颜料对乳胶漆耐洗刷性能的影响

刘瑞源1 瞿金清2 谢扬1 陈焕钦2
( 1 第一军医大学基础部化学教研室广州 510515)
( 2 华南理工大学化工所广州 510640)

乳胶漆作为水性环保涂料, 具有健康、环保、质优价廉等优点, 广泛应用于建筑物的墙面装饰和保护。乳胶漆的耐洗擦性能是乳胶漆的一项重要指标, 能综合反映乳胶漆涂膜的耐水性、物理机械性能和对底材的附着性能等。因此, 乳胶漆的耐洗擦性能成为评价乳膝性能的重要指标。乳胶漆涂膜是由乳液聚合物、颜料、填料组成。颜料填料的种类和用量决定乳胶漆涂膜的致密度、对水分的吸收性能以及物理机械性能和乳胶漆的耐洗擦性能影响较大。Asbeck[ 1] 和Bierwagen[ 2] 仅考察了颜料对乳胶漆耐洗擦性能的影响, 较少有关颜料和填料对乳胶漆耐洗刷性能影响进行综合考察的文献资料。本论文系统考察乳液聚合物种类、颜料用量、填料用量对乳胶漆耐洗擦性能的影响。

1 试验部分
11 主要原材料和设备
醋酸乙烯- 丙烯酸共聚乳液为中山联碳公司产品, 苯乙烯- 丙烯酸共聚乳液为美国罗门哈斯产品,丙烯酸共聚乳液为中山联碳公司产品, 二氧化钛为美国杜邦公司产品, 滑石粉为山西产品, 成膜助剂为
Eastman 公司产品。

12 乳胶漆的配制
依次向容器中加入水、分散剂和消泡剂等助剂,搅拌均匀后加入颜料二氧化钛和填料滑石粉, 高速搅拌30 分钟使其分散均匀, 然后加入乳液基料, 最后加入成膜助剂, 调节pH 值至8~ 9, 包装出料得乳
胶漆样品。

13 乳胶漆涂膜的制备
依照GB9271 – 88 先将玻璃板处理, 然后将配制的乳胶漆均匀涂抹在玻璃板上, 使其厚度大约为200um。涂布后的玻璃板放置在一定温度, 一定相对湿度条件下干燥。

14 乳胶漆耐洗擦性能的测定
将干燥完全的乳胶漆涂膜放置在耐洗擦性能测试机上依据GB9266 – 88 测量。

2 结果和讨论
21 颜料用量对乳胶漆耐洗刷性能的影响
颜料体积浓度( pigment volume concentrationPVC) 是乳胶漆配方设计和生产中的重要参数, 反映乳胶漆中颜料和乳液聚合物的用量变化, 影响乳胶漆的耐水性能、耐碱性能、存储性能以及其它性能。乳胶漆耐洗擦性能随着颜料体积浓度变化曲线中,存在一个突变点。突变点对应的颜料体积浓度用临界颜料体积浓度( critical pigment volume concentrationCPVC) 表示。从图1 可以发现, 当颜料体积浓度小于CPVC 时, 随颜料体积浓度增加, 乳胶漆的耐洗擦性能能缓慢增加; 当颜料体积浓度大于CPVC 时, 随颜料体积浓度增加, 乳胶漆的耐洗擦性能急剧下降。乳胶漆涂膜的吸水性能和对水的渗透性能影响乳胶漆的耐洗擦性能。当颜料体积浓度小于临界颜料体积浓度时, 乳胶漆涂膜主要是乳液聚合物和颜料组成[ 3, 4] 。随颜料体积浓度增加, 乳胶漆的机械性能增加, 乳胶漆涂膜的耐洗擦性能缓慢增加。当颜料体积浓度大于临界颜料体积浓度时, 空气进入涂膜形成空气相, 乳胶漆涂膜主要是乳液聚合物、颜料以及空气组成[ 3] 。随颜料用量增加, 涂膜的吸水性能、对水的渗透性能急剧提高, 抵消涂膜性能增加的作用, 使乳胶漆涂膜的耐洗擦性能急剧下降。

图1 颜料体积浓度( PVC) 对乳胶漆耐洗擦洗性能的影响
乳液基料: 醋酸- 丙烯酸共聚乳液; 颜料: 二氧化钛
22 填料对乳胶漆耐洗刷性的影响
填料作为乳胶漆的重要组成部分, 可以降低乳胶漆成本, 提高乳胶漆的机械性能强度, 改善乳胶漆的流动性能, 降低乳胶漆光泽。固定乳胶漆配方中的颜料混合物和乳液聚合物之间的比率, 改变颜料混合物中二氧化钛和滑石粉的比率, 考察滑石粉用量对乳胶漆光泽的影响, 实验结果如图2 所示。

图2 填料用量对乳胶漆耐洗擦洗性能的影响
乳液聚合物: 醋酸-丙烯酸共聚乳液颜料体积浓度: 30%
颜料: 二氧化钛填料滑石粉
填料滑石粉与颜料二氧化钛比较, 存在粒径大,粒径分布宽和吸油量小等特点。用滑石粉代替部分二氧化钛, 提高颜料混合物的平均粒径, 扩大颜料混合物的粒径分布, 降低颜料混合物的平均吸油量。降低颜料混合物的粒径, 减少颜料混合物的吸油量,降低乳胶漆涂膜的致密度, 减少颜料粒子和乳液基料结合度, 提高乳胶漆涂膜对水的渗透性能, 提高乳胶漆涂膜的吸水率, 降低涂膜的机械性能, 降低乳胶漆涂膜的耐洗擦性能。随滑石粉在颜料混合物中的含量增加, 颜料混合物的粒径变大, 平均吸油量降低, 乳胶漆涂膜的耐洗擦性能下降。

23 乳液聚合物对乳胶漆耐洗刷性能的影响
在固定乳胶漆的颜料用量和基料用量( 颜料: 二氧化钛, 颜料体积浓度: 40%) , 改变乳液聚合物的种类, 乳液聚合物对乳胶漆耐洗擦性能的影响如表1所示。

乳液聚合物, 是乳胶漆的重要组成部分, 决定了乳胶漆的耐候性能、耐水性能、耐碱性能、光泽等性能。乳胶聚合物的种类是决定乳胶漆耐洗擦性能的重要因素。表1 说明乳胶聚合物的耐水性越高, 对底材附着力越好, 基料弹性越高, 乳胶漆耐洗擦性能越高。醋酸乙烯􀀂 丙烯酸共聚乳液的单体组成为醋酸乙烯和丙烯酸, 含有较多的羧基和羟基, 使得醋酸乙烯酸共聚乳液漆膜的极性最大, 对水的吸收性能和传递性能最高, 并且醋酸乙烯- 丙烯酸共聚乳液的玻璃化温度较高, 聚合物的弹性较差, 所以醋酸乙烯- 丙烯酸共聚乳液乳胶漆涂膜的耐洗擦性能最差。苯乙烯- 丙烯酸共聚乳液的单体组成为苯乙烯和丙烯酸, 使苯乙烯- 苯烯酸共聚液的极性最低, 同时乳液玻璃化温度最大, 乳液的弹性最小, 配制的乳胶漆涂膜的耐洗擦性能中等。丙烯酸共聚乳液的单体组成为丙烯酸和甲基烯酸酯类, 含有羧基和酯基。酯基的活性和极性比羧基和羟基弱, 丙烯酸共聚乳液漆膜的极性低于醋酸乙烯- 丙烯酸聚合乳液, 对水的吸收性能和传递性能较低, 由于丙烯酸共聚乳液的玻璃化温度最低, 弹性最好, 使丙烯酸共聚液乳胶漆涂膜的耐洗擦性能最好。

24 成膜助剂对乳胶漆耐洗刷性能的影响

图3 成膜助剂对乳胶漆耐洗擦性能的影响
乳液基料: 醋酸- 丙烯酸共聚乳液; 颜料: 二氧化钛颜料体积浓度: 40%
乳胶漆的干燥成膜过程可以分成三步[ 5, 6] 。第一步, 水从乳胶漆湿膜中挥发。水分的散失造成乳液粒子和颜料粒子集聚。第二步, 当温度高于乳胶漆的最低成膜温度时, 随水分的挥发, 乳液粒子在表面张力和毛细管力作用下发生变形。第三步, 乳液粒子凝聚成膜。成膜助剂texanol 可以降低乳胶漆的最低成膜温度, 使乳液粒子变形更容易, 改善乳漆的第二步成膜过程, 提高乳液粒子凝聚程度, 提高乳液聚合物与颜料之间的润湿, 提高乳胶漆膜的机械性能, 提高乳胶漆膜的致密度, 提高乳胶漆的耐洗擦性能。从图3 可知, 在成膜助剂用量较少时, 增加乳胶漆用量可以显著提高乳胶漆的耐洗刷性能, 随成膜助剂用量增加, 乳胶漆耐洗刷性能改善效果下降。