新型水性干粉建筑涂料的性能及生产研究

　　孙顺杰
　　
　　（广东龙湖科技有限公司北京技术中心，北京100076）
　　
　　摘要:研究了水性干粉建筑涂料的原料组成和生产工艺，通过对比试验了解配方中颜填料、可再分散胶粉以及功能助剂等对涂料性能的影响，生产、使用工艺简单，可制备出遮盖力强、优异耐擦洗性和耐水性等特点的产品。由于该产品完全采用水分散，具有便于运输、优异环保性和便于施工的特点。
　　
　　关键词:干粉建筑涂料;配方设计;影响因素;性能;环保
　　
　　0前言
　　
　　近年来，我国建筑涂料得到了迅速发展，产品研发也朝着水性化、高固含量、低VOC等方向发展。作为重要的水性涂料品种，乳胶漆由于使用方便、易于调色、耐水性好等特点，在涂料市场上特别是家装市场占有绝对份额。但由于其是水性分散体系，固含量大多在45%～55%，其余均为水分和易挥发性物质，对于包装和运输造成较大浪费。另外考虑到乳液成膜、冬季防冻等因素，乳胶漆中一般会添加成膜助剂、乙二醇、氨水等添加剂，成为其VOC的主要来源,造成了环境污染。相对于乳胶漆，干粉建筑涂料具有生产方便、零VOC、便于包装运输等优点，逐渐得到了大家的重视。在干粉建筑涂料领域，日本在这方面起步较早，1980年就申请了相关专利。我国这方面的研究大约开始于20世纪90年代，由于受当时原材料的限制，发展较为缓慢，大多采用聚乙醇类产品作为主要成膜物质，产品品种主要有仿瓷涂料、内墙腻子等，产品普遍低档化，其耐水性、耐候性差，不能适应外墙装饰的要求。最近几年来，由于可再分散胶粉和各种新型建材添加剂的出现，干粉建筑涂料质量有了很大发展，但还是存在气泡多、流平性差、分散困难以及调色稳定性差等问题，施工时与乳胶漆相比，也存在一定差距，因而研制一种施工方便、耐水性好、贮存稳定、性能与乳胶漆接近的建筑用干粉涂料意义重大。
　　
　　1水性干粉建筑涂料配方设计
　　
　　同乳胶漆一样，干粉建筑涂料主要原材料有成膜物质、颜填料和功能助剂等，其中成膜物质主要是可再分散乳胶粉，它是高分子聚合物乳液经喷雾干燥,以及后续处理而成的粉状热塑性树脂。现在市场上常见的可再分散乳胶粉品种有:醋酸乙烯酯与乙烯共聚胶粉（Vac/E）、乙烯与氯乙烯及月桂酸三元共聚胶粉（E/VC/VL）、醋酸乙烯酯与乙烯及高级脂肪酸乙烯酯三元共聚胶粉（Vac/E/VeoVa）。目前市场也出现了丙烯酸乳胶粉，其耐候性、耐水性等性能有了很大提高。作为干粉建筑涂料的主要成膜物质，乳胶粉应具有一定的白度，较好的流动性，较好的黏结性能和良好的分散性，另外贮存时应有较好的抗结块功能，避免与其他粉料受潮结块。一般来讲，可再分散乳胶粉添加量越大，涂料耐水性、耐擦洗性、耐候性等性能都会提高，但考虑成本因素，添加量一般在10%～20%。可用于涂料中的颜填料种类众多，不同的颜填料对涂料的光泽、耐候性影响较大，其中白色颜料以钛白粉性能最为优异，具有遮盖力强、明度值高、易于分散等优点。其他有色颜料比如氧化铁系列耐候性能良好，吸油量较低，易于分散。应用于涂料的填料，常见的种类有重钙、硅灰石粉、云母、滑石粉、高岭土、白云石等。干粉建筑涂料对助剂性能要求较高，首先要求是粉体材料，另外要求添加剂易于分散，具有一定的流动性。常见的助剂有分散剂、消泡剂、木质纤维、纤维素醚、触变润滑剂等。另外为了提高产品性能，还可以添加粉末有机硅疏水剂、抗菌剂等特殊添加剂，改善涂料耐水性、抗菌性等。分散剂也叫润湿分散剂，是干粉建筑涂料生产过程中的关键原材料，分散剂本身应具有高效的分散性及较好的流动性。分散的效率将直接影响涂料的许多关键性能，如涂料的加水量、黏度和贮存稳定性、施工性等。特别是有色体系中，分散剂的效率将影响涂料的颜色展色性，均匀性以及是否浮色发花等。分散剂种类繁多，按成分来分，主要有聚丙烯酸盐类和聚磷酸盐类，但目前市场销售的产品绝大多数为液体，粉体分散剂相对较少，且多为进口产品。消泡剂也是比较关键的原材料，其类型和添加量会影响涂膜外观。好的消泡剂具有较强的消泡能力和持久效率。常见的消泡剂种类有有机改性聚硅氧烷类、高级脂肪醇类、矿物油类等。为了获得较好的施工性和贮存稳定性，需要添加合适的增稠剂。常见的增稠剂有纤维素醚、膨润土和触变润滑剂，可以使涂料在低剪切状态下有较高的黏度，获得比较好的贮存稳定性，同时在正常施工时减少滞刷感，减少飞溅。木纤维的加入，可延长涂料开放时间、改善施工性和防止涂膜初期开裂。综合以上因素，基础配方设计如表1所示。

　　表1外墙建筑干粉建筑涂料基础配方

　　白色涂料配方中，颜料采用钛白粉。有色涂料中，采用m(钛白粉)∶m(氧化铁红)=4∶1的比例。为了获得较好的遮盖力和稳定性，填料采用两种不同的粉料搭配。施工前，将部分的水加入到容器中，然后慢慢加入粉体，搅拌速度控制在750r/min（接近工地现场电动搅拌机速率）,考虑施工实际情况，搅拌时间控制在15min，然后加入剩下的水调节至合适的黏稠度。

　　 　　2试验部分
　　
　　2.1原材料及测试仪器
　　
　　原材料:可再分散乳胶粉，5010N、5044N，硅烷憎水干粉建筑PowerA，德国Wacker;颜料:钛白粉R595,美礼联;氧化铁红颜料4110,德国朗盛;消泡剂,AGITAN?P803,德国MUNZING;六偏磷酸钠（NaPO3）6，市售品;纤维素醚，250HBR,美国Aqulon;木纤维，BE600/30U,德国JRS;触变润滑剂，OPTIBENT?602,美国ROCKWOOD;填料，国产。试验测试仪器:C84-Ⅱ对比率仪、JTX-Ⅱ耐洗刷仪、耐沾污测定仪（上海现代仪器公司），WGG60数显光泽度仪;高速分散机;色差仪:美能达公司D2600型;紫外灯箱，功率500W，河南建材院。
　　
　　2.2涂料性能检测方法
　　
　　耐水性:按照GB/T1733-1993甲法规定进行。
　　
　　耐碱性:按照GB/T9265规定进行。
　　
　　耐洗刷性:按照DIN53778规定进行:测试前涂料照射200hQUV-B，并进行喷淋处理。
　　
　　耐紫外光稳定性:将制备好的涂料样板养护7d后，放入紫外灯箱中照射100h，冷却后取出观察表面粉化状况。
　　
　　黏度测试:采用NDJ-1旋转黏度计测试。
　　
　　3试验结果与分析
　　
　　3.1颜填料的选择
　　
　　涂料中常见的颜填料基本性能如表2、表3所示。

　　表2颜料基本性能

　　表3常见填料基本性能

　　填料种类密度/(g/cm3)吸油量(g/100g)特点重质碳酸钙2.7010～25粒状结构，易分散,成本低白云石2.7015～50稳定性好，提高耐候性重晶石4.3～4.510～15粒状结构，不易起白霜，易沉降云母2.7～3.040～70提高涂膜透水性、防龟裂硅灰石2.7～2.820～25消光，耐磨，可提高涂膜强度滑石粉2.7～2.830～50改善涂料流平性和施工性能高岭土2.5～2.650～95提高干遮盖，悬浮性好干粉建筑涂料中，颜填料应具有较低的吸收量，以保证有较好的分散性。从以上可以对比看出，白色颜料中金红石型钛白粉比锐钛型钛白粉具有较低的吸油量，容易分散，同时具有更好的折射率，遮盖力强，所以更适合应用于建筑干粉建筑涂料中。氧化铁红相比较氧化铁黄，遮盖力好，更容易分散。根据以上原则，填料适合选择重质碳酸钙、白云石和硅灰石等，高岭土、滑石粉等虽然一定程度上能改善涂料贮存稳定性或提高流平性，但综合考虑不太适合建筑干粉建筑涂料中。另外按照表4选择不同的颜填料比例制备涂料，经过一段时间户外曝晒试验，测试其对比率、变色以及分化程度，结果如表4。

　　表4不同颜填料比例对涂料色差、粉化程度的影响

　　通过以上可以看出，当颜填料比例在3∶7或以上时，涂料对比率达到优等品要求，色差变化少，粉化程度比较轻微。因此，涂料配方设计中可选择颜料∶填料=3∶7或以上，填料通常选用两种或以上的吸油量低的粉料复配使用，如重质碳酸钙、白云石、硅灰石等。为了保证涂料细度和分散性，粉料细度不宜过粗或过细，一般选择在600～1000目范围内。
　　
　　3.2润湿分散剂对涂料性能的影响
　　
　　试验中，选用了不同的分散润湿剂，其基础性能如表5。

　　表5不同润湿分散剂

　　选取500g干粉建筑，配比为m(钛白粉)∶m(重质碳酸钙)∶m(硅灰石)=1∶1∶1，润湿分散剂预先与以上粉料混合均匀，在高速分散状态下缓慢往水中添加，制备70%固含量的浆体，分散30min后，测试浆体黏度。结果如图1。

　　图1不同分散剂分散效率

　　 从图1可以看出，原本在砂浆体系应用较好的分散剂A不适合使用在干粉建筑涂料体系中，随着用量的增加，浆体黏度初期略微下降，但后期反而增加。分散剂B、C、D添加到颜料浆体中，加到一定用量黏度会有突然下降的现象，可称之为临界点用量。B的临界点用量为0.1%,C和D的临界点用量均为0.2%。根据涂料分散的经验，分散剂实际添加剂用量一般为临界点用量的1.5～2倍。分散剂对颜料浆体贮存稳定性、起泡性等性能的影响如表6所示。

　　表6分散剂对颜料浆体其他性能的影响

 　　通过表6可以看出，不同的分散剂具有不同的分散效率，其中A不适合在干粉建筑涂料中使用。C添加后，颜料浆体气泡较多，具有一定刺激气味。D效率较高，但主要是无机成分，后期稳定性较差。综合考虑，B具有良好的分散效率，没有气味，而且起泡性和稳定性好，是相对较好的分散剂。
　　
　　3.3可再分散乳胶粉对涂料性能的影响
　　
　　分别添加5%、10%、15%、20%（涂料重量）的5010N、5044N，测试涂料的耐擦洗性能、光泽度以及耐水性、耐碱性等，测试结果如图2、图3所示。

　　图2可再分散乳胶粉对光泽度的影响

　　图3可再分散乳胶粉对耐擦洗性的影响

　　从图2、图3可以看出，随着可再分散乳胶粉添加量的增加，涂料耐擦洗性、光泽度均随之增加。在相同添加量情况下，5010N比5044N具有更好的耐擦洗性，但光泽度较低。5010N的Tg为16℃，具有比5044N（-7℃）高的玻璃化温度，涂膜相对要硬，因而具有较好的耐擦洗性能和耐沾污性。在干粉建筑涂料中，可添加木质纤维在提高耐擦洗性能和贮存稳定性。由于木纤维能在涂料中形成特殊的三维框架结构和毛细作用，能有效提高涂膜耐擦洗性能和初期抗开裂性。在耐水性和耐碱性测试中，除了5%添加量的涂料未过标准，其余样品均符合标准。在干粉建筑涂料中可通过添加有机硅干粉建筑来改善涂膜的耐水性。通常添加0.1%～0.3%的硅烷粉末如瓦克公司的PowderA能有效提高涂膜的憎水性和耐水性。

　　 　　3.4消泡剂、增稠剂等对涂料性能的影响
　　
　　试验中，测试了不同消泡剂加量对干粉建筑涂料外观的影响，结果如表7。

　　表7消泡剂加量对涂膜外观的影响

　　A是矿物油类消泡剂,B的活性含量为100%的有机改性聚硅氧烷消泡剂。在本试验中可以看出，B比A消泡效果要好，但易产生“油缩”等外观病态，根据试验结果可选择0.2%的A和0.2%的B复合添加，具有较好的消泡效果。可用于干粉建筑涂料的增稠剂类型有纤维素醚和膨润土，现在市面上暂还没有粉末状态的聚丙烯酸和缔合型增稠剂。膨润土具有悬浮性好，较好增稠性和触变性等，但增稠效率不高。但改性后的膨润土可达到纳米级别，成为片状结构的白色干粉建筑，在水中可形成高黏度的透明胶体。即使在很低的浓度下，也具有优异的触变性和屈服值。纤维素醚种类较多，根据保水效果、溶解性、增稠效果以及抗飞溅性，多采用羟乙基纤维素醚（HEC）。木纤维由于其特殊的三维结构以及“锁水”功能，也可用于干粉建筑涂料提高其防沉性和耐擦洗性能。表8所示为纤维素醚等不同材料对涂料流变性能的影响。

　　表8纤维素醚等对涂料性能的影响

　　从表8可以看出，HEC对涂料黏度影响较大，随着HEC加量的增加，涂料黏度变化较大，耐擦洗性能有一定提高。考虑涂膜耐水性，HEC添加量在0.3%时具有较好的状态。而改性膨润土的加入能极大提高涂料的触变性，这有助于涂料的贮存稳定性，但在一定程度下影响涂料的流平性。木纤维的加入能提高涂料的黏度，并有效改善耐擦洗性。
　　
　　3.5搅拌工艺对涂料性能的影响
　　
　　在干粉建筑涂料使用过程中，考虑到使用现场实际情况，多采用手持式电动搅拌枪进行人工搅拌，转速大约700～800r/min，搅拌时间应不超过15min。根据实际搅拌观察，按照以上方法搅拌后，干粉建筑涂料里有少量颗粒尚未完全分散。延长搅拌时间15min或采用快速搅拌枪（转速约为1500r/min）搅拌15min，可得到均匀状态的涂料，施工性良好。为了在以上条件下得到均匀的涂料分散体，提高效率，涂料配方应进一步调整，如选用更低黏度、溶解性更好的纤维素醚等，需进一步试验确定。
　　
　　4结语
　　
　　通过对干粉建筑涂料中颜填料、可再分散胶粉以及功能助剂中分散剂、增稠剂等对比试验，可制备出遮盖力好，耐擦洗性能、耐水性等性能满足国家标准的产品，由于干粉建筑涂料具便于运输、施工，环保性优异等特点，具有广泛的应用前景。