3 可见,随着HLB 值的增加,疏水剂稳定性先变好后变差。这是因为乳化剂分子一般都是两亲分子,含有亲水和亲油两种基团。HLB 值表征的是两种基团的平衡, HLB 值低, 表示分子亲油性强;HLB 值高,表示分子亲水性强。如果乳化剂HLB 值太低,分子亲油性太强,使其不易溶于水,因而不利于其在油水界面的吸附,形成的界面膜机械强度低,乳液粒子热运动相互碰撞时很容易破乳;如果乳化剂HLB 值太高,分子亲水性太强,使其在水中的溶解度太大,也不利于其在油水界面的吸附,不能形成机械强度较高的界面膜,因而也较容易破乳。从表3 可看出,HLB 值在16 左右,疏水剂的稳定性最好。
3. 2 　乳化剂的用量
根据基础配方,按表3 中3 号样品各种乳化剂比例不变,改变混合乳化剂的总量,按前述工艺流程制备疏水剂样品,以稳定性为主要考察指标,结果见表4。

　从表4 可以看出,随着乳化剂用量的增大,疏水剂的稳定性逐渐变好最后基本趋于稳定。这是由于乳化剂用量过少,其不能够在乳液粒子表面形成致密的吸附层,界面膜强度低。在乳液粒子热运动相互碰撞时,容易破乳,从而不能得到稳定的疏水剂乳液。乳化剂用量过多,虽然能够得到稳定的乳液,但是在产品中往往含有多余的乳化剂,从而影响产品的质量。根据实验,乳化剂用量在10 %～12 %较为合适。

3. 3 　乳化时间
根据基础配方,按表3 中3 号样品各种乳化剂比例不变,改变乳化时间,按前述工艺流程制备疏水剂样品,以稳定性为主要考察指标,结果见表5 。

　从表5 可见,随着乳化时间的增加,疏水剂稳定性逐渐变好,最后趋于稳定。乳化时间过短,不能充分乳化,稳定性差;而乳化时间过长,浪费能源,增加了生产成本。因此,选择乳化时间为35 min。

3. 4 　乳化温度
根据基础配方,按表3 中3 号样品各种乳化剂比例不变,改变乳化温度,按前述工艺流程制备疏水剂样品,以稳定性为主要考察指标,结果见表6 。

　由表6 可看出,随着乳化温度的升高,疏水剂稳定性逐渐变好。这是因为乳化需要一定的热量,以降低被乳化物的内聚力,便于在搅拌作用下迅速而充分地分散。温度越高,分子热运动越剧烈,内聚力越小,越容易被乳化,从而稳定性越好。一般配制O/ W型时,应在温度低于PIT(相转变温度) 2～4 ℃下制备,在低于PIT 温度20～60 ℃下保存[6 ] 。根据实验,乳化温度在80～90 ℃之间较为合适。

3. 5 　搅拌速度
根据基础配方,按表3 中3 号样品各种乳化剂比例不变,改变搅拌速度,按前述工艺流程制备疏水剂样品,以稳定性为主要考察指标,结果见表7 。

　制备乳状液时,一般不会在相界面发生自乳化,需要用机械的方法对体系施加机械力,克服界面张力,将乳液粒子分散于水中[7 ] 。分散时所作的功( W) 大于或等于液体表面积增加值( △A ) 与表面张力(γ) 之积(即W ≥△A ·γ) 时,才能够被乳化。由表7 可知,搅拌速度< 800 r/ min 时,不能充分乳化,疏水剂的稳定性差; 当> 1 000 r/ min 时,稳定性较好。但速度过高,易起泡沫,易引起物料溢出,乳化难于控制,且能耗增加,故选择1 000 r/ min 为宜。

4 　疏水剂的应用
根据以上讨论,确定最佳配方见表8 。

　根据表8 配方,在乳化温度为85 ℃的情况下,以1 000 r/ min 的搅拌速度乳化35 min ,并按照前述工艺流程制备疏水剂。将一定量的该疏水剂(乳胶漆总质量的018 %) 作为一功能性组分加入到乳胶漆体系中,并按照国家标准GB/ T 9755 —2001 ,对乳胶漆的主要性能进行检测,结果如表9 。由表9 可见,加入疏水剂后,乳胶漆的耐沾污性、耐洗刷性和耐候性均有很大提高。

5 　结　语
有机硅和石蜡的混合物作为疏水剂的主要原料,既可以产生较好的疏水效果,又可以避免单一组分使用时重涂性差、透气型不好等缺点。乳化剂的HLB值在16 左右、用量在10 %～12 %、乳化时间35 min、乳化温度80～90 ℃、搅拌速度1 000 r/ min 时,疏水剂的稳定性较好。将新型疏水剂作为一种功能性组分加入到乳胶漆体系中,能够很大程度上提高乳胶漆的耐沾污性、耐洗刷性和耐候性。