膨润土在涂料工业中的应用

摘　要　将膨润土用作106 建筑涂料、仿瓷涂料、乳胶漆的填料,具有明显的增稠作用,可减少基料和颜料的用量,并有明显的防沉效果,涂料的触变性、流变性等涂刷性能得到改善,增强了涂膜的耐水性。另外,对膨润土在涂料中的作用机理作了探讨。

关键词　膨润土　建筑涂料　填料　防沉效果　耐水性　钠化改性　作用机理

　　膨润土具有许多优良特性,应用广泛。它与表面活性剂的反应产物———有机膨润土,用在油漆中作防沉剂和增稠剂,已为人们所熟知。但膨润土用于水基涂料中作填料或助剂,还是近几年的新进展[1～3 ] 。近年来,由于我国房地产业发展迅速,建筑涂料用量剧增,涂料原材料价格上涨,成本提高以及涂料市场竞争激烈,促使了涂料行业寻找更廉价的新材料,取代部分价格较昂贵的原材料,以降低涂料的成本和提高产品的质量。膨润土是一种新开发的涂料原料。某地钙基膨润土,用于106 建筑涂料、仿瓷涂料与乳胶漆中的填料或助剂,效果良好。

1 　膨润土的理化性质
膨润土是一种以蒙脱石为主的粘土。蒙脱石为含水铝硅酸盐矿物,它的矿物层间带有负电荷,能吸附Ca2 + 、Mg2 + 、K+ 、Na + 等阳离子,并具有阳离子交换性质。膨润土吸水后蒙脱石层间能沿C 轴方向膨胀,钠基膨润土分散于水中,可形成触变性良好的凝胶。
某地膨润土除含蒙脱石50 %～80 %外,还常见有高岭石、埃洛石、水铝英石、绿泥石、水云母、长石、方英石、方解石等,伴生矿物沸石含量为1 %～20 %。

2 　试验与结果分析
2. 1 钙基膨润土的钠化处理
天然钙基膨润土的水化性能、膨胀性、悬浮性和流变学性能远不如钠基膨润土,不适合作涂料用。因此,须先将钙基土进行钠化改性,其原理如以下方程式所示:
Mont2Ca + Na2CO3 = Mont2Na2 + CaCO3
某钙基土的阳离子交换容量CEC 为60～100m·mol/ 100g ,按上式计算Na2CO3 的理论加入量约为3. 2 %～5. 3 % ,但在实际应用中湿法或干法改性时加入3 %～4 %即可。
本文采用湿法改性,应严格控制条件,使达到最好的钠化效果。

2. 2 PVA 胶水的制备
本文中106 建筑涂料、仿瓷涂料和乳胶漆用的PVA 胶水按以下方法制备。
配方( %) :聚乙烯醇PVA10 ,盐酸0. 5 ,甲醛4. 0 ,尿素和氢氧化钠适量,水85 。制备工艺:将水加入反应釜中,开动搅拌器,加热升温至95 ℃,使PVA 醇解完全,再冷却并保温至70～80 ℃,缓慢加入盐酸,搅拌约20min ,加入甲醛,并用碱调整至适当
pH 值,加入尿素进行氨基化处理,备用。

2. 3 106 建筑涂料
106 建筑涂料是一种以聚乙烯醇PVA为主要成膜物的水性涂料,可作建筑物的内墙或外墙涂料。这种涂料的主要缺点是耐水性差和易掉粉。
加入膨润土的涂料配方为( %) : PVA1. 5～3. 0 ,轻质碳酸钙20～30 ,滑石粉3. 0 ,膨润土2. 0～8. 0 ,助剂适量。
涂料的性能检测结果见表1 。

加膨润土后的106 建筑涂料成本可降低85 元/ t ,降低了12 %。

2. 4 仿瓷涂料
仿瓷涂料是一种以有机高分子化合物为粘合剂与非金属矿物原料为基料,辅以一定量的颜料、填料和助剂制成的一种水基膏状涂料。这种涂料主要特点是白度高、附着力强、坚硬光亮如瓷。缺点是耐水性差,放置期短,放置过程中容易结块变硬。
加入膨润土的涂料配方( %) : PVA4～5 ,轻质碳酸钙30～40 ,重质碳酸钙5～10 ,灰钙5～10 ,膨润土2～8 ,助剂适量。
涂料的性能检测结果见表2 。

加膨润土后的仿瓷涂料成本减少了170元/ t ,降低了18 %。

2. 5 聚醋酸乙烯乳胶漆
乳胶漆是由水乳胶加入颜料、填料、助剂调配而成,是一种水性涂料。它是一种高档的建筑内墙和外墙涂料,具有安全无毒、不燃烧、施工方便、装饰效果好等优点。但聚醋酸乙烯乳胶漆耐水性比较差,存放期间易沉淀分层,影响施工。
加入膨润土的乳胶漆配方( %) :聚醋酸乙烯乳液PVAC(50 %) 15～30 , PVA5～20 ,膨润土2～5 ,钛白粉10 ,立德粉15 ,轻质碳酸钙5～8 ,滑石粉2～5 ,硅灰石2 ,助剂2～5 。
加与未加膨润土的聚醋酸乙烯乳胶漆颜色和外观上均符合标准样板及其色差范围、严整无光,耐水性相当(水泡4d 漆膜无变化,不脱落) ,其他性能检测结果见表3 。

　加膨润土后的聚醋酸乙烯乳胶漆的成本减少了650 元/ t ,降低了16 %。

2. 6 加入膨润土的优点
综上所述,将膨润土加入建筑涂料、仿瓷涂料和乳胶漆中作填料或助剂,经产品质量检测与施工考验证明,主要有以下优点:
(1) 膨润土能增加涂料稠度,提高悬浮性,改善防沉性能。这点在仿瓷涂料和乳胶漆中尤为明显。
(2) 提高涂膜耐擦洗性和耐水性能。
(3) 提高了涂料的遮盖力,可减少涂料中基料用量和取代部分颜料,使涂料的成本降低了12 %～18 %。
(4) 提高涂料悬变性,改善施工涂刷性能。

3 　作用机理
笔者认为,在讨论膨润土在涂料中的作用及其作用机理时,不能简单地把它作为一种一般的非金属原料来看待。首先,应从它的主要成分蒙脱石的矿物结构特征及其因此而产生的特殊物理化学性质分析。从矿物学的角度讲,蒙脱石不同于一般传统的非金属矿物涂料填料,如方解石、重晶石和硅灰石;也不同于高岭土和滑石类非金属矿物原料。因为后几种非金属矿物的晶体结构或结构单元层中各离子的电价已经中和,不带电荷。因此,只有当这些矿物原料被破碎后,其矿物晶体表面和边缘的断键或缺陷处带少量电荷,表面自由能升高,除能与涂料中成膜有机物发生微弱的物理化学作用外,分子之间主要存在的是范德华引力,作用较弱。因而在涂料所形成的胶体体系,稳定性较差,容易分离析出,涂料成膜后耐水性也较差。

膨润土则不同,它的主要成分是蒙脱石矿物,蒙脱石矿物晶体构造属2∶1 型层状硅酸盐,构造单位层由两片( Si – Al) – O 四面体和中间的一片[Al (Mg , Fe) – (O ,OH) ]八面体组成。蒙脱石结构单元层中存在着阳离子异价类质同象置换,如硅氧四面体中的Si4 + 被Al3 + 所取代,铝氧八面体中的Al3 + 被Mg2 + 或Fe2 + 所取代,就产生了层间负电荷。蒙脱石的负电荷主要由铝氧八面体中一部分Al3 + 被Mg2 + 所取代而产生的,分布于层间,使蒙脱石晶胞像一个带电的“大阴离子”,具有吸附阳离子的能力。但由于这类负电荷大部分分布在层状硅酸盐的板面上,铝氧八面体片内晶格置换所产生的负电荷与粘粒矿物板面上吸附的阳离子之间的距离较远,因而对它们的束缚力比较弱,使这些阳离子可以交换。具有阳离子交换能力是蒙脱石最重要的特征[4 ] 。正因如此,在涂料中,成膜物的有机分子,如聚乙烯醇、聚醋酸乙烯和丙烯酸分子中的极性基因,如- OH、- COOH 等,可以与膨润土中的蒙脱石发生类似的阳离子交换作用,生成类似的“蒙脱石- 有机分子”复合物。在涂料介质中,蒙脱石将有机分子连结成立体网状结构,均匀分散于体系之中,使之有良好的悬浮性和防沉作用。且这种蒙脱石有机复合物一旦生成后不可逆转,失水后成为疏水性物质,因而增加了涂膜的耐水性。

此外,由于蒙脱石的特殊矿物结构及其性质,使膨润土具有粘结性、触变性、润滑性、可塑性等,这都有利于改善涂料性能。

4 　存在的问题
目前,影响膨润土在涂料中推广应用的主要有以下三个问题需要解决。
(1) 涂料行业对膨润土比较陌生。
(2) 膨润土加入涂料的方法和工艺不当,效果不好。
(3) 由于各地膨润土的性能差异,或即使是同一矿区的膨润土质量也不尽相同,故膨润土加入涂料中引起质量不稳定。笔者认为,要解决这个问题,需要寻找一个适合涂料用的膨润土产地或经选别,以便能提供质量稳定符合要求的膨润土原料。二是涂料行业需要制订涂料级膨润土质量标准,来监控质量。本文建议天然钙基膨润作为涂料用土应符合以下质量要求(表4) 。

5 　结语
膨润土具有成膜性能和粘合作用,引入建筑涂料可以取代部分昂贵的颜料,减少基料用量,降低成本;另外由于它具有阳离子交换性质,可以与涂料成膜物质中的有机分子发生离子交换,生成蒙脱石- 有机分子复合物,形成立体网状结构分散于介质中,既增加了涂料的稠度,又起到悬浮和防沉降作用。
由于蒙脱石有机复合物生成后的不可逆性,失水后呈疏水性,提高了涂膜的耐水性。此外,由于膨润土还具有许多其他适合作涂料的优良性能,改善了涂料性能。由此可见,将膨润土引入涂料中是降低成本和改善涂料质量最有效的措施之一。膨润土是一种新型的多功能涂料填料和助剂。具有重要的推广价值。