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乳膠漆浮色發花因素的探討

2012年11月14日

1.前言

生産彩色乳膠漆過程中常常遇到浮色發花問題,乳膠漆出現浮色發花時,調色變得很困難,即浪費顔料,又調色不准,且塗膜也變得難看。顔料的優良性能體現不出來。

産生浮色發花的因素很多,本文從顔填料的粒徑差、體系中各物質的表面張力差、各物質的親水親油平衡值(HLB)以及乳液與色漿的相容性四個方面來探討乳膠漆的浮色發花及解決方案。

2.影響乳膠漆浮色發花的因素

2.1.顔填料粒子的粒徑的影響

用漢高 SN-Dispersant5040+Hydropalat3204 分散劑配制 4 組顔填料粒徑不同的白漆(PVC = 68%),然後用海川藍色漿(PB 15:3)和赫斯黑色漿(PBK 7)對其進行調色。塗料與漆膜的性能測試結果見表 1。

表 1顔填料粒子的粒徑對塗料浮色發花的影響

乳膠漆施工後,乳膠漆體系中的水和助溶劑分三個階段蒸發:初期階段蒸發速度恒定,而蒸發的主要是水,在此階段乳膠漆粒子可以自由運動;中期階段蒸發時粒子將發生不可逆相互接觸;最後階段蒸發時水和成膜助劑從內部擴散到漆膜表面,此時的散逸速度很慢,而浮色發花就發生在幹燥的初期階段。

在乳膠漆的幹燥過程中,隨著塗料中揮發分的揮發,會夾帶一部分顔填料到塗膜上,而這些顔填料粒子輸送到表面時,有較高表面積的較細粒子易于輸送,而比表面積相對低的粗粒子則有礙于運動。另外,在幹燥過程中乙二醇提供了一個膨脹的連續的親水網狀結構,蒸發的物質通過此網狀結構擴散到漆膜表面,在塗膜幹燥時,更爲親水的物質趨于快速蒸發, 是因爲它們優先進人親水網狀結構,在此它們易于擴散和散逸。生産乳膠漆的過程中,白漿相對色漿來說親水性強一些,即白色顔填料粒子的親水性比色漿中的顔填料粒子更親水,它們更易被強極性的揮發物質帶到表面上。顔填料粒子的粒徑差太大,粒徑分布很廣,使得顔填料之間的混容性變得很差,尤其是超細粒子過多時,用這種顔料配制的色漆施工性差,施工過程中塗料浮白色嚴重,而塗膜則發生浮色。浮白色很難調深色漆,造成顔料的浪費。

解決方案是仔細選擇顔填料,所選用的顔填料的粒徑應匹配,從而避免浮色發花現象。

2.2.表面張力差的影響

用 4 組不同的潤濕分散劑配制 PVC=21%的 4 種白色基礎漆,然後用不同色漿對其進行調色,比較調色後的塗料浮色發花情況,實驗結果列于表 2。

表 2表面張力差對浮色的影響

一般調色漆時,時常發現有些色漿在白色基礎漆中很難分散均勻,分散好的色漆靜止一段時間後,很快就有分色或浮色現象發生,盡管塗料在此種情況中的浮色或者分色並不一定會引起塗膜的浮色、發花,但塗料的開罐效果不好。發生這種情況時我們可以使用潤濕分散劑來調整白漿或者色漿的表面張力,縮小它們與塗料體系之間的表面張力差來消除塗料的浮色、發花。

在制漆過程中,白漿與色漿的制作工藝、配方不同:制作白漿常采用陰離子型分散劑或離子型聚電解質分散劑,而色漿則多采用非離子分散劑,或與部分陰離子分散劑拼用,因而白色顔料與彩色顔料粒子因吸附了一層不同的潤濕分散劑而具有不同的表面性質。其親水親油值不一樣,表面張力也不一樣。一般離子型表面活性劑比非離子型表面活性劑的表面張力大。非離子型表面活性劑因其疏水端分子結構不一樣,其表面張力也不一樣,而且疏水端分子結構中最外面的鏈節對表面張力貢獻最大,一般鏈節表面能按以下次序遞增:–CF3 < –CF2< –CH3< –CH2–。表 2 中,組合二與組合三相比,組合三的表面張力大,發花也較嚴重;組合一與組合四比較,組合四中的 Nopcosperse 100 EXP 比組合一中的 SN-Dispersant 5027 表面張力大,浮色發花現象也較嚴重。

表面能低的分子意味著分子之間的作用力小,表面張力也較低。從熱力學方面考慮,表面張力低的物質容易吸附轉移到界面,而使體系穩定,因表面張力降低,削弱了液體表面收縮和液滴聚並的趨勢,降低彎曲液面的附加壓力差,因而有利于液面及分散體系穩定。因此,如果白漿或色漿之間的表面張力與體系的表面張力差大時,用這種漿配置的塗料比較容易出 現浮色。

2.3.乳液與色漿的相容性的影響

先用單純的色漿(細度< 20 μm 與單純的乳液混合比較其相容性,色漿與乳液混合後細度< 30 μm 者爲相容,細度在 30 ~ 50 μm 爲部分相容,細度> 50 μm 爲不相容,其結果列于表3。

保持其他條件不變,只改換乳液,將測試過相容性的乳液配制 5 組漆,再分別對 5 組漆進行著色,比較其浮色發花情況,其結果列于表 4。

表 3乳液與色漿的相容性

浮液與色漿相容性好,則塗料和塗膜的浮色發花情況會好很多;乳液對色漿潤濕好,則色漆展色性也好。

所用的潤濕分散劑主要有離子型、非離子型、高分子分散荊。顔料粒子在水性分散體系中與表面活性劑形成吸附層的結構見圖 1。在水性塗料中常用陰離子型和非離子型表面活性劑作潤濕分散劑,在水性體系中具有極性和離子型表面的無機顔料,能夠與添加的離子型表面活性劑的極性基或離子發生作用,形成二層吸附層,如圖 1 中的②、④親水基朝外。在水性體系中有機顔料依靠氫鍵和範德華力與表面活性劑形成第一吸附層,再通過分子間力、靜電力形成第二吸附層,親水基朝外,如圖 1 中的①、③。

在水性體系顔料漿中顔料粒子表面吸附表面活性劑,形成一保護層,但保護層之間的作用力有分子間力、靜電力之分,所以其間的作用力強弱不一樣,當以上色漿與各類乳液或乳膠漆混合時,色漿的分散穩定性就不一樣,當顔料粒子表面的表面活性劑與乳液粒子表面吸附的表面活性劑(即乳化劑)或者水之間的親和力大時,顔料粒子吸附的表面活性劑被剝離,使得顔料粒子表面的保護層變薄,造成顔料絮凝,從而引起塗膜的浮色發花。當乳液顆粒外的乳化劑與色漿中顔填料粒子外的表面活性劑相容性好時,則乳液對這些顔填粒子的潤濕就好,整個色漆的展色性就好,色彩鮮豔,且不浮色。

這種由絮凝引起的浮色、發花可以通過改變或添加一種合適的潤濕分散劑,表面張力很低的表面活性劑,使其解絮凝,則可緩解發花或浮色;還可以添加一些可産生觸變結構的添加劑,如高嶺土或二氧化硅,在漆膜中形成一種網絡結構,阻止顔料分離,從而阻止浮色或發花;或者提高色漿中顔料粒子表面吸附的高分子化合物吸附層厚度,也是提高塗料産品質量,提高塗料抗絮凝、防浮色的重要因素。

2.4.親水親油平衡值的影響

親水親油平衡值是一個很重要的影響因素,在生産乳膠漆時常使用的乳液、顔填料、溶劑、助溶劑及各類助劑各有自己的親水親油平衡值(HLB 值)。各材料的親水親油平衡值匹配,則整個塗料體系的性能優良,浮色、發花、分層等現象就會克服。當乳液、顔填料選定後,其親水親油平衡值就已固定,但可以通過仔細選擇助劑,即潤濕分散劑、增稠劑等來調整整 個體系的 HLB 值,使整個體系的 HLB 值平衡。

衆所周知,親油物質親油端的表面張力小,塗料貯存在容器貯罐中,這些親油物質容易浮到表面,從熱力學角度來講,整個體系能量降低,體系穩定。如生産的乳膠漆在靜態即在容器中就浮色,不僅開罐效果不好,施工性能不好,塗膜狀態也不好。如果塗料浮白色,說明白漿的 HLB 值較小,白漿比較親油,所以,生産白漿時就要使白漿略親水性;如果塗料浮色是色漿的顔色,說明白漿的 HLB 值較大,比較親水,則生産白漿時就要使白漿親油一些,以阻止塗料浮色。

親水親油平衡值(HLB 值)的匹配,可以通過仔細選擇潤濕分散劑來達到。陰離子分散劑中帶疏水基團的铵鹽分散劑,比羧酸鈉鹽類分散劑親油,HLB值小,且帶疏水基團的铵鹽分散劑(如漢高SN-Dispersant5027)對乳膠漆膜的浮色也有很大改善,因爲當顔填料粒子包裹了這種類型的分散劑時,顔填料粒子周圍不僅有靜電阻力,還存在空間位阻,塗膜幹燥過程中,隨著水分的蒸發,铵鹽中的氨也揮發,使得此類分散劑更疏水,從而包裹了此類分散 劑的顔填料粒子與成膜物相容性更好,加上空間位阻使得結構變得很膨松,使塗膜幹燥過程中的浮色,即動態過程中的浮色也得到抑制。

3.結語

引起塗料浮色發花的因素很多,顔料的密度、粒徑差太大會造成塗料及塗膜浮色和發花,在塗料廠生産中盡量不選用含過多超細粉及密度差過大的顔料。

塗料各組分的表面張力也是控制乳膠漆發花、浮色的決定因素。由于表面張力差是促進貝納爾多旋渦、造成發花的因素,可以選用台適的降低表面張力的助劑,降低表面張力,阻止貝納爾多的循環。從而從流動學上阻止發花,但這樣不一定能克服浮色。因浮色是一種立體現象,而不象發花是平面現象。

由絮凝引起的浮色發花可以選用一種合適的潤濕分散劑,使其解絮凝,則可緩解發花或浮色;或者使用産生觸變結構的添加劑(高嶺土、二氧化硅),在漆膜中形成一種網絡結構, 阻止顔料分離,從而阻止浮色發花。

親水親油平衡值在塗料的浮色發花中也是很重要的因素,可以通過選用潤濕劑、分散劑調整體系的 HLB 值,使整個體系的親水親油平衡值匹配,以阻止浮色發花。

在實際生産中多種因素可能會同時存在,使得問題複雜化,要仔細分析清楚浮色發花原因,再分別加以解決。

參考文獻

[1]朱涉瑤,趙振國編著,界面化學基礎。

[2]錢連辟,竺玉書主編,塗料助劑。