水性色漿的配方設(shè)計(jì)

 近年來，隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，紛紛要求限制高VOC含量涂料的使用，歐共體更是制定標(biāo)準(zhǔn)，在2004年全面禁止有機(jī)溶劑的生產(chǎn)、銷售和使用，促進(jìn)了涂料工業(yè)向低毒、低污染型涂料方向發(fā)展，尤其是塑料玩具涂料的健康、安全問題變得日益重要。開發(fā)水性塑料玩具涂料勢(shì)必將會(huì)更符合時(shí)代要求，最終取代溶劑型涂料。水性塑料玩具涂料要求品種多樣，色彩繽紛，外觀亮麗，相對(duì)耐用，安全環(huán)保。水性色漿也稱為顏料分散體，是水性塑料涂料必配的著色材料，是以水為分散介質(zhì)，把顏料粒子分散在水中制成的顏料漿，一般由水、粉狀顏料、表面活性劑、助溶劑、保濕劑等組成，根據(jù)使用和儲(chǔ)存的需要有時(shí)也會(huì)添加一些提高性能的助劑。優(yōu)秀的水性色漿必須與水性聚合物乳膠體相容性好、質(zhì)地均勻、不含交聯(lián)劑和烷基苯酚多乙二醇醚溶劑，在選材上應(yīng)選用具有優(yōu)良的耐候性、耐光、耐化學(xué)腐蝕及抗紫外線性能的優(yōu)質(zhì)顏料。成品水性色漿應(yīng)具有著色力強(qiáng)、流動(dòng)性好、長時(shí)間儲(chǔ)存不結(jié)塊、不沉淀、不返粗、固含量高、產(chǎn)品黏度穩(wěn)定、泡沫低、不風(fēng)干、遇冰凍可融化后再使用、不發(fā)霉、盡可能低的VOC等優(yōu)良性能。

本試驗(yàn)通過嚴(yán)格篩選及合理配方研制的無樹脂體系水性色漿，通用性強(qiáng)，儲(chǔ)存穩(wěn)定性良好，且在涂膜的豐滿度、硬度、耐磨性、光澤度、耐化學(xué)品性等物理化學(xué)性能方面不遜于溶劑型品種，在水性塑料玩具涂料中有很好的實(shí)用價(jià)值。

1試驗(yàn)部分

1．1 水性色漿的制備

以白色漿為例，配方見表1。

在400-500 r／min的攪拌速度下，按配方依次添加去離子水、分散劑，消泡劑，直至攪拌均勻，然后分批添加鈦白粉，加完后快速攪拌分散約20～30min，最后適當(dāng)添加防沉助劑，增加色漿的觸變性，分散均勻，清潔度合格后即可得水性白漿。

1．2 水性色漿及所制涂料涂膜的性能檢測(cè)(見表2)

2結(jié)果與討論

制作玩具的底材主要有塑膠、合金(以鋅合金為主)及木制品3大類，其中塑膠玩具超過70％，大多采用ABS、PS、HIPS、PVC、PC、PMMA、TPR橡膠和PE、PP等低表面張力的塑料底材，但由于其材質(zhì)的多樣性和復(fù)雜性，在附著力、涂膜硬度等方面難以達(dá)到統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，因此，合理搭配助劑，制備通用性強(qiáng)的水性色漿變得尤為關(guān)鍵。

2．1 顏料的選擇

滿足有害重金屬的限量要求是水性色漿中顏填料首要的選擇依據(jù)。一些國際知名的玩具行最新的標(biāo)準(zhǔn)中，都紛紛嚴(yán)格了8大重金屬的限量指標(biāo)。顏料的顯色是由光線對(duì)其發(fā)色基團(tuán)與助色基團(tuán)的作用結(jié)果，不同的顆粒外形及大小，將影響光線的反射程度，從而影響顏料的顏色性能，還影響色漿體系的遮蓋力、著色力、顏料的分散穩(wěn)定性，所以顏料外形及顆粒分布是影響顏料諸多性能的一個(gè)重要因裂到。圖1為高折射率白色顏料遮蓋力與顆粒粒徑的關(guān)系曲線。顏料顆粒的粒徑分布越窄，分散性就越好，平均粒徑越小，越不容易沉降，但是粒徑過小，容易發(fā)生絮凝，比表面積增大，表面自由能增大，粒子總有自動(dòng)減小表面積的趨勢(shì)，從而發(fā)生絮凝的機(jī)會(huì)也會(huì)增大，不利于分散。在設(shè)計(jì)水性色漿配方時(shí)，對(duì)不同產(chǎn)品應(yīng)控制一定的細(xì)度范圍。試驗(yàn)選用的鈦白粉顆粒均勻度好，遮蓋力著色力均好，降低了涂料成本。

2．2 消泡劑的選擇

由于水的表面張力大，水性涂料比一般的溶劑型涂料更易產(chǎn)生氣泡。氣泡通常是由液-氣交界處的活性成分所形成。這些表面活性分子層通常以分散的氣飽形態(tài)穩(wěn)定，不易被破壞。在施工過程中會(huì)帶入氣泡，對(duì)于較粗糙的基材表面也容易產(chǎn)生氣泡，這些因素都必須在選擇消泡劑時(shí)加以考慮。要達(dá)到理想的消泡效果，消泡劑應(yīng)具有較低的表面張力，不溶于發(fā)泡液體，應(yīng)以極細(xì)的顆粒均勻分布于發(fā)泡液體中。試驗(yàn)對(duì)消泡劑進(jìn)行了篩選，選用的消泡劑有BYK-024、BYK一028和Foamex 810，是在聚乙二醇中的憎水固體和破泡聚硅氧烷的混合物，并含有僧水性顆粒，消泡效果理想，涂膜也不會(huì)產(chǎn)生表面缺陷。礦物油型消泡劑由于對(duì)涂膜光澤有影響，一般不推薦使用。

2．3 濕潤分散劑的選擇

濕潤分散劑通過除掉顏料表面吸附的水和空氣，改變其極性，降低固／液之間的界面張力，使顏料粒子能夠快速、完全被濕潤，并使顏料分散體系穩(wěn)定。若使用得當(dāng)，不但能防止顏料沉淀，使色漿具有良好的儲(chǔ)存穩(wěn)定性，而且能改善涂膜流平性，是十分有效的表面助劑。通過篩選，選用了BYK-190、BYK-191、BYK-192等，是含顏料親和基團(tuán)的共聚物或溶液，助劑與水混合均勻后，再加入顏料，可以有效地降低表面張力而獲得優(yōu)良的濕潤、分散效果。

2．4 防沉劑的選擇

色漿中顏料產(chǎn)生沉降分層的原因是復(fù)雜的，涉及到分散體系組成物間的界面問題，分散系的黏性結(jié)構(gòu)及流變性問題，顏料粒子的沉降速度和沉降體積是受粒子的物性及分散介質(zhì)的黏度、密度，顏料粒子的潤濕性、表面活性及其他助劑，特別是表面活性劑等諸多因素支配的，在諸多因素中，主要是顏料粒子凝聚的問題，所以使分散后的顏料粒子不產(chǎn)生凝聚，保持穩(wěn)定的分散狀態(tài)，就不會(huì)產(chǎn)生沉淀分層，防沉最重要的是防止分散后的顏料粒子再度產(chǎn)生凝聚。減小顏料粒徑、減小液相和固相的密度差、增加黏度是防止沉降的主要途徑，其中最重要的是確保制造好的水性色漿懸浮體處于穩(wěn)定的分散狀態(tài)，不產(chǎn)生凝聚、沉降。另外，增加色漿黏度也是有限度的，最理想的是選擇一種既能防止沉降，又不影響涂料流平的助劑，所以廣泛使用觸變劑作防沉劑。試驗(yàn)中試用了BYK420(改性脲溶液)，以及Degussa公司的Rerosil200、Rerosil COK84等，這類助劑屬于氣相法二氧化硅助劑，表面有硅醇基，經(jīng)充分?jǐn)嚢璺稚?、硅醇基問形成氫鍵、產(chǎn)生立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，增加分散體系的黏度，產(chǎn)生觸變流動(dòng)性能從而起到防止沉降的作用，用量一般控制在0．5％～3％。

2．5水性色漿的相容性

從配方設(shè)計(jì)的角度考慮，遮蓋力、著色力與乳液的配套性等都是水性色漿的選擇和用量判斷標(biāo)準(zhǔn)。其中配套性是指顏料的分散性、色漿與乳液的相容性等因素對(duì)涂料整體性能的影響D1。良好的色漿應(yīng)和各種水性基準(zhǔn)物體系(高聚物乳膠體)都能有良好的相容性。如果水性色漿和乳液體系的相容性不理想，則會(huì)出現(xiàn)體系的黏度升高，顏色不易完全展現(xiàn)出來，顏料分散性差，色澤暗淡，容易引起浮色發(fā)花，涂料儲(chǔ)存一段時(shí)間就會(huì)出現(xiàn)絮凝和沉淀。為解決相容性問題，筆者使用本試驗(yàn)中自制的無樹脂體系水性白漿制備出丙烯酸體系的水性自漆，噴涂在ABS底材上，附著力良好，涂膜光澤色相均優(yōu)于溶劑型涂料。

3水性色漿發(fā)展需注重解決的問題

(1)水性色漿由于以水作為分散介質(zhì)，而水的表面張力比較高，蒸發(fā)潛熱大，其對(duì)塑料表面的潔凈性、施工環(huán)境溫濕度的要求比較高，需增加涂膜的烘干和常溫干的時(shí)間，這需要通過配方技術(shù)和施工兩方面來共同解決。

(2)水性色漿的起泡和消泡問題也是必須注重的問題。

(3)水性色漿與使用乳液體系的相容性是影響色漆的浮色發(fā)花、絮凝和有些涂膜表面缺陷的關(guān)鍵。在使用水性色漿配色前，一定要做相容性試驗(yàn)，助劑經(jīng)?？梢杂脕斫鉀Q水性色漿與體系的相容性問題。

(4)水性色漿中顏料的分散性也是需要解決的問題。助劑對(duì)顏料顆粒的解絮凝程度決定水性色漿分散體的穩(wěn)定性。一般來說，不可能達(dá)到完全解絮凝(即顏料在體系中成原級(jí)粒子均一穩(wěn)定存在)，只是以顏料顆粒的附聚體的形式均勻分布在體系中。色漿的分散性能不好，導(dǎo)致浮色和發(fā)花，以至嚴(yán)重的沉降現(xiàn)象。選用合適的助劑，改善水性色漿的分散性能，則可以避免此類現(xiàn)象的發(fā)生。

4結(jié)語

本試驗(yàn)研發(fā)的無樹脂體系水性色漿，無毒、無異味、不燃燒，屬綠色低污染型產(chǎn)品，符合節(jié)能環(huán)保的大趨勢(shì)，和丙烯酸乳液、聚氨酯水分散體等均有良好的相容性，所制水性涂料適用于ABS、PS、H IPS、PET、PVC等多種塑料底材，附著力性能優(yōu)異，干燥速度快，硬度高，耐磨性好，耐水，光澤度高。隨著人們環(huán)保和健康意識(shí)的增強(qiáng)，以及涂料工業(yè)的發(fā)展，新型的合成助劑大量出現(xiàn)，水性涂料必將以其安全、無毒、低VOC等特點(diǎn)而具有巨大的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的市場前景。