有機硅改性丙烯酸酯水包水多彩涂料制備及性能測試與影響

楊 柳

(西安培華學(xué)院 建筑與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院, 陜西 西安 710061)

隨著我國經(jīng)濟水平的發(fā)展，人們生活水平的提高，對生活環(huán)境的要求也隨之提高。水包水多彩涂料因其色彩豐富、施工簡單方便、價格低、裝飾效果好等優(yōu)點，被廣泛用于園林雕塑、建筑廊橋、墻板、玻璃裝飾等方面。但傳統(tǒng)水包水多彩涂料容易出現(xiàn)彩粒滲色、串色、聚集和后增稠穩(wěn)定性不足的問題，使其應(yīng)用發(fā)展受到了很大限制。針對以上問題，國內(nèi)很多學(xué)者也進行了很多研究，如研究了水包水多彩涂料的彩粒成粒效果的影響因素，結(jié)果表明:當(dāng)分散介質(zhì)中保護膠溶液濃度為6%,分散相與分散介質(zhì)的質(zhì)量比為1.0∶(0.7～1.3)時,制備的分散介質(zhì)綜合性能優(yōu)異；研究了水包砂多彩涂料的制備工藝流程,并對配方進行優(yōu)化，結(jié)果表明：優(yōu)化配方后所制的水包砂多彩涂料具有強度適中、抗?jié)B色性強、耐水白性好、貯存穩(wěn)定性好的特點?；诖?，本文用自制有機硅改性丙烯酸酯乳液為基礎(chǔ)漆，有機改性膨潤土(GTS)為保護膠制備新型水包水多彩涂料，為水包水多彩涂料的發(fā)展提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

主要材料

甲基丙烯酸(MAA)(AR)，山東恒碩化工有限公司；過硫酸銨(APS)(AR)，山東盛倉化工科技有限公司；氨水(AR)，山東鑫九誠化工科技有限公司；碳酸氫鈉(AR)，壽光市榮豐化工有限公司；有機改性膨潤土(GTS)(CP)，泗水縣恒建膨潤土有限公司；丙烯酸丁酯(BA)(AR)，山東初鑫化工有限公司；甲基丙烯酸甲酯(MMA)(CP)，山東王牌生物科技有限公司；陰離子乳化劑(NC-1)(CP)，新鄉(xiāng)市隆立鈿化工制劑有限公司。

主要設(shè)備

GFJ高速分散機(萊州市勝龍化工機械有限公司)、D2004W型電動攪拌器(上海越眾儀器設(shè)備有限公司)、STM-IV斯托默黏度計(四川思創(chuàng)倍科科技有限公司)、H11005恒溫干燥箱(邢臺中德機械制造有限公司)、BDX40-80F低溫箱(東莞市北斗星試驗設(shè)備有限公司)。

1.2 試驗方法

有機硅改性丙烯酸酯乳液制備

(1)提前將D2004W型電動攪拌機安裝在四頸燒瓶中。將500 mL去離子水和乳化劑放入裝有攪拌機的四頸燒瓶中，打開攪拌機，在一定轉(zhuǎn)速條件下進行攪拌。按照計量稱取一定量的MMA、AC-638和2-EHA混合均勻，然后將混合物緩慢放入四頸燒瓶中，在600 r/min的轉(zhuǎn)速下攪拌30 min，得到單體預(yù)乳液；

(2)過硫酸銨完全溶解于計量去離子水中，得到引發(fā)劑溶液；

(3)按照計量稱取乳化劑、過硫酸銨、碳酸氨鈉、去離子水，然后放入1 L裝有電動攪拌器、溫度計和冷凝器的四頸燒瓶中，將燒杯置于水浴鍋中，打開電動攪拌器，在攪拌的同時進行加熱，直至乳化劑、過硫酸銨、碳酸氨鈉完全溶于去離子水中，得到釜底溶液；

(4)待釜底溶液溫度提升至50 ℃，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的單體預(yù)乳液，繼續(xù)提升混合溶液溫度，直至混合溶液泛藍，保溫30 min，得到種子溶液；

(5)保溫結(jié)束后，種子溶液溫度維持在80 ℃，然后同步滴加剩余的單體預(yù)乳液和引發(fā)劑溶液，滴加時間為4 h；滴加完成后，保溫2 h。保溫結(jié)束后，置于室溫條件下自然冷卻，用氨水調(diào)節(jié)乳液pH值7～8，在200目濾袋作用下過濾出料，得到有機硅改性丙烯酸酯乳液。有機硅改性丙烯酸酯乳液配比如表1所示。

表1 有機硅改性丙烯酸酯乳液配比Tab.1 Ratio of silicone modified acrylate emulsion

水包水多彩涂料的制備

(1)分別在去離子水中加入不同計量的GTS粉末，然后在GFJ型高速分散機的作用下，分散至溶液澄清，得到濃度不同的保護膠溶液；

(2)在GFJ型高速分散機中加入計量去離子水，打開高速分散機，使其轉(zhuǎn)速維持至350 r/min。依次將分散劑、潤濕劑、消泡劑和防腐劑放入高速分散機，分散2 min后，加入鈦白粉、填料和羥基乙纖維素再次進行分散，分散時間為8 min；

(3)分散結(jié)束后加入AMP95調(diào)節(jié)劑，同時將轉(zhuǎn)速緩慢提升至1 200 r/min，分散時間為30 min。緩慢將分散機轉(zhuǎn)速降低至600 r/min后，依次加入成膜助劑、抗凍融劑、乳液和保護助劑；繼續(xù)分散5 min，加入不同顏色色漿，攪拌均勻后加入計量保護膠溶液，在轉(zhuǎn)速為500 r/min的條件下分散10 min，得到基礎(chǔ)漆；

(4)在預(yù)定濃度的保護膠溶液中，按比例加入各色基礎(chǔ)漆， 然后使用GFJ型高速分散機在轉(zhuǎn)速400 r/min的條件下攪拌3 min進行造粒，得到彩粒；

(5)將計量有機硅改性丙烯酸酯乳液放入分散機中，設(shè)置分散劑轉(zhuǎn)速為400 r/min，然后依次加入去離子水、成膜助劑、抗凍融劑、防腐劑和增稠劑，分散8 min后得到連續(xù)相清漆；

(6)將連續(xù)相清漆與彩粒按照比例充分混合，得到水性多彩成品漆。

1.3 性能測試

黏度測定

將待測樣品與STM-IV型斯托默黏度計轉(zhuǎn)子測試刻度線保持持平，然后靜置；待黏度計讀數(shù)穩(wěn)定，該讀數(shù)就是樣品黏度。

外觀檢測

通過對水包水多彩涂料彩粒滲色、串色程度、大小、形狀和厚度進行記錄，確定涂料外觀情況。將待測涂料靜置1 d，觀察彩粒情況。

施工性檢測

將噴槍出料量和氣壓調(diào)節(jié)好，對水包水多彩涂料進行噴涂，觀察其順暢程度。同時，確定噴涂在板材上的涂料是否有氣泡和流掛情況，彩粒是否被打碎。

常規(guī)性能檢測

熱貯存穩(wěn)定性：將待測涂料中放入塑料容器中密封好，然后置于H1005型恒溫干燥箱中。在溫度50 ℃條件下加熱7 d，然后冷卻至室溫，觀察涂料有沒有滲色、串色和聚集現(xiàn)象。

低溫穩(wěn)定性：將待測涂料放入塑料容器中密封好，然后置于BDX40-80F型低溫箱中。置于-5 ℃環(huán)境下保存18 h，取出樣品后置于恒溫箱中，在溫度23 ℃條件下保存6 h，觀察涂料有沒有滲色、串色和聚集現(xiàn)象。

干燥時間：參照GB/T 1728—1979中相關(guān)規(guī)定，對水包水多彩涂料干燥時間進行測定。

耐水性：參照GB/T 1733—1993中相關(guān)規(guī)定，對水包水多彩涂料耐水性進行測定。具體步驟：將3塊噴涂有水包水涂料的板材浸入去離子水，如有2塊都沒有出現(xiàn)起泡、掉粉和明顯變色情況，視為“無異?！?。

耐堿性：參照GB/T 9265—2009中相關(guān)規(guī)定，對水包水多彩涂料耐堿性進行測定。將3塊噴涂有水包水涂料的板材浸入飽和Ca(OH)溶液中48 h，如有2塊都沒有出現(xiàn)起泡、掉粉和明顯變色情況，視為“無異?！?。

耐濕冷熱循環(huán)性：將3塊噴涂有水包水涂料的板材浸入溫度23 ℃水中18 h，拿出后擦干水珠置于低溫箱中。在溫度-20 ℃條件下冰凍3 h，拿出后置于恒溫干燥箱中，在溫度50 ℃條件下烘烤3 h，如有2 塊都沒有出現(xiàn)起泡、掉粉和失光情況，視為“正?！?。

耐洗刷性：將2塊涂刷有水包水涂料試板按照規(guī)定次數(shù)進行洗涮，其中1塊試板中涂層沒有露出，就可認為耐洗刷合格。

2 結(jié)果與討論

2.1 基礎(chǔ)漆中乳液用量對水包水多彩涂料性能的影響

固定其他條件不變，制備不同乳液用量的基礎(chǔ)漆，觀察造粒情況。表2為乳液用量對彩粒的影響。

表2 乳液用量對彩粒的影響Tab.2 Effect of emulsion dosage on color granules

由表2可知，基礎(chǔ)漆黏度隨乳液用量的增加而提高。這是因為乳液用量的增加，提高了基礎(chǔ)漆的固體成分，使其黏度隨之增加；同時，增加了乳液用量，基礎(chǔ)漆與保護膠體溶液的黏度差增加，彩粒厚度也隨之增加。當(dāng)乳液用量低于21%時，乳液無法很好的包覆顏填料，制備的基礎(chǔ)漆黏度角度，使得彩粒強度低，易被打碎成為碎屑，在施工的過程中，容易出現(xiàn)發(fā)糊的現(xiàn)象。因此，在制備彩粒時，乳液用量不能低于21%，出于成本考慮，本文選擇乳液最佳用量為28%。

2.2 羥乙基纖維素用量對水包水多彩涂料性能的影響

固定其他條件不變，改變羥乙基纖維素(HS30000)用量，考察其用量改變對水包水多彩涂料性能的影響。表3為不同羥乙基纖維素用量對水包水多彩涂料性能的變化的影響。

表3 羥乙基纖維素用量對水包水多彩涂料性能的影響Tab.3 Effect of hydroxyethyl cellulose content on properties of water in water multicolor coating

由表3可知，隨羥乙基纖維素用量的增加，基礎(chǔ)漆的黏度隨之增加；但彩粒穩(wěn)定性越差，容易出現(xiàn)滲色，同時還可能導(dǎo)致基礎(chǔ)漆出現(xiàn)沉降現(xiàn)象。這是因為造粒的前提是基礎(chǔ)漆與保護膠間的黏度差，當(dāng)羥乙基纖維素用量低于0.70%時，基礎(chǔ)漆黏度低，彩粒強度不夠，因此很容易出現(xiàn)彩粒被攪碎的情況。當(dāng)羥乙基纖維用量不低于0.7%時，彩粒已經(jīng)有一定厚度，呈現(xiàn)出粒狀，此時彩粒的穩(wěn)定較好，不易出現(xiàn)滲色；同時，基礎(chǔ)漆中也沒有顏填料沉降。因此，本文選擇最佳羥乙基纖維素用量為0.70%。

2.3 保護膠用量對水包水多彩涂料性能的影響

保護膠溶液濃度是體系中彩粒能否穩(wěn)定存在的關(guān)鍵，若保護膠使用不當(dāng)就有可能出現(xiàn)彩粒滲色，聚集和串色的問題。本文固定其他條件不變，改變保護膠濃度，觀察不同濃度的保護膠對水包水多彩涂料性能的影響，結(jié)果如表4所示。

表4 保護膠濃度對水包水多彩涂料性能的影響Tab.4 Effect of protective glue concentration on performance of water in water multicolor coating

由表4可知，當(dāng)保護膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于8%時，彩粒出現(xiàn)無法造?；蛘邼B色嚴(yán)重、彩粒聚集成糊狀的問題。這是因為保護膠濃度過低，使得彩粒表面柔性保護膜強度降低，彩粒中組分容易透過保護膜向膜外滲透。但GTS自身吸水性較高，用量過多就可能導(dǎo)致漆膜耐水性較差，因此本文選擇最佳保護膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%。

2.4 保護膠與基礎(chǔ)漆質(zhì)量比對水包水多彩涂料性能的影響

固定保護膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%，改變保護膠與基礎(chǔ)漆的質(zhì)量比，觀察其對水包水多彩涂料性能的影響，結(jié)果如表5所示。

表5 保護膠與基礎(chǔ)漆質(zhì)量比對水包水多彩涂料性能的影響Tab.5 Effect of quality ratio of protective adhesive and base paint on performance of water in water multicolor coating

由表5可知，當(dāng)保護膠與基礎(chǔ)漆比例為3∶7時，彩粒較為細小，且邊界不清晰，還有滲色現(xiàn)象出現(xiàn)。這是因為基礎(chǔ)漆用量較多，使得彩粒在攪拌的過程中容易被打碎；同時彩粒偏小容易造成彩粒的比表面積增加，表面柔性保護膜厚度減小，不能很好地保護彩粒，使其出現(xiàn)滲色的情況。因此，為提高保護膠與基礎(chǔ)漆的比例、彩粒尺寸變大、彩粒穩(wěn)定且邊界清晰、不滲色，考慮保護膠對耐水性的影響，本文選擇保護膠與基礎(chǔ)漆的最佳比例為5∶7。

2.5 增稠劑濃度對水包水多彩涂料性能的影響

固定其他條件不變，改變增稠劑濃度，考察增稠劑用量對水包水多彩涂料性能的影響，具體結(jié)果如表6所示。

表6 增稠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對水包水多彩涂料性能的影響Tab.6 Effect of thickener concentration on performance of water in water multicolor coating

由表6可知，隨著增稠劑用量的增加，后水包水多彩涂料體系黏度隨之增加。當(dāng)增稠劑用量較少時，彩粒有沉降現(xiàn)象出現(xiàn)，且施工出現(xiàn)流掛情況。但增稠劑用量較多時，水包水多彩涂料流動性比較差，容易堵槍，施工也受到一定影響。綜合考慮，本文選擇增稠劑最佳用量為0.5%。

2.6 水包水多彩涂料優(yōu)化配方及性能測試

表7為優(yōu)化配方后水包水多彩涂料性能檢測結(jié)果；圖1為水包水多彩涂料經(jīng)噴涂施工后制得的樣板。

表7 水包水多彩涂料優(yōu)化配比性能測試Tab.7 Optimum proportioning performance test of water in water multicolor coating

圖1 水包水多彩涂料效果圖Fig.1 Effect drawing of water in water colorful coating Effect Drawing of water in water multicolor coating

由表7和圖1可知，經(jīng)過配方優(yōu)化后制備的水包水多彩涂料性能良好，彩粒邊界清晰分明，對比度高，強度好，沒有混合和串色現(xiàn)象，裝飾效果良好，已經(jīng)達到了水包水涂料HG/T 4343—2012化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)語

本文以GTS作為保護膠，以自制有機硅改性丙烯酸酯乳液為基體，制備水包水多彩涂料。以水包水多彩涂料性能為指標(biāo)，優(yōu)化了水包水涂料配方。結(jié)果表明：基礎(chǔ)漆中乳液最佳用量為28%，羥乙基纖維素最佳用量為0.70%，保護膠最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%，保護膠與基礎(chǔ)漆質(zhì)量比為5∶7，增稠劑最佳用量為0.5%；以上配方制備出的水包水多彩涂料貯存穩(wěn)定性優(yōu)異、彩粒邊界清晰分明、強度好、色粒感明顯，具有良好的裝飾性。