水性多彩涂料是一种应用创新的胶体技术和全新的色彩理念制备的新型环保型建筑涂料。突破了传统涂料只能做纯色的调色理念,引入了绘画和摄影等对色彩的处理效果,运用色彩间的浸润效果,色彩的深浅反差效果以及半透明景深等效果,既可以使涂层呈现出天然花岗石、壁纸等高档装饰材料的花纹和色彩,获得超越自然和回归自然的人性化、个性化图案,又可以根据新旧建筑物的不同形状,依照客户的需求,提供花纹大小不一、色彩缤纷的花色布景,达到了装饰效果和功能性的统一[1,2,3,4]。
目前市面上常规水包水多彩涂料使用平涂乳胶漆作为配套底色,平整度高、光泽高、缺乏立体感,模仿凹凸面和“荔枝面”的花岗岩效果需要配套质感涂料、真石漆、拉毛漆等,施工工艺复杂,成本较高。水性含砂多彩涂料是在多彩涂料基础上发展起来的,经过一次喷涂即可获得含有多种色彩的仿毛面花岗岩效果,但面临的最大问题是运输和贮存中色点易沉降、破碎。本实验在设计时充分考虑了影响贮存稳定性的多种因素,合理选取和搭配保护胶、乳液、纤维素醚、玻璃微珠等原料,制得的产品稳定性好、效果逼真,在房地产开发市场上具有广阔的应用前景。
1 实验部分
1.1 实验原料
丙烯酸乳液:市售;空心玻璃微珠、石英砂:郑州金源;保护胶A:市售;洛克伍德S482、网格GTS:市售;防霉剂:德国舒美;消泡剂:英国布莱克本;分散剂:英国汽巴;润湿剂、杀菌剂:陶氏化学;防沉剂、增稠剂:巴斯夫;其他原料:市售。
1.2 实验设备及仪器
高速分散机:VIBEVEJ 25-29,丹麦Diaf;电子天平:BSA8201,德国赛多利斯;黏度计: Ref480,英国Sheen;低温箱:KBF-240,德国 Binder;多彩喷枪:W77,日本盐田。
1.3 涂料基本配方及制备工艺
1.3.1 保护胶溶液配方
保护胶溶液配方如表1所示。
Table 1 The formula of protect gel solution |
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在1 000 r/min的转速下,将保护胶粉慢慢加入水中,保持中速搅拌30 min至胶粉完全溶解成无色透明溶液,加入防腐剂搅拌均匀。
1.3.2 多彩含砂基础漆配方
含砂多彩基础漆配方如表2~3所示。
在适量水中加入一定量的润湿剂、分散剂、防冻剂、一半量的消泡剂搅拌几分钟,然后加入纤维素醚、颜填料、pH调节剂,在2 000 r/min下高速分散30 min,使细度小于40 μm,降低转速至500 r/min,加入另一半消泡剂,然后依次加入成膜助剂、防腐剂、防霉剂、乳液,10 min后加入保护胶溶液,搅匀出料制得基础漆,调色后即为调色基础漆。用作含砂多彩涂料的基础漆黏度控制在120~130 KU为宜。
在300 r/min的转速下,将石英砂、空心玻璃微珠加入调色基础漆中即得含砂多彩基础漆。
Table 2 The formula of base paint |
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Table 3 The formula of multicolor base paint |
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1.3.3 多彩色粒配方
多彩色粒配方(质量分数):含砂多彩基础漆60%,7%保护胶溶液40%。根据需要可以采用剪切造粒、真空筛网造粒等方式得到所需粒径分布的含砂多彩色粒。
1.3.4 含砂多彩涂料配方
含砂多彩涂料配方如表4所示。
Table 4 The formula of multicolor paint with sand |
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低速搅拌下,按照配方依次加入物料,搅拌均匀即可制得水性含砂多彩涂料,增稠剂可以根据质控黏度要求酌情增减,一般最终黏度在85~100 KU比较适宜。通常为了方便生产操作和提高生产效率,可以将造粒色点以外的组分预先调配,称之为连续相。
1.3.5 制备工艺流程
含砂多彩涂料制备工艺流程如图1所示。
含砂多彩涂料的生产制备还需要依据花纹图案的要求,进行不同色彩、不同花纹大小和不同用量的配比设计和工艺技术路线设计[5]。
1.4 性能测试
将制得的水性含砂多彩涂料成品按照HG/T 4343—2012《水性多彩建筑涂料》和JG/T 24—2000《合成树脂乳液砂壁状建筑涂料》的要求进行综合性能测试。
2 结果与讨论
2.1 含砂多彩体系稳定性以及漆膜性能研究
2.1.1 保护胶对多彩体系及漆膜性能的影响
目前市面上应用最广泛的是类似硅酸镁锂的硅酸盐类保护胶,如洛克伍德的S482、网格的GTS等。其凝胶的晶体结构单元为厚度以纳米计的微小薄片,薄片层面带负电荷,端面带正电荷,水合分离后的薄片端面被吸引到另一薄片的层面,从而迅速形成三维空间的胶体结构,即卡屋结构,赋予体系高触变性和立体感。根据保护胶的这种极性特点和异性相吸原理,通过多彩涂料基础漆中的乳液、保护胶、纤维素醚的协同作用可以在色粒表面形成半胶化状态的“硬质层”,当其厚度达到30~50 μm就可以阻止内部基础漆和保护胶进一步胶化,从而形成一个稳定的胶囊保护体系,使得色粒之间、色粒和保护胶溶液之间不会相互渗透。
不同保护胶因其表面改性处理的差异导致稳定性各不相同,反应活性与最终形成的胶粒“软硬”程度也有很大差别。色粒“软硬”能够一定程度上反映色粒的稳定性,一般较“硬”的色粒稳定性较好,得到的漆膜凹凸感、立体感也更强。分别以S482、GTS、国产保护胶A制备造粒保护胶液,采用相同的基础漆进行造粒,将造好的色粒悬浮液以不同的停留时间配置涂料,保持喷涂面积和涂布率不变制备样板,测试不同保护胶体色粒稳定时间,如图2所示,图片上方样板所用色粒悬浮液停留时间为2 h,下方为24 h。
随着时间的延长,保护胶与含砂多彩基础漆之间的相互作用不断增强,导致色粒经历一个“由软及硬”的过程,其样板也呈现“先模糊后清晰”的变化过程。测试结果显示S482和GTS的稳定时间大概在16 h左右,而保护胶A在2 h左右就能达到色粒稳定,且色粒“较硬”,相较而言最适合用来制备含砂多彩涂料,解决该类型涂料彩点易碎和韧性差的问题,并便于生产批次质量控制。因此,含砂多彩涂料保护胶选用国产保护胶A性价比较高。
2.1.2 乳液对多彩体系及漆膜性能的影响
乳液对水性含砂多彩涂料体系的稳定性、成品开罐效果、涂膜性能可以说有着决定性的影响。其本身特性以及与保护胶、助剂的相互作用决定着产品体系的通透性、抗渗色能力、运输贮存稳定性、施工性以及干膜功能等特性。通常采用阴离子聚合的纯丙和硅丙乳液,在保持良好的物理机械性能基础上,再赋予漆膜优良的耐候性、耐沾污性等。
结合本体系基础漆加砂调色特点,最终选择了国内一款无皂聚合的硅丙乳液作为调色基础漆成膜物质,其特点是在乳液合成中采用了的特殊有机硅技术,用其配制的涂料耐水白性极好,与底材附着力强、粘结强度较高;成膜温度低,胶膜致密、坚韧;硬度高、抗污染效果好。用7%的保护胶溶液和该乳液在质量比1∶1的情况下复配做极限相容性测试,连续观察3个月,未发现凝胶现象,说明两者之间惰性较强,有利于体系在长期贮存过程中保持稳定。
含砂多彩涂料连续相乳液对最终漆膜的性能至关重要。普通多彩涂料在大多数的实际应用中以不连续的彩点成膜为主,多组色点与中间底色合理搭配呈现花岗岩的效果,因此最终漆膜以扁平为主,漆膜相对较薄,色粒干燥收缩后贴敷于平涂漆或者真石漆表面,连续相以类似于清漆的成膜状态覆盖和分布于彩点四周,这点与含砂多彩配方设计的初衷有所不同。
含砂多彩涂料在未来的发展应用中定位于模仿立体感较强的毛面花岗岩效果,以“凹凸面”和“荔枝面”为主,其单位面积涂布量要远大于普通多彩涂料,可能导致局部连续相乳液聚集,膜厚大大增加,因此其在制备和应用过程中需要重点考虑以下几个因素:(1)连续相乳液与所选保护胶溶液有较好的相容性,即与保护胶保持“相对惰性”,以防止贮存过程中出现黏度猛增甚至凝胶的现象;(2)良好的成膜性,适当弹性以保证在不同的施工环境和高涂布量下能够稳定成膜,不开裂;(3)合适的成膜温度,较小的粒径,在保证成膜良好的前提下保证漆膜的致密性和耐沾污性;(4)良好的物理机械性能和耐化学品性以满足国标要求。选取7种市面上常用的多彩连续相乳液做对比测试,结果如表5所示。
Table 5 The contrast test results of different emulsions |
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表5中所选取的连续相乳液包括4种纯丙和3种硅丙乳液,在多彩市场上均占有一定的份额,特点也各有不同。W1具有良好的物化性能但是与保护胶“惰性不足”,容易后增稠;W5、W6因玻璃化转变温度较高导致相同配方下成膜性较差,改善成膜性可能导致成本上升以及其他问题产生;W4综合性能平平且同样出现后增稠,可能与增稠剂相容性不好;W7综合性能最差不予考虑;W2、W3的综合性能比较接近,考虑到成漆的通透性、开罐效果等因素,最终选择W3作为本体系连续相乳液。W3是一种采用特殊工艺合成,利用核-壳结构共聚而成的自交联硅丙乳液,具有较低的成膜温度,漆膜极其致密,其配制的多彩漆具有优异的耐水白性、耐水性、耐候性等。
2.1.3 纤维素醚对多彩体系及漆膜性能的影响
纤维素醚多用于含砂多彩涂料的基础漆中,且用量较大。除了提供传统的增稠触变以外,其主要还是与保护胶体协同作用赋予“造粒色点”良好的抗渗色性能和韧性。而基础漆中预加入的少量保护胶溶液,则与纤维素醚在色点体系中形成类似现代建筑的“框架结构”,与造粒阶段的保护胶溶液一起,将调色基础漆牢牢固定在“框架”之中,形成稳定的胶粒,如图3所示。
结合本公司现有原材料,选取3种市面常用的纤维素醚E1、E2、E3,制成含砂多彩涂料,重点考察其对涂膜抗渗色性和耐水性,结果如表6所示。
由表6可以看出,E3的含砂彩点韧性强,相同条件下碎点少,涂膜耐水白性好,表现最佳。其为一种高黏度等级的非离子型、水溶性乙基羟乙基纤维素醚,与普通内外墙中普遍使用的纤维素醚相比,相对分子质量更高,疏水性更强,特别适合用于含砂类多彩体系,改善造粒色点的稳定性和保水性。
Table 6 The contrast test results of different cellulose ether thickeners |
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2.1.4 “骨料”对多彩体系及漆膜性能的影响
与普通多彩涂料相比,含砂多彩涂料的“骨料”在保留少量钛白粉和常规填料如高岭土等的基础上,引入了较大量的石英砂。目前市面上已经出现的加砂方式主要有2种,一种是只在基础漆加砂,另外一种是基础漆、连续相均加砂。从生产批次之间便于质量控制和体系稳定性的方面考虑,个人倾向于前者,即只在基础漆加砂。而后者主要是考虑最终漆膜的均匀性,认为连续相含砂可以进一步增加体系含砂量,使得质感效果更强,这一点在喷涂较厚的含砂多彩涂料施工中其实并没有多大优势,满喷情况下基础漆中的石英砂几乎可以完全覆盖整个基面,通过施工工艺控制即可实现较强的凹凸感,有效模拟毛面花岗岩的表观效果。石英砂的粒径和级配也是重点考虑的因素之一,一般都要选择40目以上的中小粒径石英砂,并根据需求选择各粒径分布区间的搭配比例。另外,石英砂相对基础漆的添加比例(质量比)尽量不要超过1∶1,以避免施工中可能引起的“堵枪”问题,保证施工顺畅性。
石英砂的密度一般为2.65 g/cm3,大量加入会导致基础漆密度迅速上升,影响造粒色点在体系中的悬浮性和稳定性。因此可以适当添加强度较高的空心玻璃微珠来平衡其密度范围,降低色粒体积质量,改善色粒因密度过高造成运输贮存中底部沉积现象,同时还可以丰富含砂多彩涂料的质感效果。添加3%(质量分数)的空心玻璃微珠对基础漆密度的影响如表7所示。
Table 7 The influence of hollow glass bead on base paint specific gravity |
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由表7可以看出,以市面常见的空心玻璃微珠为例,理论密度在0.2~0.3 g/cm3,3%的添加量可以使含砂基础漆密度降低10%左右。
空心玻璃微珠的加入,还可以给加砂多彩涂层带来许多附加功能。空心玻璃微珠的表面特性和光反射作用,可以提高漆膜的耐沾污性和耐老化性。紧密排列的空心玻璃微珠内部含有稀薄的气体,导热系数很低,可以增加涂层隔热保温效果。空心玻璃微珠还可有效增强涂层的抗冷热收缩性和弹性,大大减少涂层因受热胀冷缩而引起开裂和脱落。
2.2 其他重要助剂的选择
2.2.1 基础漆润湿分散剂的选择
含砂多彩涂料基础漆中润湿分散剂的选择和用量非常重要,会直接影响基础漆的色浆展色性、粒子“软硬”程度、色粒抗渗色性、漆膜耐水性等。尤其是耐水白性和可恢复性,是目前的含砂质感漆、真石漆生产厂家和用户都十分关心的一个问题,也是引起投诉和纠纷的“重灾区”。其主因还是因为漆膜的致密性、亲水物质过量聚集、疏水性不够等因素导致外界水分侵入漆膜引起发白现象,因此从乳液、纤维素醚、润湿分散剂等各方面做的主要工作就是“疏水化”。实验选择了一款疏水改性的阴离子型羧酸聚合物铵盐产品,其特点除了能够起到较好的分散效果外,还能较好保持漆膜的耐水性。
润湿剂在含砂多彩涂料中的重要性还在分散剂之上,由于其不同的电荷分布和表面特性,其加入可使得基础漆的涂膜外观流变状态发生改变。经过多次实验,最后选择了陶氏化学的一款特殊醇类润湿剂。其在本体系中的作用有:(1)能大大提高色浆在基础漆中的展色性;(2)能够使基础漆物理流变状态由软絮状向平滑状转变,控制用量可使涂膜后样板相对平滑,其好处是便于生产时色差控制,保证批次间颜色稳定性;(3)会使粒子更加圆润,韧性增强,抗渗色能力增加。此外,目前市场上力推的许多增强粒子“硬度”和“抗渗色性”凝胶反应剂,本质上来讲也是属于润湿剂的范畴,一般也是属于阴离子类型,本身具有长链结构,其中一端可以与色点中纤维素醚反应结合,吸附于色点表面,提供疏水保护膜,另一端携带的负电荷可以包覆在色粒表面形成“带电体”,通过电荷间的排斥力协同空间位阻保持色粒间稳定性。
2.2.2 连续相增稠体系的选择
前文含砂多彩涂料“骨料”分析中,石英砂的引入会导致造粒色点密度相对于普通多彩涂料大大增加,因此其在连续相中的“悬浮性”与成品施工的“流畅性”之间的矛盾就凸显出来了。单单依靠一般多彩涂料中普遍采用的疏水改性碱溶性乳液型增稠剂在常规的施工黏度下不能给予色粒足够的支撑,由此会引发一系列贮存问题,如分水、沉降、搅拌易碎等。而且此类增稠剂对温度敏感,50 ℃下加速贮存实验时会发现体系黏度下降很快,更加不利于涂料的贮存,严重影响含砂多彩涂料的使用和推广,因此目前的一般做法是将碱溶胀增稠剂与有机改性精制锂蒙脱石粘土、凹凸棒石粘土等复配,例如,用海明斯的BENTONE DY CE、巴斯夫的Attagel 40,来增强体系的贮存稳定性。此类增稠剂因其作用机理相对来说对温度的敏感性没那么强,使得体系在相对温度较高的环境下也能较长时间的保持稳定。其用量可以根据加沙量的多少进行调整,一般在0.6%~1.0%之间。
2.3 水性加沙多彩涂料的综合性能检测
3 结 语
(1)测试表明,优选活性较高的保护胶体、相对惰性的硅丙乳液、高黏度等级的乙基羟乙基纤维素醚、40目以上级配的石英砂,配合增韧、增强功能的润湿剂以及连续相复合增稠体系,可以制得体系稳定,漆膜性能优良的的水性含砂多彩体系。
(2)骨料中适当添加空心玻璃微珠,可以降低色粒体积质量,提高色点在体系中的稳定性,丰富质感效果,赋予漆膜一定隔热功能。
(3)色粒中的大粒径骨料能够增加漆膜的“凹凸感”和“立体感”,单独一层即可获得毛面花岗岩的“荔枝面”效果,弥补了单独普通多彩涂料这方面的缺陷,省去了质感中涂的施工工序。