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技术百科

填料的物化性能对涂料的影响

浏览:12 发表时间:2020-11-19 10:54:00 来源:全球涂料圈

  体质颜料又称为填料,包括许多化合物,主要是钡、钙、镁或铝的盐类,硅或铝的氧化物,或从前两类物质衍生的双盐类,在涂料中具有广泛的用途。这些填料有2种通性:折射率低(1.45~1.70),白色或近乎白色。在涂料工业中,填料主要起到2个方面的作用:一是起到骨架与填充作用,减少树脂用量,降低生产成本;二是能够改善涂料的施工性能,例如:提高涂料施工的流动与流平性,提高产品的贮存性,提高涂料的涂膜质量,以及提高涂膜的硬度、机械强度、遮盖力、耐候性、耐水性、耐溶剂性、抗弯曲性、抗划痕性和抗龟裂性。


  本文通过研究、对比与分析8种常用填料的物化性能,有助于涂料工作者了解填料对涂料的影响,并能较好地掌握与运用。


1、填料的物化性能

  本文以二氧化硅、滑石粉、碳酸钙、硫酸钡、硅灰石、高岭土、云母粉和膨润土作为主要研究对象。填料的物化性能包括:水分、莫氏硬度、化学稳定性、矿物形态、熔点、密度和吸油量等(见表1)。由于填料的物化性能存在差异,不仅影响涂料的涂膜质量,也会影响涂料的功能与用途。



2、填料的物化性能对涂料的影响


2.1 水分对涂料的影响

  填料的水分有矿物结构自带的水,以及曝露于空气中吸附在矿物表面、裂缝和渗透的水。填料的水分对涂料的影响主要表现在:当填料的水分过大时易造成聚团与结块,从而影响分散性,导致涂料在制备过程中呈现返粗。由表1可知,滑石粉、碳酸钙、硫酸钡、硅灰石和高岭土的水分均低于1%,而膨润土的水分***,达到10%~15%,因此,在涂料制备过程中,需合理控制各种填料的加入量,以及加强对填料的密封包装和干燥存放的管理工作。


2.2 莫氏硬度对涂料的影响

  莫氏硬度是填料内部化学键强度的表现,它是将棱锥形金刚钻针在矿物表面发生划痕测试,并将划痕深度分级(10级)来表示硬度。因此,可以利用填料的莫氏硬度这一特性来改善涂膜的硬度。由表1可知,莫氏硬度***的是二氧化硅,为7.0,将二氧化硅制备成涂料时,有助于提高涂膜的硬度,提高涂膜的耐划伤性、耐洗刷性和耐磨擦性,适用于底漆或地坪漆;但硬度过高的填料不仅容易使得机械设备在研磨时造成磨损,而且当添加量过多时还会使涂膜变得硬而脆,导致涂料的抗冲击强度降低。表1中,莫氏硬度最小的是滑石粉,为1.0,因此它具有柔软滑腻感,加入涂料后有助于提高涂膜的打磨性。其他填料的莫氏硬度则介于2.0~5.0之间。


2.3 矿物形态对涂料的影响

  矿物形态是矿物单晶体、规则连生晶体和集合体的外形特征,通常可分为柱状、针状、板状、纤维状、片状、粒状等。此外,矿物填料由于开采的产地和获取方式(天然与合成)的不同,可能会存在一种或几种形态,即“同质多晶现象”。


  本文研究的填料所具有的矿物形态与它们对涂料的影响主要表现在以下4个方面。


  1)片状。属于片状结构的填料有滑石粉、高岭土、云母粉和膨润土,但微细的结构差别则影响了它们在应用上的差异。例如,片状的滑石粉和云母粉在涂膜中都能与基材平行紧贴,从而形成致密的保护膜,使涂层具有较好的抗渗透性,涂膜发挥出良好的耐水性和耐溶剂性;同时,片状结构还能够提高涂膜的抗弯曲强度和内应力,防止涂膜由于弯曲或基材膨胀变形导致涂层龟裂而出现细小的裂纹,从而提高涂料的附着力。高岭土和膨润土则属于特殊的片状结构,二者均为复合结构组成的层状。高岭土是由四面体层和Al[O(OH)]6八面体层构成复合的单元结构层的层状结构材料;膨润土的主要成分是蒙脱石,蒙脱石是由两片硅氧四面体片和中间的一个铝氧八面体片构成的层状硅酸盐。二者的区别:由于组成膨润土的蒙脱石其层间带有负电荷,能够吸附阳离子、水和有机极性分子,因而膨润土可以吸引丙烯酸、羧甲基纤维素中的—COOH、—OH,使其插于层间,形成网状立体结构,使涂料具有触变性并增加涂料黏度;而高岭土层间力由于只是范德华力,因而层间结合力弱,吸附性不强,所以高岭土没有防沉功效。


  2)结晶形和无定形。结晶形是在显微镜下可以看到规则的几何形状,而无定形是指一些非完全晶体无定形的结构或者一些无定形固体的构成方式,而二氧化硅和碳酸钙则兼具这2种形态,由于晶体形态的差异不仅影响了同一填料物质同时具有多种不同的物化性能,也影响了填料在涂料中发挥出不同的功能作用。例如,结晶形二氧化硅为石英砂,因质地硬、耐磨性强,可用于地坪漆和真石漆中提高涂膜的耐磨性和耐洗刷性;无定形二氧化硅因化学稳定性好,在涂料中不仅起到骨架作用,而且还具有熔点(1704℃)高、耐热性好的特点,还可以提高涂层的耐热性和耐候性;而涂料工业中还使用无定形的纳米二氧化硅作为防沉剂,防沉机理是由于二氧化硅表面存在不饱和的残键及不同键合状态的羟基,其分子状态呈三维链状结构,这种结构赋予涂料优良的触变性和分散稳定性。碳酸钙根据制作过程的不同可分为轻质和重质,由于轻质碳酸钙是通过化学加工获取,并且可以通过控制反应条件获得特定和有规则的几何形状,如特定的针状、片状、球状或立方状等,所以属于结晶形;重质碳酸钙是将矿物通过机械研磨变碎与变细,晶体形态保持天然和多样化,属于无定形。轻质碳酸钙因粒径小、易分散、光泽好,在水性涂料中应用较广;重质碳酸钙是由方解石、石灰石和大理石研磨而成,由于密度高、填充性好,适用于底漆中提高对基材的补强和补平作用;同时,由于重质碳酸钙硬度适宜、均匀细腻、价格低,可与钛白粉共同使用增加涂膜的遮盖力,并降低昂贵钛白粉的用量。


  3)板状。硫酸钡的矿物形态呈板状,它是本文所列水分含量最小的填料,所以在涂料中的分散性相对***;具有吸油量最小的特点,在涂料中不仅填充性能好,还可以降低树脂的用量,因而可以制备出较厚的涂膜,有助于提高涂膜的硬度、强度和耐磨性;此外,硫酸钡还具有良好的化学稳定性,既耐酸碱又不溶于水,加入涂料后对涂膜在户外长时间应用具有较好的保护作用,提高了涂料的使用寿命和耐久性。缺点是密度大,易沉降,多用于粉末涂料。


  4)针状或纤维状。硅灰石同时具有这种一向延长型的晶体形态。针状硅灰石长径比为10~20,在涂料中可起到平光剂作用,还可以改善涂层的流平性;纤维状硅灰石有助于紧固涂层中的颜填料,起到补强作用,从而提高涂膜的机械强度、韧性和耐久性;同时,纤维状结构还有助于它在涂膜中相叠提高屏蔽性,加强对紫外线的反射能力,提高涂膜的耐候性和抗老化性。纤维状滑石粉由于吸油量高,有助于改善涂料的流变性,防止颜料的沉降和漆液的流挂;还有助于提高涂膜的吸收伸缩应力,避免涂层发生开裂的功效,因而也具有提高涂膜耐久性的特点;与片状滑石粉相比,使用纤维状滑石粉制成的涂膜平整度略显不足。


2.4 填料的密度对涂料的影响

  颜填料体积浓度(PVC)是指涂料中着色颜料和体质颜料的体积与配方中所有不挥发(包括树脂固体分、颜料和填料)的总体积之比,计算式为:颜填料体积浓度=颜填料体积/(颜填料体积+树脂干膜体积)×100%。将上述8种填料均按100g计,分别与100g热固性丙烯酸树脂乳液(密度为1.03g/cm3)制备成涂料,由于该树脂乳液以二甲苯(密度为0.86g/cm3)为稀释剂,可计算出树脂干膜的密度为1.19g/cm3。由表1中填料的密度可计算出丙烯酸涂料用单一填料的PVC。


通过对比可知:

  1)表1中密度最小的是膨润土,为2.0~3.0g/cm3,但在丙烯酸涂料单一填料的PVC中反而是***的,为49.79%;8种填料中密度***的是硫酸钡,为4.3~4.5g/cm3,但在丙烯酸涂料用单一填料的PVC中反而是最小的,为31.57%。


  2)将8种填料的密度由大至小排序为:硫酸钡>云母粉>硅灰石>碳酸钙>滑石粉>高岭土>二氧化硅>膨润土,相对应的,在丙烯酸涂料用单一填料的PVC为:硫酸钡<云母粉<硅灰石<碳酸钙<滑石粉<高岭土<二氧化硅<膨润土。上述说明,作为丙烯酸涂料用单一填料,填料的密度越大,其PVC越小;反之亦然。


  3)上述单一填料的密度对涂料的影响表现为:填料的密度越大,PVC越小,填料体积所占涂料干膜体积相对越低,涂膜较为平滑、光泽度高,涂层致密性与耐沾污性相对较好,涂膜耐冲击性与柔韧性较好;填料的密度越小,PVC越大,填料体积所占涂料干膜体积相对越高,涂膜相对较硬,致密程度与光泽度略低,涂膜略感粗糙与耐沾污性略差,但涂膜透气性相对较好。


2.5 吸油量对涂料的影响

  颜填料临界体积浓度(CPVC)是颜填料正好被基料树脂润湿与包裹的颜填料体积浓度(PVC)。单一颜填料临界体积浓度的计算公式为:CPVC=100ρB/(ρB+0.01·OA·ρP),其中:ρB为树脂基料密度(热固性丙烯酸酯树脂密度为1.03g/cm3)、OA为颜填料吸油量、ρP为颜填料密度。由表1中的密度和吸油量可计算出丙烯酸涂料用单一填料的CPVC。


通过对比可知:

  1)表1中吸油量最小的是硫酸钡,为6~12g/(100g),吸油量***的是云母粉,为65~72g/(100g),大约是硫酸钡的10倍。丙烯酸涂料用单一填料的CPVC最小的是云母粉,为36.38%,CPVC***的是硫酸钡,为79.97%,后者约是前者的2.2倍。


  2)将表1中8种填料的吸油量由大至小排序为:云母粉>高岭土>滑石粉>膨润土>碳酸钙>二氧化硅>硅灰石>硫酸钡,将表3的CPVC由小至大排序为:云母粉<高岭土<滑石粉<膨润土<碳酸钙<二氧化硅<硅灰石<硫酸钡。上述说明:作为丙烯酸涂料用单一填料的CPVC,当填料的吸油量越大,其CPVC通常越小;反之亦然。


  3)由表2和表3对比可知,上述8种填料分别与丙烯酸树脂乳液按同一配方(即同等质量分数)制备成涂料,云母粉是***CPVC<PVC(CPVC(云母粉)=36.38%,PVC(云母粉)=41.72%)的填料,表明:涂膜中云母粉所占的体积量过大,没有足够的基料树脂乳液充分润湿与包裹着云母粉,会导致涂液的黏度提高,不易涂刷;涂层中形成不连续的基料、松散的填料与空气共存,随着涂膜的干燥,会导致涂膜出现较高的孔隙率与吸水率,涂膜由此变得硬而脆;涂膜的主要性能指标,如:耐冲击力、附着力、柔韧性、耐洗刷性与耐候性降低,涂层易粉化与开裂,耐沾污性与光泽度降低;为了提高与改善云母粉作为单一填料时的涂膜性能,需要提高树脂乳液的用量,从而提高生产成本。而其他单一填料在丙烯酸涂料用的CPVC>PVC,说明涂膜中仍然有足够的树脂乳液能充分润湿与包裹着填料,因而涂料的施工流动性与主要涂膜性能指标较好,在达到CPVC时,还可以提高填料的用量,降低树脂的用量和成本。由于硫酸钡的CPVC是PVC的2.53倍,说明树脂使用量相对是最少的。


3、结语

在制备涂料前,应先根据涂料的最终用途来确定填料之间的搭配,力求选择那些获取便捷、物美价廉、功能多样、可替代性强的填料。因此,选择填料时需要注意:


1)选取水分相对较少的填料,以免填料受潮和聚团而影响分散性,并造成涂料的返粗;同时,尽可能保持填料的干燥存放,避免填料潮湿而导致涂层起泡,从而影响涂膜的质量与外观。


2)选取莫氏硬度适中的填料,不仅有助于提高涂层的耐划伤性、耐洗刷性和耐磨擦性,并避免填料在研磨时对机械设备的磨损。


3)充分考虑填料的矿物形态,它们在涂料中发挥出不同的功效与作用。


4)当选取的填料的密度越小、PVC会越高,则填料体积所占涂料干膜体积相对是越高的,会降低涂膜机械性能;而选取的填料的密度越大、PVC会越小,树脂干膜体积所占涂料干膜体积相对是***的,有助于提高涂膜的光泽、耐冲击力和柔韧性。


5)设计颜填料与树脂的配比时,除了考虑填料密度外,还应重视填料的吸油量,当吸油量越大时,CPVC相对越小,会增加树脂的用量,增加涂料生产成本;当填料的吸油量越小时,CPVC相对越大,树脂的用量相对越少。



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