乳膠漆抗開裂性能的研究

陳明毅，陳炳耀，羅智斌，陳炳江（.廣東三和化工科技有限公司，廣東中山 5849；.廣東順德三和化工有限公司，廣東佛山 5835）

探索研究

乳膠漆抗開裂性能的研究

陳明毅1，陳炳耀1，羅智斌2，陳炳江2
（1.廣東三和化工科技有限公司，廣東中山 528429；2.廣東順德三和化工有限公司，廣東佛山 528325）

探討了中高PVC（顏料體積濃度）的乳膠漆在成膜過程中易開裂的問題，重點(diǎn)討論乳膠漆配方設(shè)計(jì)中基料、成膜助劑，以及顏填料的選擇和搭配對(duì)乳膠漆開裂性能的影響。

乳膠漆；開裂；顏料體積濃度

0 引言

乳膠漆施工后，漆膜容易出現(xiàn)細(xì)小裂紋，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)大片脫落和剝離等弊病，此時(shí)漆膜失去原有的保護(hù)和裝飾作用。乳膠漆開裂有施工的原因，也有配方設(shè)計(jì)等因素的影響。本研究通過對(duì)乳膠漆配方設(shè)計(jì)中成膜機(jī)理的研究，分析造成乳膠漆漆膜開裂的原因，從基料、成膜助劑，以及顏填料的選擇及搭配等方面解決乳膠漆開裂的問題，如通過適當(dāng)提高填料的粒徑，降低其吸油量；采用一些纖維狀或片狀填料或玻璃化溫度低的乳液；增加成膜助劑用量，以及調(diào)整配方的顏料體積濃度（PVC）等措施來降低乳膠漆漆膜開裂的風(fēng)險(xiǎn)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原材料與基本配方

乳膠漆原材料與基本配方見表1。

1.2 性能測(cè)試

1.2.1 低溫成膜性

用具有厚度梯度的刮膜器將乳膠漆刮涂于涂有底涂的水泥纖維板上，放入冷凍箱中，溫度設(shè)定為5℃。待漆膜完全干燥后觀察其是否開裂以及開裂厚度。開裂厚度越厚，表明涂料的低溫成膜性越好。

表1 乳膠漆原材料與基本配方Table 1 The raw materials and basic formulation of emulsion paint

1.2.2 抗開裂性

底材采用Leneta無封底的測(cè)試紙，分別用800 μm和1 000 μm厚度的刮膜器將乳膠漆刮涂于測(cè)試紙上，然后將測(cè)試紙放入抗開裂測(cè)試器內(nèi)，在一定風(fēng)速下干燥，分別測(cè)試800 μm和1 000 μm厚度漆膜的開裂情況。測(cè)試溫度：10~12℃。

1.3 漆膜龜裂厚度試驗(yàn)

裂縫是由于漆膜干燥收縮應(yīng)力大于其抗拉強(qiáng)度而產(chǎn)生的。隨著顏填料比表面積的增大，漆膜干燥收縮應(yīng)力提高，就容易產(chǎn)生裂縫。漆膜龜裂厚度試驗(yàn)板涂布濕膜可以表示漆膜的開裂程度，涂布后的濕膜在（23±2）℃、相對(duì)濕度（50±5）%的標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)48 h，觀察干膜的開裂情況，開始開裂的干膜厚度就是該乳膠漆抗干燥收縮裂縫的極限，以μm來表示。對(duì)于基層平整度較好的內(nèi)墻乳膠漆，漆膜抗干燥收縮裂縫最好在500 μm以上；對(duì)于基層平整度較差的外墻乳膠漆，漆膜抗干燥收縮裂縫最好在1 000 μm以上。

2 結(jié)果與討論

2.1 乳膠漆成膜機(jī)理及漆膜開裂原因

乳膠漆施工后，漆膜中各組分，包括顏填料、聚合物顆粒等隨水分揮發(fā)逐漸靠攏，而分子間存在的靜電斥力和空間位阻使分子分散。隨著水分進(jìn)一步揮發(fā)，分子顆粒表面的吸附層破壞，成為不可逆接觸，達(dá)到緊密堆積，在分子驅(qū)動(dòng)力作用下，顆粒變形，聚結(jié)成膜。如果在成膜過程中受力不平衡，成膜不完全，漆膜就會(huì)開裂。

2.2 臨界顏料體積濃度（CPVC）對(duì)漆膜開裂性的影響

臨界顏料體積濃度是指基料聚合物恰好覆蓋顏填料粒子表面，并充滿顏料和填料粒子堆積所形成空間時(shí)的顏料體積濃度，以CPVC表示。

式（1）中：OA為吸油量，g/100 g；ρ為顏料密度，g/cm3；93.5為亞麻仁油密度，×100。

如果乳膠漆顏料體積濃度（PVC）處于CPVC區(qū)域附近，乳液聚合物對(duì)粉料的填充與包裹處于連續(xù)與分散的臨界點(diǎn)，漆膜在干燥時(shí)容易導(dǎo)致應(yīng)力集中，漆膜的抗開裂性就較差，因此在配方設(shè)計(jì)時(shí)需要關(guān)注配方的PVC與CPVC，盡量不要將PVC落在CPVC附近的危險(xiǎn)區(qū)域。如圖1所示，PVC為60%時(shí)，漆膜開裂現(xiàn)象比較嚴(yán)重，這表明CPVC在60%左右。

圖1 不同PVC時(shí)的漆膜抗開裂情況Figure 1 Cracking resistance of film with different PVC

2.3 成膜助劑對(duì)漆膜開裂性的影響

乳膠漆的成膜是由水分揮發(fā)、乳膠分子變形和乳膠分子鏈段擴(kuò)散纏繞而融合成連續(xù)膜，連續(xù)成膜的必要條件之一是成膜環(huán)境溫度必須高于乳膠漆的最低成膜溫度。成膜助劑是一種高沸點(diǎn)、揮發(fā)慢的極性溶劑，在成膜過程中可提供足夠的自由體積，幫助乳膠漆降低其玻璃化溫度及最低成膜溫度。由于顏填料的影響，乳膠漆的最低成膜溫度會(huì)高于乳膠聚合物體系的玻璃化溫度（Tg），另外，隨著PVC的提高，顏填料黏附成膜助劑的量也會(huì)增大，導(dǎo)致成膜助劑效能降低，所以需要更多的成膜助劑，以保證乳膠漆的成膜溫度高于其最低成膜溫度，否則乳膠漆不能連續(xù)成膜。成膜助劑添加量不足，漆膜成膜不良，就會(huì)造成漆膜開裂。

成膜助劑的用量還取決于乳液聚合物的最低成膜溫度和成膜助劑的效能，表2列出不同的乳液、采用不同用量的成膜助劑Texanol所能達(dá)到的最低成膜溫度。

不同品種乳液的最低成膜溫度不同，確定成膜助劑用量時(shí)，不僅要考慮乳液的低溫成膜性，更應(yīng)該注意乳膠漆的低溫成膜性，一般以乳膠漆最低成膜溫度為5℃作為成膜助劑的用量要求。

表2 不同乳液采用不同用量的Texanol所達(dá)到的最低成膜溫度Table 2 The minimum film forming temperature of different emulsion with different amounts of Texanol

2.4 乳液的選擇

乳液Tg是高分子鏈運(yùn)動(dòng)被激發(fā)，即鏈段由凍結(jié)狀態(tài)到具有足夠熱運(yùn)動(dòng)能量以克服內(nèi)旋轉(zhuǎn)位壘的轉(zhuǎn)變溫度，從力學(xué)性能上說，這一階段就是乳液從玻璃態(tài)到高彈態(tài)的轉(zhuǎn)變過程。乳液最低成膜溫度（MFT）是指乳液在干燥過程形成不開裂的連續(xù)膜的最低溫度。MFT和Tg是同一性質(zhì)的兩個(gè)不同方面，MFT表現(xiàn)的是乳液外觀形態(tài)上的變化，而Tg是從力學(xué)性質(zhì)、物態(tài)轉(zhuǎn)變的角度，從乳液分子結(jié)構(gòu)方面對(duì)乳液進(jìn)行表征，對(duì)普通乳液來說，溫度低于Tg，乳液不會(huì)發(fā)生聚結(jié)；溫度高于Tg，乳液便會(huì)發(fā)生聚結(jié)而形成致密的薄膜，MFT經(jīng)常用來替代Tg。如圖2所示，Tg高的乳液成膜時(shí)容易造成漆膜開裂。故在滿足各項(xiàng)性能要求的前提下，應(yīng)盡量選擇Tg較低的乳液。

圖2 乳液Tg對(duì)乳膠漆抗開裂性的影響Figure 2 The effect of emulsion Tg on cracking resistance of emulsion paint

2.5 顏填料的選擇

顏料是乳膠漆中最重要的固體組分之一，能賦予漆膜整體骨架支撐能力。未添加顏料的乳膠漆膜柔韌性優(yōu)良、致密、整體性好。如果將顏料，特別是較細(xì)的粉料添加到涂料中，漆膜的柔韌性變差、易碎，漆膜的整體抗拉強(qiáng)度就越低。所以在乳膠漆配方中，其他組分不變的情況下，使用一些較粗的顏料，如片狀結(jié)構(gòu)的云母粉及滑石粉，能明顯改善漆膜的強(qiáng)度和減少收縮應(yīng)力，有利于改善漆膜的抗開裂性。

絹云母礦物表面具有活性基團(tuán)，容易與高分子鏈相結(jié)合、纏繞，在漆膜中平行排列，上下重疊，使漆膜內(nèi)部形成一種致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而大大提高漆膜的綜合性能和抗?jié)B透性，提高漆膜強(qiáng)度、抗龜裂性。當(dāng)云母粉添加量為4%~6%時(shí)，漆膜的抗開裂性能最佳。

滑石粉屬于硅酸鹽系列的粉體，它是一種水合化合物，主要化學(xué)成分為3MgO·4SiO2·H2O，其中鎂原子和氧原子結(jié)合，夾在兩片二氧化硅之間?；郾容^軟，質(zhì)輕，在漆膜中能吸收伸縮應(yīng)力，避免產(chǎn)生裂縫。當(dāng)滑石粉添加量為4%~6%時(shí)，漆膜的抗開裂性能最佳。

云母粉與滑石粉用量對(duì)乳膠漆抗開裂性的影響見圖3。

圖3 云母粉與滑石粉用量對(duì)乳膠漆抗開裂性的影響Figure 3 The effect of mica powder and talcum powder amount on cracking resistance of emulsion paint

2.6 施工環(huán)境的影響

（1） 底材

如果底材自身濕度過高，在涂裝之后隨著底材水分的蒸發(fā)，底材表面就會(huì)出現(xiàn)裂縫，隨之漆膜表面也會(huì)出現(xiàn)裂縫；此外，底材表面如凹凸不平會(huì)導(dǎo)致濕膜厚度不一致，干燥速率和產(chǎn)生的收縮應(yīng)力都不一致，從而導(dǎo)致漆膜開裂。

（2） 溫度

不管是什么類型的涂料，都會(huì)有施工溫度要求，一般是5~35℃，如果環(huán)境溫度低于或高于此溫度范圍，就會(huì)出現(xiàn)脫粉、開裂、附著力差等漆膜弊病。施工溫度的影響見圖4。

圖4 施工溫度對(duì)乳膠漆抗開裂性的影響Figure 4 The effect of construction temperature on cracking resistance of emulsion paint

（3） 濕度

施工時(shí)，環(huán)境濕度不能高于85%，在較高濕度環(huán)境下施工，會(huì)導(dǎo)致漆膜水分蒸發(fā)緩慢，使得乳膠漆濕膜難以干燥成膜，從而發(fā)生開裂。

3 結(jié)語

乳膠漆施工干燥后開裂是比較常見的問題，在乳膠漆漆膜開裂后直接修補(bǔ)難度較大，通常要將開裂的涂層打磨清除后，再重新涂布施工，這會(huì)導(dǎo)致工期延長(zhǎng)、原材料浪費(fèi)、費(fèi)用增大等。通過對(duì)乳膠漆成膜機(jī)理的研究，分析造成漆膜開裂的原因，從成膜助劑的選擇、基料以及顏填料的選擇及搭配方面解決乳膠漆開裂的問題。

Study on the Cracking Resistance of Emulsion Paint

Chen Mingyi1，Chen Bingyao1，Luo Zhibin2，Chen Bingjiang2
（1.Guangdong Sanvo Chemical Industry Technology Co.，Ltd.，Zhongshan Guangdong，528429，China；2.Guangdong Shunde Sanvo Chemical Industry Technology Co.，Ltd.，F(xiàn)oshan Guangdong，528325，China）

The problem of easy cracking during film forming of medium-high PVC emulsion paint was discussed. The selection and collocation of binder，film forming agent，pigment and fillers in emulsion paint formula were focused on.

emulsion paint；cracking；pigment volume concentration

TQ 630.7

A

1009-1696（2017）03-0001-04

2016-08-05

陳明毅（1975—），男，大學(xué)本科，高級(jí)工程師，主要從事建筑涂料的產(chǎn)品研發(fā)工作。