水性色浆的配方设计

0前言

近年来,随着人们环保意识的增强,纷纷要求限制高VOC含量涂料的使用,欧共体更是制定标准,在2004年全面禁止有机溶剂的生产、销售和使用,促进了涂料工业向低毒、低污染型涂料方向发展,尤其是塑料玩具涂料的健康、安全问题变得日益重要。开发水性塑料玩具涂料势必将会更符合时代要求,最终取代溶剂型涂料。水性塑料玩具涂料要求品种多样,色彩缤纷,外观亮丽,相对耐用,安全环保。水性色浆也称为颜料分散体,是水性塑料涂料必配的着色材料,是以水为分散介质,把颜料粒子分散在水中制成的颜料浆,一般由水、粉状颜料、表面活性剂、助溶剂、保湿剂等组成,根据使用和储存的需要有时也会添加一些提高性能的助剂。优秀的水性色浆必须与水性聚合物乳胶体相容性好、质地均匀、不含交联剂和烷基苯酚多乙二醇醚溶剂,在选材上应选用具有优良的耐候性、耐光、耐化学腐蚀及抗紫外线性能的优质颜料。成品水性色浆应具有着色力强、流动性好、长时间储存不结块、不沉淀、不返粗、固含量高、产品黏度稳定、泡沫低、不风干、遇冰冻可融化后再使用、不发霉、尽可能低的VOC等优良性能。

本试验通过严格筛选及合理配方研制的无树脂体系水性色浆,通用性强,储存稳定性良好,且在涂膜的丰满度、硬度、耐磨性、光泽度、耐化学品性等物理化学性能方面不逊于溶剂型品种,在水性塑料玩具涂料中有很好的实用价值。

1试验部分

1.1 水性色浆的制备

以白色浆为例,配方见表1。
水性色浆(白浆)配方

在400-500 r/min的搅拌速度下,按配方依次添加去离子水、分散剂,消泡剂,直至搅拌均匀,然后分批添加钛白粉,加完后快速搅拌分散约20~30min,最后适当添加防沉助剂,增加色浆的触变性,分散均匀,清洁度合格后即可得水性白浆。

1.2 水性色浆及所制涂料涂膜的性能检测(见表2)
水性色浆及所制涂料涂膜的性能检测

2结果与讨论

制作玩具的底材主要有塑胶、合金(以锌合金为主)及木制品3大类,其中塑胶玩具超过70%,大多采用ABS、PS、HIPS、PVC、PC、PMMA、TPR橡胶和PE、PP等低表面张力的塑料底材,但由于其材质的多样性和复杂性,在附着力、涂膜硬度等方面难以达到统一的标准,因此,合理搭配助剂,制备通用性强的水性色浆变得尤为关键。

2.1 颜料的选择

满足有害重金属的限量要求是水性色浆中颜填料首要的选择依据。一些国际知名的玩具行最新的标准中,都纷纷严格了8大重金属的限量指标。颜料的显色是由光线对其发色基团与助色基团的作用结果,不同的颗粒外形及大小,将影响光线的反射程度,从而影响颜料的颜色性能,还影响色浆体系的遮盖力、着色力、颜料的分散稳定性,所以颜料外形及颗粒分布是影响颜料诸多性能的一个重要因裂到。图1为高折射率白色颜料遮盖力与颗粒粒径的关系曲线。颜料颗粒的粒径分布越窄,分散性就越好,平均粒径越小,越不容易沉降,但是粒径过小,容易发生絮凝,比表面积增大,表面自由能增大,粒子总有自动减小表面积的趋势,从而发生絮凝的机会也会增大,不利于分散。在设计水性色浆配方时,对不同产品应控制一定的细度范围。试验选用的钛白粉颗粒均匀度好,遮盖力着色力均好,降低了涂料成本。
高折射率白色颜料遮盖力与颗粒粒径的关系曲线

2.2 消泡剂的选择

由于水的表面张力大,水性涂料比一般的溶剂型涂料更易产生气泡。气泡通常是由液-气交界处的活性成分所形成。这些表面活性分子层通常以分散的气饱形态稳定,不易被破坏。在施工过程中会带入气泡,对于较粗糙的基材表面也容易产生气泡,这些因素都必须在选择消泡剂时加以考虑。要达到理想的消泡效果,消泡剂应具有较低的表面张力,不溶于发泡液体,应以极细的颗粒均匀分布于发泡液体中。试验对消泡剂进行了筛选,选用的消泡剂有BYK-024、BYK一028和Foamex 810,是在聚乙二醇中的憎水固体和破泡聚硅氧烷的混合物,并含有僧水性颗粒,消泡效果理想,涂膜也不会产生表面缺陷。矿物油型消泡剂由于对涂膜光泽有影响,一般不推荐使用。

2.3 湿润分散剂的选择

湿润分散剂通过除掉颜料表面吸附的水和空气,改变其极性,降低固/液之间的界面张力,使颜料粒子能够快速、完全被湿润,并使颜料分散体系稳定。若使用得当,不但能防止颜料沉淀,使色浆具有良好的储存稳定性,而且能改善涂膜流平性,是十分有效的表面助剂。通过筛选,选用了BYK-190、BYK-191、BYK-192等,是含颜料亲和基团的共聚物或溶液,助剂与水混合均匀后,再加入颜料,可以有效地降低表面张力而获得优良的湿润、分散效果。

2.4 防沉剂的选择

色浆中颜料产生沉降分层的原因是复杂的,涉及到分散体系组成物间的界面问题,分散系的黏性结构及流变性问题,颜料粒子的沉降速度和沉降体积是受粒子的物性及分散介质的黏度、密度,颜料粒子的润湿性、表面活性及其他助剂,特别是表面活性剂等诸多因素支配的,在诸多因素中,主要是颜料粒子凝聚的问题,所以使分散后的颜料粒子不产生凝聚,保持稳定的分散状态,就不会产生沉淀分层,防沉最重要的是防止分散后的颜料粒子再度产生凝聚。减小颜料粒径、减小液相和固相的密度差、增加黏度是防止沉降的主要途径,其中最重要的是确保制造好的水性色浆悬浮体处于稳定的分散状态,不产生凝聚、沉降。另外,增加色浆黏度也是有限度的,最理想的是选择一种既能防止沉降,又不影响涂料流平的助剂,所以广泛使用触变剂作防沉剂。试验中试用了BYK420(改性脲溶液),以及Degussa公司的Rerosil200、Rerosil COK84等,这类助剂属于气相法二氧化硅助剂,表面有硅醇基,经充分搅拌分散、硅醇基问形成氢键、产生立体网状结构,增加分散体系的黏度,产生触变流动性能从而起到防止沉降的作用,用量一般控制在0.5%~3%。

2.5水性色浆的相容性

从配方设计的角度考虑,遮盖力、着色力与乳液的配套性等都是水性色浆的选择和用量判断标准。其中配套性是指颜料的分散性、色浆与乳液的相容性等因素对涂料整体性能的影响D1。良好的色浆应和各种水性基准物体系(高聚物乳胶体)都能有良好的相容性。如果水性色浆和乳液体系的相容性不理想,则会出现体系的黏度升高,颜色不易完全展现出来,颜料分散性差,色泽暗淡,容易引起浮色发花,涂料储存一段时间就会出现絮凝和沉淀。为解决相容性问题,笔者使用本试验中自制的无树脂体系水性白浆制备出丙烯酸体系的水性自漆,喷涂在ABS底材上,附着力良好,涂膜光泽色相均优于溶剂型涂料。

3水性色浆发展需注重解决的问题

(1)水性色浆由于以水作为分散介质,而水的表面张力比较高,蒸发潜热大,其对塑料表面的洁净性、施工环境温湿度的要求比较高,需增加涂膜的烘干和常温干的时间,这需要通过配方技术和施工两方面来共同解决。

(2)水性色浆的起泡和消泡问题也是必须注重的问题。

(3)水性色浆与使用乳液体系的相容性是影响色漆的浮色发花、絮凝和有些涂膜表面缺陷的关键。在使用水性色浆配色前,一定要做相容性试验,助剂经常可以用来解决水性色浆与体系的相容性问题。

(4)水性色浆中颜料的分散性也是需要解决的问题。助剂对颜料颗粒的解絮凝程度决定水性色浆分散体的稳定性。一般来说,不可能达到完全解絮凝(即颜料在体系中成原级粒子均一稳定存在),只是以颜料颗粒的附聚体的形式均匀分布在体系中。色浆的分散性能不好,导致浮色和发花,以至严重的沉降现象。选用合适的助剂,改善水性色浆的分散性能,则可以避免此类现象的发生。

4结语

本试验研发的无树脂体系水性色浆,无毒、无异味、不燃烧,属绿色低污染型产品,符合节能环保的大趋势,和丙烯酸乳液、聚氨酯水分散体等均有良好的相容性,所制水性涂料适用于ABS、PS、H IPS、PET、PVC等多种塑料底材,附着力性能优异,干燥速度快,硬度高,耐磨性好,耐水,光泽度高。随着人们环保和健康意识的增强,以及涂料工业的发展,新型的合成助剂大量出现,水性涂料必将以其安全、无毒、低VO C等特点而具有巨大的发展潜力和广阔的市场前景。