二氧化硅消光劑在水性涂料中的應(yīng)用研究_章奕

1、第 49 卷第 6 期2011 年 6 月第 6 期上海涂料SHANGHAI COATINGSVol. 49 No. 6Jun. 20117二氧化硅消光劑在水性涂料中的應(yīng)用研究章 奕 陳菲斐 （上海涂料有限公司技術(shù)中心，200062）摘 要：探討了影響二氧化硅消光劑在水性涂料中消光效果的因素，并對消光劑的沉降性進行了比較。介紹了二氧化硅消光劑的分散方法和添加方式。關(guān)鍵詞：二氧化硅消光劑；水性涂料；應(yīng)用研究中圖分類號：TQ 630.4 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-1696（2011）06-0007-050 引言當(dāng)一束平行光線射到光潔的物體表面上，會產(chǎn)生鏡面反射，其反射角等于入射角。當(dāng)入射

2、光到達微小凹凸不平的表面上，則發(fā)生漫散射，從而產(chǎn)生了消光的外觀。漆膜消光后會給人以優(yōu)雅和舒適的感覺，質(zhì)感強，而且漆膜表面消光之后可隱蔽輕微的漆膜缺陷，使外觀均勻一致，深受人們的青睞。消光劑的作用就在于使涂料的干膜表面產(chǎn)生肉眼看不出的微粗糙度，粗糙的干膜表面使散射光比反射光多，這樣反映在人們眼睛里的就是消光表面。目前，使用最多的消光劑就是無定型二氧化硅，其折射指數(shù)（約1.46）與涂料中所用的大部分樹脂的折射指數(shù)相近，在清漆中使用具有更佳的光學(xué)性能。而隨著全世界環(huán)保意識的不斷增強，水性涂料的產(chǎn)品會越來越多，因此二氧化硅消光劑在水性涂料中的應(yīng)用研究很有意義。本文探討了影響二氧化硅消光劑在水性涂料中消

3、光效果的因素，并對消光劑的沉降性進行了比較。介紹了二氧化硅消光劑的分散方法和添加方式。Dow，Alberdingk；助劑：BYK；助溶劑：Dow；光澤儀：BYK Gardner；多功能分散機；線棒涂布器；測厚儀。1.2 實驗方法（1） 按實驗配方配制清漆（丙烯酸酯類）后，加入消光劑，用分散機以轉(zhuǎn)速1 000 r/min分散15 min。使用線棒涂布器進行涂膜，待涂膜干燥后，按照GB 97541988色漆和清漆 不含金屬顏料的色漆漆膜之20°、60°和85°鏡面光澤的測定，用光澤儀測定其60°光澤。（2） 取添加了消光劑的水性清漆試樣，測定貯存前的60&#

4、176;光澤；在40條件下，試樣放置1周，取上層清液測定60°光澤，并手工攪拌比較沉淀情況。2 結(jié)果與討論二氧化硅顆粒不是實心顆粒，在微觀結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)微型海綿狀，存有大量孔隙，孔隙中充滿空氣。該多孔材料的孔隙率，也可用孔體積來表示，即二氧化硅顆粒內(nèi)部孔隙的體積。圖1為添加不同用量、不同孔隙率消光劑（粒徑均為6.0 m，且經(jīng)過有機表面處理）后，測得的漆膜60°光澤比較（30 m膜厚，室溫干燥，丙烯酸乳液體系），可直接反映出消光劑的消光效率。1 實驗部分1.1 主要原料及儀器二氧化硅消光劑：Grace，Ineos；水性樹脂：收稿日期 2011-04-108上海涂料第 49 卷二氧

5、化硅可以用有機物（主要是高分子蠟）進1162C（孔隙率1.2 mL/g）；2HP240（孔隙率1.8 mL/g）；3C906（孔隙率2.0 mL/g）行表面處理，制得容易分散的消光劑，來防止沉降，特別是防止低黏度清漆在貯存過程中出現(xiàn)硬沉淀。同時經(jīng)過蠟處理的二氧化硅消光劑有助于改善其它表面性能（如抗擦傷性能），多用于木器清漆及工業(yè)罩光涂料中。一般涂料使用未經(jīng)處理的二氧化硅消光劑，因為其中已有顏填料，為了防止其沉降往往已經(jīng)采取了措施，不存在消光劑沉降的問題。另外，未經(jīng)處理的二氧化硅對基料的黏度有影響，能賦予涂料體系以觸變性而起到防止顏填料沉降的作用。圖3為添加不同用量的經(jīng)表面處理和未經(jīng)表面處理消光

6、劑（孔隙率和平均粒徑都相同）后，測得的漆膜60°光澤比較（30 m膜厚，室溫干燥，丙烯酸乳液體系）。圖1 孔隙率對消光效率的影響Figure 1 The effects of porosity on flatting efficiency二氧化硅的平均粒徑及其粒徑分布對于涂料消光起重要作用。其粒徑分布越窄越好，粒徑分布的范圍寬，表明有大量的“細”和“粗”顆粒存在。這兩類度；“粗”不同用量、膜厚，表面處理過的消光劑的消光效率，比未經(jīng)處理的樣1C805（平均粒徑5.0 m）；2C807（平均粒徑7.0 m）；3C809（平均粒徑9.0 m）品稍低。圖4為同一種消光劑，且用量一定時，在不同

7、干圖2 粒徑對消光效率的影響Figure 2 The effects of particle size on flatting efficiency第 6 期章 奕，等：二氧化硅消光劑在水性涂料中的應(yīng)用研究9膜厚度下測得的漆膜60°光澤（添加2%的C807消光劑，室溫干燥，丙烯酸乳液體系）。圖6為添加不同用量的同一種消光劑至不同水性樹脂體系中，測得的漆膜60°光澤比較（室溫干燥，30 m膜厚）。1室溫干燥；280烘干1聚丙烯酸酯乳液；2水性聚氨酯分散體圖6 不同樹脂體系對消光效率的影響Figure 6 The effects of different resin syste

8、m on flatting efficiency據(jù)文獻表明：固化機理的不同，交聯(lián)度的高低以及固含量的不同，也會影響到消光效果，在此不作深入研究。2.3 消光劑的沉降性能比較5種不同二氧化硅消光劑（基本參數(shù)見表1）按照實驗方法（2）所得的沉降性比較見表2（消光劑用量均為3%，30 m膜厚，室溫干燥，丙烯酸乳液體系）。圖5 干燥方法對消光效率的影響Figure 5 The effects of drying methods on flatting efficiency由圖5可見：漆膜自然干燥與烘干測得的漆膜60°光澤有一定的偏差。在添加較少的消光劑時，烘干的漆膜光澤偏低，而消光劑用量較高

9、時，則烘干的漆膜光澤偏高。這是因為高光漆膜烘干時表面張力10表1 5種二氧化硅消光劑的基本參數(shù)上海涂料第 49 卷消光劑的加入有兩種方式：直接添加法和預(yù)制消光漿添加法。直接添加法的工藝簡單，對任何體系，可根據(jù)漆膜需要達到的光澤來確定消光劑的用量，且可提高用低固含量樹脂（如PUD等）配制涂料的固體分，從而增加漆膜的豐滿度。但由于水性樹脂的浸潤性差，消光劑直接添加在水性樹脂中較溶劑型體系難分散，需要更長的分散時間，這可能會使機械穩(wěn)定性差的水性樹脂產(chǎn)生凝聚物甚至破乳。預(yù)制消光漿添加法可在較短的時間內(nèi)將消光漿分散均勻，提高了生產(chǎn)效率，尤其適用于規(guī)模化生產(chǎn)。但消光漿中消光劑的濃度一般低于20，孔隙率高的

10、消光劑配制的消光漿的有效濃度更低。若配制低光澤的涂料，將會嚴(yán)重降低涂料的固體分，而且消光漿中含有其它組分，添加到涂料中后，會影響涂料的最終配方。另外，實驗中發(fā)現(xiàn)：使用相同用量的消光劑，這兩種不同的添加方式，測得的漆膜60°光澤也不相同。圖7為不同添加方法對消光效果的影響（30 m膜厚，室溫干燥，丙烯酸乳液體系）。表2 貯存后不同消光劑的光澤變化以及沉降性比較Table 2 The comparison of gloss changes and settleability of由表2可見：利用貯存前與貯存后的光澤變化以及貯存后沉淀的多少兩種方法測得的消光劑的沉降性結(jié)果一致。消光劑的防沉

11、降性由好至差順序為：C803>C805>C907>C807>HP260。結(jié)合表1中的參數(shù)可知：消光劑的平均粒徑越小，孔隙率越高，越不容易沉降；而經(jīng)過有機表面處理的消光劑比未處理的不容易產(chǎn)生沉降。消光劑的分散是指將其顆粒的聚集體解聚、潤濕、均勻分布和穩(wěn)定的過程。像所有顏填料一樣，二氧化硅消光劑在貯存和運輸過程中易形成聚集體，這是由于強吸引力和擠壓力作用，細小顆粒間的外表面趨向最小而相互凝聚成聚集體。與一般顏填料不同，消光劑的分散并不需要采用強剪切力的設(shè)備，若采用砂磨機、球磨機或三輥機來研磨，則會使消光劑過度分散，反而降低消光效果。使用經(jīng)蠟表面處理的二氧化硅消光劑應(yīng)注意避免

12、溫度超過50。分散過程中，消光劑顆粒聚集體的解聚主要發(fā)生在攪拌圓盤的邊緣，以及消光劑顆粒之間的相互撞擊或摩擦而導(dǎo)致聚集體的解聚。消光劑的濃度越高，顆粒之間相互撞擊或摩擦的頻率越高；消光劑的濃度越高，體系的黏度也會越高，黏1直接添加法；2預(yù)制消光漿添加法圖7 不同的添加方法對消光效率的影響Figure 7 The effects of different addition methods on flatting efficiency由圖7可見：采用預(yù)制消光漿的添加方式，消光效率有所下降。原因可能是預(yù)制消光漿使得消光劑分散得更為充分，平均粒徑減小，降低了涂膜表面的粗糙度，消光效果減弱。第 6 期章

13、 奕，等：二氧化硅消光劑在水性涂料中的應(yīng)用研究113 結(jié)語（1） 二氧化硅消光劑的孔隙率和粒徑越大，消光效果越好；未經(jīng)表面處理過的二氧化硅消光劑比表面處理過的消光效果好。（2） 干膜厚度越厚，二氧化硅消光劑的消光效果越差；在室溫干燥與80烘干這兩種不同的干燥條件下，二氧化硅消光劑有著不同的消光效果；二氧化硅消光劑在水分散體系中比乳液體系中容易消光。（3） 二氧化硅消光劑的平均粒徑越小，孔隙率越高，越不容易沉降；經(jīng)過有機表面處理的消光劑比未處理的不容易產(chǎn)生沉降。（4） 二氧化硅消光劑的分散是指將其顆粒的聚集體解聚、潤濕、均勻分布和穩(wěn)定的過程，充分的分散是必須的，但是過度分散反而會降低消光效果。（

14、5） 二氧化硅消光劑有兩種添加方式：直接添加法和預(yù)制消光漿添加法，兩者各有特點，實驗發(fā)現(xiàn)，采用預(yù)制消光漿的添加方式會使消光效果減弱。參考文獻1 涂料工藝編委會.涂料工藝M.第三版（上）.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，19972 徐峰.二氧化硅消光劑及應(yīng)用J.現(xiàn)代涂料與涂裝，2001（2）：39-403 梁磊，等.水性樹脂體系中二氧化硅消光劑的評價及應(yīng)用J.化學(xué)建材，2005（5）：11-144 林曉峰.談?wù)勏鈩┑倪x擇J.涂料工業(yè)，1998（3）：38-405 林曉峰，等.新產(chǎn)品環(huán)保型涂料的消光技術(shù)J.涂料工業(yè)，2003（10）：47-496 David J Kent.消光劑的添加與分散工藝探討J.上海涂料，2004（12）：12-15Application Research of Silica Matting Agents in Water Borne CoatingsZHANG Yi，CHEN Fei-fei（Technical Center of Shanghai Coatings Co.，Ltd.，Shanghai，200062，China）Abstract：The influence factors of flatting efficiency of silica matting agents in water