水性多彩涂料連續(xù)相清漆的研制

陳中華*，汪盼陳海洪余飛

（1.華南理工大學材料科學與工程學院，廣東 廣州 510640；2.廣州集泰化工有限公司，廣東 廣州 510520）

【涂料】

水性多彩涂料連續(xù)相清漆的研制

陳中華1，2，*，汪盼1，陳海洪2，余飛1

（1.華南理工大學材料科學與工程學院，廣東 廣州 510640；2.廣州集泰化工有限公司，廣東 廣州 510520）

制備了連續(xù)相清漆并與自制的凝膠造?；旌衔锘旌系玫剿远嗖释苛希榻B了該涂料的施工工藝?？疾炝顺赡の镱愋图坝昧繉ν磕ね庥^、耐水性、耐酸雨性、耐堿性、耐沾污性等性能的影響，分析了不同成膜助劑的成膜性及對涂膜性能的影響，對比了不同增稠劑對體系黏度和穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明，選擇有機硅改性丙烯酸樹脂乳液B（質(zhì)量分數(shù)25% ～ 30%），以醇酯十二（CF-12）為成膜助劑，采用非締合型堿溶脹增稠劑ASE-60時，所制備的連續(xù)相清漆綜合性能優(yōu)良，水性多彩涂料涂膜的各項性能最佳，符合HG/T 4343-2012的要求。

連續(xù)相清漆；水性多彩涂料；成膜物；助劑；涂膜性能；黏度

First-author’s address: College of Materials Science and Engineering， South China University of Technology， Guangzhou 510640， China

水性多彩涂料最早出現(xiàn)在上世紀60年代美國專利［1］中，隨后這種極具裝飾功能且節(jié)能環(huán)保的涂料便得到廣泛的關(guān)注和發(fā)展。它以表面化學和膠體化學為理論依據(jù)［2］，分散相的水性基礎(chǔ)漆做成2種或2種以上的顏色，連續(xù)相為水性保護膠液，兩相混合時在分散相表面凝膠化，形成凝膠粒子并分散在水性保護膠液中形成多色粒子均勻、穩(wěn)定的懸浮體系。在此懸浮體系中加入清漆即制成水性多彩成品漆。目前，關(guān)于水性多彩涂料的文獻主要是研究多彩粒子的生成階段，而近來彩色粒子生成的問題已突破，發(fā)展的關(guān)鍵是提高綜合性能。從產(chǎn)品的成熟度來評價，水性多彩涂料與其他水性涂料相比存在一定差距［3］，具體表現(xiàn)有不同批次多彩粒子大小和顏色不均一，產(chǎn)品性能也不理想，如出現(xiàn)后增稠、耐水性差、混色等問題，影響了多彩涂料的推廣與應(yīng)用。

本文通過調(diào)整連續(xù)相中清漆的配方，分析影響水性多彩涂料性能的因素，優(yōu)化選擇成膜物質(zhì)的類型和用量，優(yōu)化各類助劑，依據(jù)多彩成漆體系的物理化學理論討論各因素對涂膜性能的影響，最終制備出綜合性能優(yōu)異的水性多彩涂料。

1　實驗

1. 1原料與儀器

水性有機硅改性丙烯酸乳液（硅丙乳液A、B、C，氟碳乳液D），巴德富實業(yè)有限公司；丙二醇甲醚（PM）、二丙二醇甲醚（DPM）、二丙二醇丁醚（DPnB）、丙二醇苯醚（PPH）、增稠劑 ASE-60、TB-195、ZC-501，陶氏化學；醇酯十二（CF-12），美國伊士曼化工公司；多功能有機胺中和劑、保護膠液，上海裕竹實業(yè)有限公司；硅酮改性消泡劑，畢克化學；異噻唑啉酮類防腐劑，托爾國際貿(mào)易（上海）有限公司；苯丙乳液建筑封閉底漆、罩光漆，廣州集泰化工有限公司；乙二醇防凍劑，分析純，市售；去離子水、凝膠造?；旌衔?、基礎(chǔ)漆，自制。

JSF-450多功能攪拌專用電動機，上海普申化工機械有限公司；STM-IV斯托默黏度計，上?，F(xiàn)代環(huán)境工程技術(shù)有限公司；JTX-建筑涂料耐洗刷儀，上?，F(xiàn)代環(huán)境工程技術(shù)有限公司；MPF-40H100低溫保存箱，安徽中科都菱商用電器股份有限公司；DHG-9240A數(shù)顯鼓風干燥機，上海索譜儀器有限公司；JSM-6380掃描電子顯微鏡，日本電子株式會社。

1. 2制備方法

常溫（22 ～ 28 °C）條件下，在低速（300 ～ 800 r/min）攪拌下往分散攪拌機的容器中，依次加入質(zhì)量分數(shù)為40.0% ～ 70.0%的乳液、16.0% ～ 20.0%的去離子水、1.5% ～ 4.5%的消泡劑、0.4% ～ 0.7%的多功能中和劑、3.0% ～5.5%的防凍劑、2.5% ～ 4.0%的成膜助劑、0.3% ～ 0.5%的防腐劑和0.5% ～ 1.0%的增稠劑等，分散攪拌15 min左右，連續(xù)相清漆制備完成。將連續(xù)相清漆按質(zhì)量分數(shù) 30.0% ～ 45.0%加入預(yù)先制備的凝膠造?；旌衔铮刍A(chǔ)漆（25.0% ～ 35.0%）加入保護膠液（25.0% ～ 35.0%），在150 r/min轉(zhuǎn)速攪拌下制成］，輕輕攪拌使其混合均勻，多彩涂料成品制備完成。

1. 3施工工藝

參照HG/T 4343-2012《水性多彩建筑涂料》的技術(shù)要求［4］制板。對150 mm × 70 mm × 6 mm的無石棉纖維水泥平板做相應(yīng)底材處理，放置在空氣流通的環(huán)境至少一周。水性多彩涂料適合噴涂、刷涂等施涂工藝，與底漆、罩光漆等形成配套體系可獲得多姿多彩、生動逼真的裝飾效果。封閉底漆及有色底漆均使用苯丙乳液的建筑封閉底漆；罩光漆主要組成為水性有機硅改性丙烯酸乳液B，常溫（22 ～ 28 °C）下固化。

施工工藝為：處理基材—涂刷1道封閉底漆—涂刷1道有色底漆刷—涂1 ～ 2遍水性多彩涂料（即中涂）—涂刷 1道罩光漆。注意刷中涂時，必須先將水性多彩涂料攪拌均勻，切忌加水。為確保涂層表干，每道涂刷工序應(yīng)間隔4 h以上。

1. 4性能測試

對多彩涂料涂膜的性能主要考察項目如下：在容器中的狀態(tài)、熱貯存穩(wěn)定性、漆膜外觀及覆蓋裂縫能力，HG/T 4343-2012《水性多彩建筑涂料》；低溫穩(wěn)定性，GB/T 9268-2008《乳膠漆耐凍融性的測定》；干燥時間（表干），GB/T 1728-1989《漆膜、膩子膜干燥時間測定法》；耐水性，GB/T 1733-1993《漆膜耐水性測定法》；耐堿性，GB/T 9265-2009《建筑涂料 涂層耐堿性的測定》；耐酸雨性，GB/T 9274-1988《色漆和清漆 耐液體介質(zhì)的測定》；耐沾污性，GB/T 9780-2005《建筑涂料涂層耐沾污性試驗方法》；耐洗刷性，GB/T 9266-2009《建筑涂料 涂層耐洗刷性的測定》；耐濕冷熱循環(huán)性，JG/T 25-1999《建筑涂料涂層耐凍融循環(huán)性測定法》。

2　結(jié)果與討論

2. 1連續(xù)相中乳液的選擇及用量

連續(xù)相中的乳液是水性多彩涂層最終的成膜物，決定涂膜各項物化性能。目前應(yīng)用于建筑涂料中的乳液有純丙乳液、苯丙乳液及丙烯酸酯改性乳液（如氟碳乳液、硅丙乳液等）。為使水性多彩涂料的凝膠彩粒彈性飽滿，分散相基礎(chǔ)漆的乳液通常選擇純丙烯酸彈性乳液。連續(xù)相清漆選擇與基礎(chǔ)漆中乳液有復(fù)配作用的機械性能好的乳液，既能滿足良好的視覺效果，性能也可達到要求。

2. 1. 1不同乳液對涂層性能的影響

本研究選擇了1種氟碳乳液D和3種硅丙乳液（A、B、C），它們耐水性和耐候性優(yōu)異，具有抗沾污、不黃變、抗堿、抗酸雨和流動性好等優(yōu)勢，常用于高性能外墻乳膠涂料［5］?？疾烊橐簩ν繉有阅艿挠绊懡Y(jié)果見表1。

表1　乳液類型對涂層性能的影響Table 1　Effect of emulsion type on the performance of films

由表1可知，選擇的這4種乳液在涂膜外觀、耐酸雨性及耐堿性方面均合格，B和D耐水性好，A和C均有不同程度起泡，這是因為連續(xù)相中的保護膠液含有大量膨脹吸水性硅酸鎂鋰鈉鹽，所以影響了耐水性。耐沾污性等級越低越好，B和C耐沾污性試驗因有剛可覺察的色差，污染程度很輕微，故評為1級；A和D因色差較明顯，污染程度輕微，故評為 2級。影響涂膜耐沾污性的因素很多，最主要的因素之一是硬度，由乳液的玻璃化溫度（Tg）決定，Tg越高則耐沾污性越好，乳液B的Tg為36 °C，乳液D的Tg為26 °C。綜合分析，連續(xù)相乳液選擇乳液B。

2. 1. 2乳液用量對涂膜性能的影響

按B乳液質(zhì)量分數(shù)分別為15%、20%、25%和30%制備好涂料并根據(jù)要求刷涂試驗板，養(yǎng)護14 d后測涂膜性能結(jié)果如表2所示。由表2可知，涂膜外觀與耐堿性均合格，耐酸雨性、耐水性、耐沾污性和耐濕冷熱循環(huán)有差異。質(zhì)量分數(shù)為15%和20% 時，涂膜耐水性、耐濕冷熱循環(huán)及耐酸雨性均不合格，這是由于乳液含量少，不能在涂層表面形成致密的涂膜所致。隨乳液用量增加，耐水性和耐酸性均有所提高，質(zhì)量分數(shù) 25%時，性能達到行業(yè)技術(shù)要求（耐水性96 h和耐酸雨性48 h）。乳液含量提高，涂膜性能會更好，但考慮到乳液價格，用量多會增加成本。綜上所述，乳液用量在25%最佳。

表2　乳液不同用量對涂層性能的影響Table 2　Effect of emulsion amount on the performance of films

2. 2 連續(xù)相中成膜助劑的選擇

2. 2. 1成膜助劑性能指標

水性多彩涂料滿足高性能的同時，最低成膜溫度（MFT）也高，加入成膜助劑可降低最低成膜溫度，使其在較低溫度下也可施工。多彩涂料成膜助劑要求有高助成膜性，低揮發(fā)速率，與體系相容和環(huán)保，因此選擇適合的成膜助劑很重要。本實驗選擇5種常用的成膜助劑，其性能指標見表3。由表3可知，PM閃點較低，使用存在危險，且揮發(fā)速率達到0.700，而涂層因多彩粒子的存在比普通涂料膜厚，膜干較慢，所以揮發(fā)速率慢更有利于成膜。

表3　成膜助劑的性能Table 3　Properties of film-forming additives

2. 2. 2不同成膜助劑對涂膜性能的影響

先將保護膠液與成膜助劑按質(zhì)量比 10∶1混合，考察體系有無后增稠等情況，若無變化則表明兩者相容性好。結(jié)果顯示DPM、PPH、DPnB和CF-12與保護膠液相容性好，因此選擇這4種成膜助劑做涂膜性能對比試驗，結(jié)果見表4。由表4可知，涂膜耐堿性均超過48 h，耐濕冷熱循環(huán)試驗結(jié)果均為涂膜完好。使用PPH的涂膜耐水性和耐酸雨性較差，PPM、DPnB的涂膜次之，CF-12的涂膜性能最優(yōu)，且均達到行業(yè)標準，成膜性最佳。

表4　成膜助劑類型對涂膜性能的影響Table 4　Effects of different film-forming additives on the performance of films

通過掃描電鏡分析成膜情況如圖1所示，可見使用CF-12的涂膜更致密平整。

圖1　不同成膜助劑所成膜的掃描電鏡照片F(xiàn)igure 1　SEM images for the films obtained with different film-forming additives

2. 3 增稠劑的選擇

連續(xù)相存在大量保護膠液，黏度低，選擇適合的增稠劑需考慮幾個方面：（1）增稠效果，可使涂料體系增稠，流動性減弱，施工時防流掛性好；（2）與多彩體系的相容性好，不發(fā)生后增稠及分層等現(xiàn)象；（3）不影響涂膜的綜合性能，尤其是耐水性。

常見增稠劑包括：（1）纖維素醚及其衍生物（如HEC），低剪切速率下增稠效果好，在基礎(chǔ)漆中已添加，抗流掛性好，但流平性差，會影響涂膜光澤；（2）非締合型堿溶脹增稠劑ASE，由不飽和共聚單體和羧酸等共聚而成的聚丙烯酸鹽堿溶脹型乳液，觸變性強；（3）締合型堿溶脹增稠劑，本身黏度低，易分散，在 ASE基礎(chǔ)上增加締合作用，屬于強電解質(zhì)，黏度隨pH變化大；（4）聚氨酯類增稠劑，是疏水基改性的乙氧基聚氨酯水溶性聚合物，屬非離子締合增稠劑，對光澤無影響，適合低剪切，黏度低，流平性好。

現(xiàn)選擇非締合型堿溶脹增稠劑ASE-60、締合型堿溶脹增稠劑TB-195和聚氨酯類增稠劑ZC-501，考察增稠劑類型及用量對體系黏度和穩(wěn)定性的影響，結(jié)果見圖2。由圖2可知，ZC-501的增稠效果并不明顯，TB-195增稠效果明顯，在一定范圍內(nèi)黏度迅速增加。而ASE-60增稠效果平穩(wěn)，黏度隨用量增加而平穩(wěn)增加。因此ASE-60適合該體系，具體最佳用量由體系狀態(tài)和施工要求決定。多次試驗表明，體系黏度控制在60 ～ 70 KU更有利于刷涂。

增稠劑用量0.4%的情況下，使用3種增稠劑的多彩成品漆黏度隨時間變化的情況見圖3，它反映了體系的穩(wěn)定性。

圖2　增稠劑類型及用量與體系黏度的關(guān)系Figure 2　Correlation of the viscosity of paint system with the type and content of thickener

圖3　使用不同增稠劑的涂料體系黏度與時間的關(guān)系Figure 3　Relationship between viscosities of paint systems using different thickeners and time

由圖3可知，使用TB-195與ASE-60能保持體系穩(wěn)定，黏度變化不大，且分散良好，體系均勻。而使用ZC-501，體系發(fā)生后增稠，黏度提高很多，且有持續(xù)上升的趨勢；另外還出現(xiàn)許多結(jié)塊，凝聚成團，分散不勻，這是由于聚氨酯增稠劑與多彩體系不相容，體系中含有大量保護膠液，發(fā)生局部“凝膠化”反應(yīng)。

2. 4 各項性能檢測結(jié)果

連續(xù)相清漆選取硅丙B乳液（用量25%），CF-12為成膜助劑（用量3%），ASE-60作增稠劑（用量0.4%），按要求施工，檢測涂膜各項性能，結(jié)果見表5。可知制備的水性多彩涂料符合標準。

表5　性能檢測結(jié)果Table 5　Performance test results

3　結(jié)論

（1） 連續(xù)相中的乳液選擇有機硅改性丙烯酸乳液B，用量在25% ～ 30%，用量過多會增加成本。

（2） 對比涂膜性能以及通過掃描電鏡分析成膜致密情況，均表明CF-12成膜性更好，綜合性能更佳。

（3） 增稠劑對水性多彩涂料體系的影響表現(xiàn)在增稠效果和體系穩(wěn)定性方面，非離子締合型增稠劑 ASE-60更適合該體系。

（4） 助劑的具體最佳用量由體系狀態(tài)和施工要求決定。多次試驗表明體系黏度控制在60 ～ 70 KU更有利于水性多彩涂料刷涂。

（5） 涂膜綜合性能優(yōu)異，耐堿性 ＞48 h，耐水性＞96 h，耐酸雨性 ＞96 h，耐洗刷性 ＞1 000次，耐水性突出，符合HG/T 4343-2012的要求。

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［2］王曉， 侯佩民， 徐元浩， 等. 水包水多彩涂料的發(fā)展概況［J］. 中國涂料， 2012， 27 （8）: 23-26.

［3］金慧成. 水性多彩涂料的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］. 上海涂料， 2011， 49 （9）: 38-39.

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［ 編輯：杜娟娟 ］

Preparation of varnish in continuous phase for water-based multicolor coating

CHEN Zhong-hua*， WANG Pan，CHEN Hai-hong， YU Fei

A varnish in continuous phase was prepared and then mixed with home-made hydrophilic colloid containing dispersed globules to make a water-based multicolor coating material. Its construction process was introduced. The effects of the type and dosage of film-forming material on appearance， water resistance， acid rain resistance， alkali resistance， and fouling resistance of paint film were discussed. The film forming performances of film-forming additives and their effects on coating properties were analyzed. The effects of different thickeners on viscosity and stability of the paint system were compared. The results showed that the varnish in continuous phase obtained by using organic silicone-modified acrylic emulsion B （mass fraction 25%-30%）， CF-12 film-forming agent， and non-association type alkali swelling thickener ASE-60 presents excellent comprehensive performance， while the film of the aqueous multicolor coating prepared therewith has the best performance，meeting the requirement of HG/T 4343-2012 standard.

varnish in continuous phase； water-based multicolor coating material； film-forming substance； additive； film performance； viscosity

TU561； TQ630.7

A

1004 - 227X （2015） 02 - 0055 - 05

2014-08-11

2014-09-05

陳中華（1962-），男，湖北鄂州人，博士，教授，主要從事高分子材料的成型加工、有機/無機納米復(fù)合材料和納米（復(fù)合）涂料的制備等研究工作。

作者聯(lián)系方式：（E-mail） cezhchen@scut.edu.cn。