無樹脂色漿體系的研究與制備
色漿隨著乳膠漆應(yīng)用的日益廣泛,水性色漿的制備和研究也一直廣受關(guān)注。色漿的生產(chǎn)、使用是一個復(fù)雜的過程,除了要考慮色漿本身的性能,還需綜合考慮色漿與涂料的相容性、生產(chǎn)工藝等。調(diào)色完成后,應(yīng)評價色漆的顏色準確性、色漿添加量、色漆性能、成本以及環(huán)保性等各種因素。因而色漿的制備與應(yīng)用涉及面較廣,需要系統(tǒng)地研究。
水性色漿體系的影響因素
顏料的選擇
色漿的主要性能取決于其使用的顏料性能和含量。按照化學(xué)成分,通常將顏料分為無機顏料和有機顏料。無機顏料耐光性、耐候性好,容易分散,但通常色度偏暗,品種較少,主要包括氧化鐵顏料、珠光顏料以及金屬顏料等。有機顏料種類齊全、鮮艷度好,但一般價格較高,不易分散,主要品種有偶氮顏料、酞菁顏料等。從使用方便性考慮, 色漿種類越多越好,調(diào)色實現(xiàn)起來更容易。但考慮材料采購、庫存和生產(chǎn)工藝,色漿的種類越少越好。
綜合以上因素,一般來講基礎(chǔ)的色漿體系應(yīng)該包括以下8種核心色漿:鈦白PW6、鐵黃PY42、鐵紅PR101、炭黑PBK7、有機黃PY74、有機紅PR112、酞菁藍PB153和酞菁綠PG7[1]。為了方便和特殊應(yīng)用,還可增加鐵黑PBK11、大紅PR254、橙色PO36、永固紫PV23等。顏料的選擇應(yīng)綜合考慮產(chǎn)品性能,如細度、吸油量、耐光性、耐候性、耐化學(xué)性能以及分散性、批次穩(wěn)定性等因素。
12 無樹脂色漿體系
目前色漿的生產(chǎn)大體可分為有樹脂和無樹脂2 種體系。早期考慮色漿的貯存性能等因素, 工廠大多采用有樹脂體系生產(chǎn)。近年來隨著各種添加劑特別是超分散劑技術(shù)的發(fā)展,色漿的生產(chǎn)越來越多采用無樹脂體系。相對于有樹脂體系, 無樹脂體系色漿具有較多優(yōu)勢。首先通用性更強, 由于樹脂性能的局限, 有樹脂體系色漿在使用上受到一定局限, 有時甚至?xí)驗榧嫒菪远鵁o法使用, 而無樹脂體系應(yīng)用更加廣泛, 適用于絕大多數(shù)涂料體系。其次, 無樹脂體系色漿通常濃度更高, 具有更好的性價比。另外在生產(chǎn)工藝上也更適合研磨工藝, 能制備濃度更高、細度更細的產(chǎn)品[ 2]。
13 分散劑的選擇
顏料的分散是色漿生產(chǎn)的關(guān)鍵,每種顏料都有相應(yīng)的HLB值( 親水親油平衡值),選擇分散劑的關(guān)鍵是選擇與顏料HLB值相匹配的分散劑[3]。由于顏料特別是有機顏料特殊的表面性能,傳統(tǒng)的潤濕分散劑對某些有機顏料的分散效果不是很理想甚至很差,主要是由于分散劑分子中親水基團對極性較低的顏料顆粒表面結(jié)合力不強,容易脫離, 導(dǎo)致顏料粒子重新絮凝;同時親油基團不具備足夠的碳鏈長度,不能產(chǎn)生足夠的空間位阻效應(yīng),因此不能使顏料分散體系穩(wěn)定存在。這種情況下,選擇超分散劑是比較有效的方法。
超分散劑的分子結(jié)構(gòu)主要分為2個部分,其中一部分為錨式基團, 常見的有: - NR2、- N+ R3、- COOH、- COO- 和- SO3H等基團。這些極性基團通過離子鍵、氫鍵以及范德華力等作用能緊密吸附于顏料顆粒表面。同時另一部分為溶劑化鏈, 具有足夠的碳鏈長度, 以產(chǎn)生有效的空間位阻[4- 5]。目前超分散劑的品種較多, 有ICI公司的So lsperse 系列產(chǎn)品; 德國畢克公司的DsiperseBYK系列產(chǎn)品以及美國Daniel公司Disperse AYD系列產(chǎn)品等,其中ICI公司的Solsperse系列產(chǎn)品應(yīng)用最為廣泛[6]。
14 其他助劑的選擇
除了顏料和分散劑, 色漿中還包含其他成分, 如消泡劑、防沉劑、保濕劑和防腐劑等。消泡劑的選擇應(yīng)兼顧消泡性與相容性的平衡。色漿中消泡劑加量不能太大, 以能消除色漿中的氣泡為上限。因為色漿還會添加到涂料中, 在調(diào)配深色涂料中有可能因為色漿加量大而造成漆膜出現(xiàn)油縮等現(xiàn)象。顏料分散后, 由于顏料粒子較細, 比表面積大, 為降低表面自由能有重新聚結(jié)的趨勢。特別是一些氧化鐵系顏料相對密度較大, 長時間貯存會緩慢地沉降, 甚至結(jié)成硬餅, 難以再分散。除了分散劑的影響, 防止顏料在色漆中沉降常用的辦法是添加流變助劑, 在低剪切速率狀態(tài)下建立觸變結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)是疏松的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu), 稍受剪切力就會破壞, 黏度變小。剪切力撤去, 又恢復(fù)原有結(jié)構(gòu), 黏度增加, 能使顏料顆粒懸浮而不沉降。常用的流變劑有有機膨潤土類、氣相二氧化硅、蓖麻油衍生物和聚乙烯蠟等。色漿在調(diào)色過程中, 需要經(jīng)常露置于空氣中, 這樣容易造成表面結(jié)皮。為改善這一現(xiàn)象, 可在色漿中添加保濕劑?？紤]到保濕效果和環(huán)保因素, 可選擇丙二醇等溶劑, 添加量一般在1% ~ 5%。
總之, 好的色漿應(yīng)做到不沉淀、不絮凝, 有盡可能高的顏料含量, 與涂料相容性好, 對耐久性無不良影響, 不會產(chǎn)生浮色、發(fā)花現(xiàn)象; 生產(chǎn)過程應(yīng)簡便、經(jīng)濟, 重現(xiàn)性好, 批次穩(wěn)定; 有較好的流動性, 便于使用, 環(huán)保性優(yōu)異, 不會對健康造成危害[ 7]。
2 實 驗
21 水性無樹脂色漿的制備
211 原材料和實驗儀器
顏料: 二氧化鈦CR - 828: 美國科美基公司; 氧化鐵系列顏料: 鐵紅Bayfe rrox 4100, 鐵黃Bay ferrox 4910, 鐵黑Bayferrox4330, 鐵棕Bay ferrox 4610, 德國朗盛公司; 有機顏料: 有機黃C iba GS, 有機紅C iba 3RS, 瑞士汽巴公司; 酞菁藍L7072D, 酞菁綠L8605, 有機橙2930 HD, 德國巴斯夫公司; 永固紫BL: 科萊恩公司; 炭黑C- 311: 上海焦化公司。
分散劑: EFKA4560: 汽巴公司; So lspe rse S27000、S12000:IC I公司; H ydrapa la t?? 3275: 海川公司; 消泡劑: BYK024, 畢克公司; A10: 海川公司。防沉劑: Optigel WA, 美國洛克伍德公司。標準白色外墻乳膠漆: 自制。
實驗測試儀器: 研磨機: 耐馳公司M INIZETA; 三輥研磨機: 江陰精細化工機械公司; 刮板細度計、高速分散機、線棒涂布器: 上?，F(xiàn)代儀器公司; 色差儀: 美能達公司D2600型; 掃描電鏡: 日本島津公司; 電子天平: 賽多利斯公司。
22 水性無機色漿的制備
無機顏料吸油值較低, 分散相對容易, 因而可制備固含量高的色漿。表1是常見無機顏料性能和色漿的配比。
生產(chǎn)工藝: 按照表1 的配比, 在高速攪拌機1 000 ~1 500 r /m in的轉(zhuǎn)度下, 按順序加入原材料, 攪拌30~ 40 m in至均勻狀態(tài), 然后用三輥研磨機進行研磨, 研磨時間大約60 m in,檢測細度合格后包裝。
表1 通用水性無機色漿配方
注: ( 1 )- 吸水量說明100 g顏料可含水量, 其測定和吸油量測量方法一樣( D IN- ISO787 /5 ) , 僅以水代替亞麻仁油; ( 2 ) - 吸油量; ( 3) - 混合物, 沒有確定的顏料索引號。
23 水性有機色漿的制備
相對于無機顏料, 有機顏料種類眾多, 但存在吸油量大,不易分散的問題, 因而對分散劑的要求更高, 超分散劑是比較好的選擇。通常, 含有超分散劑的水性色漿具有以下特點: 具有更高的顏料含量和著色力, 低泡沫及良好的貯存穩(wěn)定性, 適應(yīng)性寬廣。添加到涂料中不影響漆膜的光澤和耐水性。表2為通用水性有機色漿配方。
生產(chǎn)工藝: 按照表2 的配比, 在高速攪拌機1 000 ~1 500 r /m in的轉(zhuǎn)度下, 按順序加入原材料, 攪拌30~ 40 m in至均勻狀態(tài), 然后用臥式研磨機進行循環(huán)研磨, 研磨時間大約2 h時, 檢測細度合格后包裝。
表2 通用水性有機色漿配方
3 結(jié)果與討論
31 色漿的基本性能
色漿的基本性能包括密度、黏度、pH、細度、固含量和顏料含量等。色漿的耐光性、耐候性、耐化學(xué)品性等主要取決于所用的顏料性能, 具體方法如下:
( 1)耐光性: 采用氙燈光源, 功率6 500W, 按英國標準BS100B02曝曬, 結(jié)果用藍羊毛尺評價, 采用8 級制, 8級為最好, 1級為最差。
( 2)耐候性: 采用ATLAS人工老化儀測試500 h, 結(jié)果用ISO灰卡測試, 1~ 5級表示, 5級為最好, 1級為最差。
( 3)耐化學(xué)性: 耐化學(xué)品性能取決于其中顏料的化學(xué)性能, 分別在10%鹽酸溶液和5%氫氧化鈉溶液中檢測, 結(jié)果參照英國標準BS1006A03, 用灰卡測試采用5級制, 5級為最好,1級為最差。表3是以上配方色漿基本性能。
注: ( 1 ) - V 表示原色, 即在100份無二氧化鈦基礎(chǔ)漆中加入5%色漿時的顏色; ( 2) - ST( 1 /25)表示沖淡色, 即100份二氧化鈦含量為25%的基礎(chǔ)漆中加入1 份色漿后的顏色。
32 分散程度
色漿的分散程度直接決定了色漿的性能。通常的測試方法有刮板細度計、電子顯微鏡、粒徑分布儀以及掃描電鏡( SEM )等。刮板細度計是測量顏料分散的一種最簡單的方法。優(yōu)點是速度快, 但它不能反映出顏料分散的真實狀況, 只能表示大的顏料凝聚體, 而且不能顯示粒徑分布和粒子的狀態(tài)。電子顯微鏡能精密顯示粒子分散性能, 但使用起來不太方便。相對來說, 粒徑分布儀和掃描電鏡是比較準確、方便的測試儀器[ 8] 。圖1和圖2是酞菁藍色漿在不同狀態(tài)下SEM 圖, 可以看出具有比較好的分散狀態(tài)。色漿顆粒尺寸大約在2~ 5 um。
影響色漿分散細度的因素除了顏料粒徑和分散劑的效率, 研磨設(shè)備也至關(guān)重要。由于無機顏料固含量較高, 黏度相對較大, 多采用三輥研磨設(shè)備。而有機顏料多采用臥式砂磨機。研磨時多采用循環(huán)模式, 至少保證物料研磨3 遍以上才能得到較好的細度。
3 3 色漿的黏度與貯存穩(wěn)定性
通常來講, 為了保證色漿的貯存穩(wěn)定性, 需要有較高的低剪切黏度。另外, 為了保證使用方便, 攪拌時應(yīng)具有較好的流動性, 即具有較低的中剪切黏度。因而好的色漿應(yīng)有較好的觸變性。色漿的黏度與貯存穩(wěn)定性主要與顏料濃度、防沉劑用量有關(guān)。表4是氧化鐵紅顏料黏度與顏料濃度以及防沉劑用量之間的關(guān)系。其中低剪切黏度采用NDJ- 1 黏度計4#轉(zhuǎn)子, 6 r /m in狀態(tài)下測得; 高剪切黏度采用NDJ- 1黏度計4#轉(zhuǎn)子, 60 r/m in狀態(tài)下測得, 觸變指數(shù)T i為兩者的倍數(shù)。
表4 顏料含量、防沉劑加量對氧化鐵紅色漿黏度、貯存穩(wěn)定性的影響
注: ( 1) - ( 23+-2) oc 密封保存30 d, 觀察色漿有無分水、沉淀現(xiàn)象。
從表4可以看出, 隨著色漿濃度增加, 色漿黏度增加, 觸變性變大, 在一定程度上能有助于貯存穩(wěn)定性的提高, 但考慮到氧化鐵顏料密度較大, 濃度越大, 沉淀可能性越大, 對比發(fā)現(xiàn)65% 濃度顏料含量情況下, 添加0.5%的防沉劑能有效改善色漿的貯存穩(wěn)定性。
34 色漿與涂料的相容性
判斷色漿與涂料的相容性多采用指研法, 方法如下: 選取性能良好的白色乳膠漆或調(diào)色用乳膠漆, 添加最大比例的色漿, 混合均勻后用100 um 線棒涂布器涂布在黑白格紙上, 在表干前用手指輕輕旋轉(zhuǎn)擦拭漆膜, 大約1 m in, 實干后觀察擦拭部位與未擦拭部分是否有色差。肉眼觀察沒有色差, 則表明色漿與乳膠漆相容性良好[ 9]。
35 著色強度(著色力)
將標準色漿和測試色漿均按照2% 加量添加到同一批次乳膠漆中, 攪拌均勻, 然后同時涂布在黑白格紙上, 保證2 種涂料有交接處, 干燥后可肉眼觀察或用測色儀進行檢測。表5則是添加不同批次2%濃度的鐵黑色漿調(diào)色后的計算機測量色差值。
表5 添加不同批次的鐵黑色漿后顏色色差值
從表5可以看出, 試樣顏色比標樣顏色要深, 色差值% E為0. 51, 其中a, b 值變化較小, 表明顏料紅、黃色較為穩(wěn)定, 而L 值較大, 即黑色相變深, 表明試樣色漿著色力更強。顏料含量、研磨時間以及分散劑加量可能導(dǎo)致以上情況。
36 色漿的環(huán)保性
很多涂料調(diào)色后涂刷在兒童房墻壁、玩具以及各種家具上,特別是深色漆中色漿用量較大,因而色漿的環(huán)保性不容忽視, 應(yīng)符合HG /T 3953- 2007《建筑涂料用水性色漿》標準中關(guān)于VOC以及重金屬含量的規(guī)定。
4 結(jié) 語
制備性能優(yōu)異的水性色漿, 需要綜合考慮顏料、分散劑以及生產(chǎn)工藝等影響因素。選擇顏料時需考慮其物理和化學(xué)性能, 如細度、吸油量和耐久性等指標。相對于有樹脂體系, 無樹脂體系色漿具有顏料濃度高、著色力強、通用性好等優(yōu)點。選擇分散劑時, 顏料HLB值與分散劑HLB 值應(yīng)接近。超分散劑作為新型的分散劑, 由于特殊機理和成分, 對于顏料分散有良好的效果。
通常由于著色對象不同而對色漿的性能有特定要求。比如一個透明度好的色漿用在水性油墨中是比較理想的產(chǎn)品,而用于涂料則可能因為遮蓋力差而不受歡迎。在水性建筑涂料中, 主要要求色漿相容性好, 著色力高, 遮蓋力強, 容易分散, 環(huán)保性能符合國家的相關(guān)標準等。色漿作為一種半成品,在使用過程中還需要注意很多細節(jié), 如內(nèi)外墻色漿的區(qū)分, 相同耐候級別色漿的搭配, 不同色漿對顏色的影響以及色漿表面性能處理對涂膜性能的影響等, 還需要進一步研究。 (責(zé)任編輯：小莉)
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