多彩涂料抗渗色与耐水白性能的影响因素研究

黄祖炜 （亚士漆（上海）有限公司，上海 201717）

0 引言

水包水多彩仿石涂料作为目前市面上比较流行的外墙装饰材料，其优点在于样式多，施工简便，仿石效果逼真；同时相较于石材，水包水多彩涂料成本低，且不存在剥落产生高空坠物的风险。但是其也存在诸多弊端，如后增稠以及贮存稳定性较差就一直困扰着技术人员，与此同时，在工业化生产过程中，彩色粒子的大小控制以及重复性也制约着水包水多彩仿石涂料的生产规模。国内目前水包水多彩仿石涂料年产量在1万t以上的厂家屈指可数［1-5］。

1 试验部分

1.1 试验原料

乳胶，缔合型乳胶A、非缔合型纯丙乳胶B，反应性乳胶C；钛白粉R-699，龙蟒佰利联集团股份有限公司；煅烧高岭土，忻州金诚高岭土制品有限公司；保护胶S-482，浙江华特新材料有限公司；羟乙基纤维素，亚什兰化工（南京）有限公司；其他水性助剂，市售。

1.2 试验仪器

SFJ-400高速分散机、STM-V斯托默黏度计，上海现代环境工程技术有限公司；立式鼓风干燥箱，上海虔钧科学仪器有限公司；立式双开门冰箱，海尔集团；多彩涂料专用喷枪W-77，上海岩田实业有限公司。

1.3 水包水多彩涂料的制备

1.3.1 配方

水包水多彩涂料的基础配方见表1。

表1 水包水多彩涂料的基础配方Table 1 The formulation of water-in-water multicolor coatings

1.3.2 制备工艺

基础漆（组分A）的制备：按照表1中的配方在反应釜中依次加入原材料至粉料结束，高速（1 200 r/min）分散20 min；将搅拌调至中速（800 r/min），加入乳胶及剩余助剂，匀速分散10 min，加入消泡剂，低速（500 r/min）分散5 min后，将基础漆的黏度调至90～100 KU。

基础漆调色：在制备好的基础漆中根据需求添加色浆，调制成不同的颜色，加入部分保护胶，分散均匀后，放置备用。

保护胶（组分B）的制备：按照配方将定量的S-482投入去离子水中（冬季时控制去离子水的温度不低于25 ℃），注意S-482需缓慢加入，防止其大块结团，然后加入杀菌剂，高速（1 200 r/min）分散50 min，观察S-482完全溶解后，放置备用。若冬季静置长时间后使用，使用前需加热至20 ℃及以上。

连续相乳胶（组分C）的制备：按照配方加入去离子水和助剂，中速（800 r/min）搅拌20 min，加入乳胶，低速（500 r/min）分散均匀，检测连续相乳胶的黏度在120～130 KU，放置备用。

多彩成品漆的制备：按m（A）∶m（B）∶m（C）=50∶30∶20的比例将调色基础漆加入造粒保护胶中，使用平齿分散盘切割造粒，待粒子尺寸达到要求后，加入连续相乳胶，混合均匀，制得水包水多彩涂料。

1.4 性能检测

1.4.1 抗渗色性测试

将基础漆分成4等份，按照黄色：色浆含量3%，红色：色浆含量3%，黑色：色浆含量1%，复色：红1%，黄1%，黑0.5%配制成有色基础漆，将调色完成的基础漆与保护胶按质量比1∶1混合分散均匀后，静置30 min。用分散盘在转速300 r/min下切割造粒2 min，调整转速至500 r/min下切割造粒2 min，调整转速至800 r/min下切割造粒1 min，静置2 h，观察上层清液。根据上层清液的渗色程度，评定抗渗色等级，5级为最好，1级为最差，3级为合格。

1.4.2 多彩粒子的稳定性测试

将制备好的多彩涂料分成3等份，1份放置于55 ℃的鼓风干燥箱内，热贮存1周；1份放置在室外空旷处，贮存1个月；1份放置在5 ℃冰箱中，贮存1周，观察粒子的变化及施工后的变化。

1.4.3 初期耐水白及恢复测试

将刚喷涂好水包水多彩涂料的样板放置于55 ℃的烘箱中干燥2 h，取出后泡水2 h，考察其耐水白性，并评定等级，1级最差，3级合格，5级最好。取出样板，并观察其初期恢复性。水泥板的尺寸为297 mm×210 mm×8 mm。

1.4.4 其他性能测试

按照化工行业标准HG/T 4343—2012《水性多彩建筑涂料》测定涂料的其他性能。

2 结果与讨论

2.1 水包水多彩涂料的性能测试结果

制备的水包水多彩涂料的性能测试结果见表2。

表2 水包水多彩涂料的性能测试结果Table 2 Performance test results of water-in-water multicolor coatings

2.2 保护胶对水包水多彩粒子的影响

多彩涂料所使用的保护胶是一种人工合成的含有锂、镁、钠元素的层状硅酸盐矿物，其分子式为Na0.3+xLi0.3+yMg2.7-ySi4O10（OH）2，其中0≤x≤0.4，0≤y≤0.2。试验所采用的S-482保护胶是一款有机改性的硅酸镁锂，其修饰的羟基含量较少，同时在其中添加了1价的钠离子，在分散过程中发生水合作用，大量的水渗透进入片层的硅酸镁锂中，由于电荷之间的斥力以及分子间的范德华力，堆积形成的块状保护分散形成初始的单一片层；片层与片层之间相互搭接，形成新的三维立体结构—“卡屋结构”。水合过程如图1所示。

图1 保护胶水合形成“卡屋结构”的过程Figure 1 The process of protective colloid form“House of Cards”structure

基础漆（组分A）在调色之后会加入部分的保护胶，保护胶溶液中的硅酸镁锂与纤维素中的羟基发生“凝胶化”反应，即加强了保护胶水合形成的“卡屋”结构，同时纤维素与保护胶发生弱氢键交联，可加强涂料的抗渗色性能。其反应过程如图2所示。

本研究选用8%浓度的保护胶，首先考虑到造粒保护胶与基料保护胶统一，减少生产工序，有利于生产的管控；二是考虑基础漆中保护胶含量较少，且要与纤维素反应需要有一定的活性。设计不同的保护胶用量（表3），考察其对水包水多彩粒子的影响，结果见表4。

图2 纤维素与保护胶发生交联反应的过程Figure 2 The process of crosslinking reaction betweencellulose and protective colloid

表3 基础漆与保护胶的不同配比Table 3 Different ratios of base paint and protective colloid

表4 基础漆/保护胶不同配比对多彩粒子的影响Table 4 The effect of different ratio of base paint and protective colloid on multicolor particles

由表4可见，随着基础漆中保护胶含量的增加，多彩粒子的抗渗色能力逐渐变好，当保护胶用量达到10%以上时，抗渗色试验中上层清液透明，几乎无法观察到色浆渗出，但是造粒时，粒子状态出现球状，且粒子强度极大，造粒过程较为困难，不利于后期的施工，而且要达到同样的施工效果需要更多的涂料，提高了施工成本。

这个现象是由于纤维素中的羟基会与保护胶中修饰处理的羟基发生“凝胶化”反应，与此同时，氢氧之间也形成了弱氢键，大大加强了保护胶自身的“卡屋”结构。随着保护胶用量的提高，消耗的纤维素中的羟基增多，调色基料中的“卡屋”结构加强，粒子强度也会加大，造粒时纤维素中的羟基与造粒保护胶的结合变少，造粒切片形成的粒子不能铺展开，从而形成球状。球状粒子在后期贮存中的变化会小于片状粒子，但是不利于施工喷涂。

当基础漆中保护胶用量为10%时，水包水多彩粒子的抗渗色能力、粒子的形态、强度均较佳。

2.3 基础漆乳胶对水包水多彩粒子的影响

乳胶是涂料的主要成膜组分，在水包水多彩涂料中主要分为两部分，一部分在基础漆中起到彩色粒子的支撑骨架作用，另一部分在连续相中起到成膜作用。在基础漆中，缔合型乳胶可以与纤维素发生缔合作用，对基础漆中保护胶水合形成的“卡屋”结构进行加强，提高其抗渗色能力［6］，其过程如图3所示。

图3 纤维素、乳胶与保护胶发生交联反应的过程Figure 3 The process of cross-linking reaction among cellulose，latex and protective colloid

本研究在基础漆中选择了一款缔合型乳胶A与一款非缔合型纯丙乳胶B搭配使用，考察了其不同组合（表5）对多彩粒子的影响，结果见表6。

表5 不同的乳胶组合Table 5 The different latex combinations

表6 不同乳胶组合对多彩粒子的影响Table 6 The effect of different latex combinations on multicolor particles

由表6可见，随着基础漆中缔合型乳胶（乳胶A）含量的提高，彩色粒子的抗渗色能力逐渐变好，当缔合型乳胶与非缔合型乳胶的比例在1∶1时，抗渗色试验中上层清液达到合格要求，继续提高缔合型乳胶的用量，造粒时，粒子状态出现球状，且粒子强度极大，造粒过程较为困难，不利于后期的施工，而且要达到同样的施工效果需要更多的涂料，提高了施工成本。考虑到缔合型乳胶与非缔合型乳胶的成本，设计了试验方案14，在方案11的基础上，整体提高了乳胶在基础漆中的含量，达到了与方案12相同的效果。当基础漆中乳胶A与乳胶B的比例为10%∶15%时，水包水多彩粒子的抗渗色能力，粒子的形态、强度较佳，同时基础漆黏度适中，适合大规模生产应用。

2.4 连续相乳胶及增稠体系对水包水多彩粒子及涂料贮存稳定性的影响

连续相乳胶在多彩涂料中主要起一个连续成膜的作用，同时为了保证彩色粒子的悬浮性，还会在连续相乳胶中加入增稠剂，稳定多彩涂料的成品黏度。本研究在连续相中选择一款反应性乳胶C与一款非缔合型纯丙乳胶B搭配使用，增稠剂选择了碱溶胀增稠剂DR-72。试验方案如表7所示。

表7 连续相组成试验方案Table 7 The test scheme for continuous phase composition

添加不同量的DR-72，可将水包水多彩涂料制备初期的黏度稳定在70 KU左右，并保证彩色粒子的悬浮状态。不同试验方案的影响见表8。由表8可见，单独使用反应性乳胶C，虽然在初期耐水白性能上具有很好的效果，但是反应不可控，在后期贮存过程中，几乎无法施工；而完全不用反应性乳胶C，后期的增稠效果仅靠单一的增稠剂，则在低温贮存过程中，体系黏度上升过快，同时在高温时，又会出现浮水现象，这是增稠剂与乳胶之间的缠绕所致。DR-72的添加量不宜超过0.5%。

表8 不同试验方案对涂料初期耐水白性与贮存稳定性的影响Table 8 The effect of different test schemes on initial water whitening resistance and storage stability of coatings

当连续相中乳胶C与乳胶B比例为30%∶20%，且碱溶胀增稠剂DR-72的用量为0.5%时，水包水多彩涂料的耐水白性及恢复能力较佳，成品漆的贮存稳定性与施工性亦较佳。

3 结语

（1） 当基础漆中保护胶用量为10%时，水包水多彩粒子的抗渗色能力，粒子的形态，强度较佳。

（2） 当基础漆中缔合型乳胶A与非缔合型纯丙乳胶B的比例为10%∶15%时，水包水多彩粒子的抗渗色能力、粒子的形态、强度较佳，同时基础漆黏度适中，适合大规模生产应用。

（3） 当连续相中反应性乳胶与非反应性乳胶的比例为30%∶20%，且碱溶胀增稠剂DR-72用量为0.5%时，水包水多彩涂料的耐水白性及恢复能力较佳，成品漆的贮存稳定性与施工性较佳。