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水性涂料配方體系
水性涂料，包括水性木器漆是以水為分散介質(zhì)和稀釋劑的涂料。與常用的溶劑型涂料不同，其配方體系是一個更加復(fù)雜的體系。配方設(shè)計時，不僅要關(guān)注聚合物的類型、乳液及分散體的性能．還需要合理選擇各種助劑并考慮到各成分之間的相互影響進行合理匹配。，有時還要針對特殊要求選用一些特殊添加劑，最終形成適用的配方。
配方的基本組成
1、水性樹脂：這是成膜的基料，決定了漆膜的主要功能。
2、成膜助劑：在水揮發(fā)后，使乳液或分散體微粒形成均勻致密的膜，并改善低溫條件下的成膜性。
3、抑泡劑和消泡劑：抑制生產(chǎn)過程中漆液中產(chǎn)生的氣泡并能使已產(chǎn)生的氣泡逸出液面并破泡。
4、流平劑：改善漆的施工性能，形成平整的、光潔的涂層。
5、潤濕劑：提高漆液對底材的潤濕性能，改進流平性，增加漆膜對底材的附著力。
6、分散劑：促進顏填料在漆液中的分散。
7、流變助劑：對漆料提供良好流動性和流平性，減少涂裝過程中的弊病
8、增稠劑：增加漆液的黏度，提高一次涂裝的濕膜厚度，并且對膩子和實色漆有防沉淀和防分層的作用。
9、防腐劑：防止漆液在貯存過程中霉變。
10、香精：使漆液具有愉快的氣味
11、著色劑：主要針對色漆而言，使得水性漆具有所需顏色。著色劑包括顏料和染料兩大類，顏料用于實色漆(不顯露木紋的涂裝)，染料用于透明色漆(顯露木紋的涂裝)。
12、填料：主要用于膩子和實色漆中，增加固體分并降低成本。
13、pH 調(diào)節(jié)劑：調(diào)整漆液的pH 值，使漆液穩(wěn)定。
14、蠟乳液或蠟粉：提高漆膜的抗劃傷性和改善其手感。
15、特殊添加劑：針對水性漆的特殊要求添加的助劑，如防銹劑(鐵罐包裝防止過早生銹)、增硬劑(提高漆膜硬度)、消光劑 (降低漆膜光澤)、抗劃傷劑、增滑劑(改善漆膜手感)、抗粘連劑 (防止涂層疊壓粘連)、交聯(lián)劑(制成雙組分漆，提高綜合性能)、憎水劑(使涂層具有荷葉效應(yīng))、耐磨劑(增加涂層的耐磨性)、紫外線吸收劑(戶外用漆抗老化，防止發(fā)黃)等。
16、離子水：配方設(shè)計時往往還要添加少量的去離子水以便制漆。
水性樹脂
水性漆配方中，基料是形成漆膜并決定漆膜性能的關(guān)鍵組分。配方設(shè)計時應(yīng)盡量提高水性樹脂的用量，占體積比的60-70%，使得漆液中的有效成膜物含量盡可能多，這樣才能保證制成的漆一道涂裝漆膜較厚，豐滿度高。
水性丙烯酸樹脂、丙烯酸乳液(acrylic emulsions)，由于其通用性，耐候性及多樣性，已在涂料行業(yè)的各個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。水性丙烯酸乳液由丙烯酸酯單體為主的乙烯基單體經(jīng)乳液聚合而成。聚合過程中添加了乳化劑、穩(wěn)定劑、pH調(diào)節(jié)劑等各種助劑，體系相當(dāng)復(fù)雜。
水性丙烯酸乳液制成的漆膜有良好的耐候性，不易黃發(fā)，硬度高，光澤好。近年來，隨著水性丙烯酸乳液聚合技術(shù)的不斷發(fā)展，多相聚合，核殼技術(shù)，自交聯(lián)技術(shù)及高分子表面活性劑的應(yīng)用，和核殼聚合等技術(shù)進一步改進和提高了水性丙烯酸乳液的性質(zhì),使得水性丙烯酸乳液的適應(yīng)不同施工和使用條件的需要，用武之地得到不斷的擴大。現(xiàn)在，水性丙烯酸乳液的應(yīng)用已擴展到性能要求更高的工業(yè)用途領(lǐng)域。
聚氨酯分散體
聚氨酯材料是分子結(jié)構(gòu)中具有氨基甲酸酯結(jié)構(gòu)的一類大分子化合物的總稱，通常由二異氰酸酯和多元醇經(jīng)聚加成反應(yīng)制成。聚氨酯高分子既具有使其形成物理性交聯(lián)的極性官能團，又具有非極性的及柔性的鏈段。使用得當(dāng)，其極性管能團還可以進行進一步的化學(xué)交聯(lián)。這些分子特性使得聚氨酯材料具有高強度，韌性及抗溶劑的能力。聚氨酯作為一種強度高，耐候性好，附著力強的優(yōu)質(zhì)材料，已在涂料領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。
根據(jù)制備聚氨酯所用的異氰酸酯類型，聚氨酯乳液和相應(yīng)的漆可分為脂肪族型和芳香族型兩大類。脂肪族的漆膜有優(yōu)異的耐候性和抗黃變性; 芳香族水性聚氨酯多用來做室內(nèi)裝飾漆。按聚合得到的粒子大小有聚氨酯乳液和聚氨酯分散體(Polyurethane
Dispersions PUD) 兩類。
水性聚氨酯分散體，采用獨特的工藝將聚氨酯顆粒分散在水中，從而達到以水為載體的成膜作用。與其它乳液成膜機理相近，成膜的效果取決于顆粒間高分子相互滲透的能力。為增加滲透，一方面聚氨酯分子鏈要足夠柔軟，流動性好；另一方面，乳液顆粒要盡可能的小，這樣可以增加顆粒間的接觸面積，減少高分子的移動距離。水性聚氨酯分散體通常有納米級的粒徑，外觀半透明甚至完全透明，是最好的水性漆基料之一。水性聚氨酯分散體有時被稱為納米乳液，以區(qū)別于外觀呈白色的普通乳液。
水性丙烯酸乳液
水性丙烯酸乳液配方需要考慮的問題：水性丙烯酸樹脂組成
在調(diào)制水性漆配方時，乳液原料的選擇是工程師最重要的決定。涂料的主要性能是由樹脂決定的。由水性丙烯酸酯乳液，包括聚苯乙烯-丙烯酸酯乳液種類繁多，市場上魚目混雜。而不同的水性丙烯酸酯樹脂組成對其水性漆成膜性及成本的影響很大。這里對幾個影響因素進行簡單討論。
1、苯乙烯
聚丙烯酸酯乳液引入該單體的主要原因是其可提供較高的玻璃化轉(zhuǎn)發(fā)溫度（Tg),
從而提高成膜的硬度；另一個原因是成本。苯乙烯在包裝工業(yè)上用量極大，是石油工業(yè)最重要的，成熟的下游產(chǎn)品之一，價格低但受宏觀經(jīng)濟影響大。
然而引入苯乙烯，特別是其含量高于總單體量的15%以上時，也會給水性漆成膜性帶來許多負面影響。首先，含苯乙烯的聚合物鏈段缺乏柔韌性，宏觀上表現(xiàn)為水性漆成膜硬而不韌；還有苯乙烯所含的苯環(huán)，是紫外光的吸收體，該單體含量高時，紫外線通過相鄰苯環(huán)會對聚合物鏈有剪切反應(yīng)，從而使水性漆漆膜發(fā)脆，光澤度下降，壽命降低；苯乙烯的結(jié)構(gòu)也決定了它對很多有機溶劑有親和力，水性漆漆膜的耐溶劑性也不其它的樹脂有明顯差距。
2、丙烯酸酯類單體
丙烯酸酯類單體種類很多，性能及價格相差很大。國內(nèi)最常用的是丙烯酸丁酯，該單體成本最低，是大多乳液廠家用于與苯乙烯配套，制造廉價墻漆的乳液的單體。其功用是提供水性漆漆膜的柔韌性。由于丙烯酸酯聚合物主鏈上不含除酯基以外的基團，主鏈及酯基側(cè)鏈柔韌性均好好，使水性漆漆膜缺乏硬度。這類聚丙烯酸酯乳液雖然是建筑內(nèi)外墻涂料的選擇，但作為對硬度及韌度要求都高的的木器漆來講，性能就不夠了。
3、甲基丙烯酸酯類單體
甲基丙烯酸酯類單體，比丙烯酸酯單體在性能上又上了一個臺階。由于甲基丙烯酸酯類聚合物主鏈上多了甲基，使其主鏈的活動性受到限制，主鏈鋼性增強，同時酯基側(cè)鏈有提供了柔韌性，使得甲基丙烯酸酯類單體具有硬度和韌性的最佳平衡，比如聚甲基丙烯酸甲酯（甲甲酯）就是人們俗稱的有機玻璃；甲基丙烯酸酯類單體，由于不含苯環(huán)，使其比起苯乙烯類單體在抗紫外侵蝕，耐久性，及抗溶劑性方面都比苯乙烯有明顯優(yōu)勢。
綜上所述，水性丙烯酸酯樹脂制造商對單體的選擇很多，不但可以變換其種類，又可變換相對比例和成分。水性涂料廠家在選擇水性丙烯酸酯乳液時，不能只考慮“純丙”或“苯丙”這些空洞概念詞匯，應(yīng)該以水性丙烯酸酯樹脂及其配方的實際性能為衡量標準。
成膜助劑
構(gòu)成乳液或分散體的聚合物通常具有高于室溫的玻璃化溫度。為了使乳液粒子很好地融合成為均勻的漆膜，必須使用成膜助劑降低最低成膜溫度(MFFT)。成膜助劑是一類小分子有機化合物，存在于漆膜中的成膜助劑最終會逐漸逸出并揮發(fā)掉。
多數(shù)成膜助劑是涂料有機揮發(fā)物（VOC）的重要組成部分，因此成膜助劑該用得越少越好。選用成膜助劑要優(yōu)先考慮不屬于VOC 限制范圍，但揮發(fā)性不得太慢、成膜效率還要高的化合物。
成膜助劑的量取決于配方中乳液或水分散體的用量和玻璃化溫度。乳液或水分散體用量大以及聚合物的Tg 高，成膜助劑的用量也要大，反之用量少，配方設(shè)計時，首先考慮成膜助劑大約占乳液的或水分散體的3%-5%，或占乳液或分散體固體分的5 %～15%。但是，對Tg 超過35℃的聚合物乳液可能要提高成膜助劑的用量才能保證低溫成膜的可靠性，這時應(yīng)逐漸提高成膜助劑的用量，直至低溫(10℃左右或更低)涂裝能形成不開裂、不粉化的均勻漆膜為止，找出成膜助劑的最低用量。
成膜助劑的用量達乳液或分散體的15%或者更高是不可取的，應(yīng)考慮更換其他成膜助劑再試。除降低最低成膜溫度和提高漆膜致密度外，成膜助劑還能改善工性能，增加漆的流平性，延長開放時間，提高漆的貯存穩(wěn)定，特別是低溫防凍性。
水性涂料的成膜助劑一般為醇醚類型的溶劑，最為常用的是二乙醇醚類、丙二醇醚類以及N-甲基吡咯烷酮等成膜助劑，并具有高低沸點之分。水性涂料在夏季施工時，水分揮發(fā)較快，即表干相對過快，有部分水分可能會在未干透之前封閉在涂膜內(nèi)，導(dǎo)致涂膜發(fā)白或是流平不好的弊端。
因而，可通過添加少量適當(dāng)而合適的高沸點溶劑來延緩?fù)磕さ母稍锼俣龋娱L涂膜的開放時間，改善其施工性能和涂膜外觀。在冬季里，由于氣溫較低，水性涂料的干燥速度較慢，也即水的揮發(fā)較慢，但成膜助劑相對比水揮發(fā)快一些，或許部分隨水一起蒸發(fā)，使水性涂料不能形成致密的涂層，導(dǎo)致水性涂料的涂膜存在發(fā)白和開裂的現(xiàn)象。
所以添加成膜助劑時，一定要考慮克服水性涂料在不同季節(jié)的施工性，同時還要考慮其盡可能干燥速度快一些，這也是水性涂料最難的技術(shù)要點，尤其是Tg 較高的丙烯酸分散體更是難解決的問題。因此，多種成膜助劑來搭配是最好的選擇。
成膜助劑有一個不樹脂體系的相容性問題，在一個體系中很好的成膜助劑在另一種水性木器漆中可能造成體系不穩(wěn)定，或者起嚴重，或者重涂性不良。配方設(shè)計時要充分考慮到這一點，并且過試驗選取最佳成膜助劑及其用量。
消泡劑和抑泡劑
消泡劑是水性涂料中最難控制消泡不流平達到平衡的助劑之一。漆液在涂裝中因攪動會產(chǎn)生氣泡。存在于漆液中的氣泡如不及時消除，漆膜干后，形成不可接受的瑕疵。漆液在生產(chǎn)過程中、泵送和灌裝時也會產(chǎn)生氣泡。
消泡是配方設(shè)計過程中不可忽略的因素，消泡劑的消泡機理是通過潤濕滲透到由體系產(chǎn)生的泡沫薄膜上且不斷要在薄膜上擴散，使泡沫薄膜的表面張力不平衡而破泡。
一般來說，消泡劑分為抑泡劑和破泡劑兩種，抑泡劑的作用是抑制水性涂料在外力的作用下泡沫產(chǎn)生，而破泡劑主要是在已生成泡沫膜的表面迅速散布，破壞氣泡的彈性膜，使之破裂，但常常兩種搭配使用效果比較好，否則至少要選擇一種有效的消泡劑。
多數(shù)消泡劑，特別是機硅消泡劑，在用量過大時會使?jié)衿崮ぎa(chǎn)生縮孔，因而消泡劑的用量以能基本消除氣泡為原則，不可過度追求消泡效果，以免出現(xiàn)縮孔等副作用。對于水性木器漆，礦物油類消泡劑比有機硅消泡劑的寬容性大，添加稍多不容易出現(xiàn)嚴重的縮孔，可以優(yōu)先考慮選用。
目前市場上已有很多消泡劑，選擇時可從以下方面加以注意：
1、 受控相容性。即是要達到消泡和表面效果的平衡，既要消泡，又要防止縮孔、流平性差等缺陷。
2、 根據(jù)施工條件和方法進行消泡。例如刷涂、噴涂以及輥涂面臨不同的起泡程度，也意味著不同的消泡劑選擇。
3、抑泡和破泡的平衡?？筛鶕?jù)不同加工和施工方式，合理搭配。
4 、長效消泡性能。許多消泡劑在漆液貯存過程中會逐漸減弱其消泡性能，在設(shè)計配方時應(yīng)使漆中的消泡劑含量偏高一些。
消泡劑的用量占整個配方的0.05%～0.5%，最好在0.1%左右，如果所用的消泡劑添加量超過0.5%才有好的消泡效果的話，應(yīng)考慮更換消泡劑。不同的樹脂體系對消泡劑的敏感程度不同。水性消泡劑選定的類型和用量必須根據(jù)不同的體系，通過實驗來確定。
潤濕流平劑
潤濕流平劑能有效地降低體系的表面張力，顯著改善水性木器漆的施工效果。加入潤濕流平劑后漆對底材的潤濕性能和滲透性增加，漆液的流平性得到改善，有時還能克服縮邊 (鏡框效應(yīng)) 問題。更重要的是流平劑能解決常見的縮孔問題，特別是過度使用消泡劑后引起的縮孔。
過量的流平劑會抵消消泡劑的消泡作用，使得漆液在施工時產(chǎn)生氣泡，有的還有明顯的穩(wěn)泡作用，所以應(yīng)盡量選用流平性好、起泡性低、穩(wěn)泡性小的潤濕流平劑。流平劑不消泡劑的配合，包括品種的選擇和用量的控制，是水性木器漆配方研究的重點。
理想的潤濕劑應(yīng)當(dāng)包含以下幾個方面：
1. 有效降低體系的表面張力能力，改善其對基材的潤濕性和滲透性。
2. 盡可能低起泡性、穩(wěn)泡。
3. 盡可能低的水敏感性。
4. 不影響層間附著力。
5. 良好的表面張力平衡，既能提高基材潤濕，又不因過度降低表面張力而影響流平或產(chǎn)生缺陷。
流平劑一般用量在0.1％～1.0％，最好控制在0.3％左右，當(dāng)消泡劑超量時，為了克服縮孔，流平劑的用量甚至?xí)^1％。膩子配方中可不用流平劑。
流變助劑
流變助劑提供低剪切條件下的流平效果，使涂刷后的漆液能盡快流平，減少刷痕，避免飛濺，但是隨著干燥時間的推移這種流平作用減弱，漆膜固定，又可避免漆液在垂直面上產(chǎn)生流掛。
流變助劑從性能上可分為高、中、低三種剪切黏度的類型：低剪切黏度的流變助劑能夠提供罐內(nèi)黏度，防止顏料沉降，并有效的控制漆液在立面作業(yè)時產(chǎn)生的流掛；提供中高剪黏度的流變助劑能很好的提高水性涂料的豐滿度和流平性，而與用提高高剪切黏度的流變助劑則幫助流平、防止飛濺以及提高輥、刷涂施工性能。所以，流變助劑的種類和用量必須根據(jù)施工的要求及體系來選定，一般根據(jù)施工方法的不同來選定流變助劑類型，往往通過三種剪切黏度的流變助劑來搭配才能達到所需施工效果。
聚氨酯締合型增稠劑是目前在水性涂料中應(yīng)用最廣泛的，但是該類增稠劑在水性涂料體系中的選定不配方中其他成分有密切的聯(lián)系。如增稠效果不水性涂料中的聚合物顆粒大小和疏水性以及助溶劑有很大的關(guān)系，如果水性涂料中的聚合物顆粒越小，越疏水，以及助溶劑在聚合物中的分配系數(shù)越高，其增稠效率就高，否則該類增稠劑添加很大量都沒達到所需的黏度。同時，建議用水稀釋后，在合理的剪切力下加入，否則也有可能不體系發(fā)生絮凝，產(chǎn)生顆粒。
表面控制助劑
表面控制助劑的種類和作用包括：
1、改善流動和流平；
2、降低摩擦系數(shù)，增滑；
3、增強抗劃傷能力；
4、抗粘連；
5、增強啞粉等的排列；
6、特殊手感，如柔感等；
7、其他，如改善涂膜的耐水性、耐污性等。
它們一方面通過均衡干燥過程的表面張力，實現(xiàn)均勻干燥和流動，降低表面粗糙；另一方面在干燥過程中集中在表面，形成光滑涂膜，增加滑度和其他特殊性能。
這類助劑主要有兩種：
1. 有機硅：這類表面控制助劑，添加量很少就能有效的提高涂膜的抗刮耐磨性等性能，一般與體系的相容性差，如果選擇不當(dāng)，往往會影響涂膜的光澤度及涂膜層間的附著力。
2. 蠟乳液：例如棕櫚蠟和聚乙烯蠟：一定程度影響涂膜的光澤度，這不其的粒徑大小及分布有關(guān)。蠟乳液要加至配方總量的2%～8%才會有明顯的效果，過多的蠟乳液影響漆膜強度并降低層間附著力，推薦的最佳用量為3%～5%。膩子不用蠟乳液，除非有特殊的表面效果要求。一般實色漆中多不必加蠟乳液。有時蠟乳液可用蠟粉代替。
兩種類型的表面控制劑搭配效果更佳，但以下方面要非常注意：
1. 是否嚴重影響涂膜光澤度；
2. 對層間的附著力的影響；
3. 穩(wěn)泡性評估；
4. 體系的儲存穩(wěn)定性。
消光劑
消光劑是用來調(diào)控水性涂膜光澤度的添加劑，以滿足當(dāng)今市場啞光漆主流產(chǎn)品廣泛需求。消光劑的消光機理是能有序地排列在涂膜表面，使涂膜表面凹凸不平，造成照在涂膜表面的光線漫反射，從而達到消光的目的。
水性涂料中應(yīng)用的樹脂固含量比較低，制成水性涂料的有效成分不高，加上是分散體系，因而水性涂料的消光比較容易，但不同水性樹脂體系的消光難易都不一，一般丙烯酸乳液比水性聚氨酯分散體相對較好消光，但在防沉降性能方面比水性聚氨酯分散體系好一些。
所以消光粉的選定必須要考慮其在不同的體系和用途來評定。消光劑盡可能選定其的折射指數(shù)不水性樹脂的折射指數(shù)相近，減少對涂膜的透明度影響，同時，還要考慮其在體系中的消光效果、分散性、防沉性及手感。
防腐劑
水性涂料是水基體系，在生產(chǎn)過程中較易帶入細菌，在儲藏過程中都較易被微生物降解。因而，在配方設(shè)計時應(yīng)適當(dāng)添加防腐劑的類型和用量，防止體系和涂膜的腐敗。從環(huán)保的角度考慮，應(yīng)使用較低毒的防腐劑，另外還要注意與體系的匹配性，以及在添加時必須用水稀釋后方可，否則，會與體系生絮凝及不良的現(xiàn)象。
一般來說，對于異噻唑啉酮類防腐劑用量在0.1%已足能防止漆液在貯存過程中霉變。加0.1%的防腐劑后，密封貯存兩三年不成問題。
酸堿度調(diào)節(jié)劑
水性涂料有必要時還可能要調(diào)pH 值。多數(shù)乳液或水分散體生產(chǎn)時已將pH 值調(diào)為8～9，制漆時不必再用pH調(diào)節(jié)劑。如果pH 值有偏差制漆過程中要加0.05％～0.1％的pH 調(diào)節(jié)劑，將漆液的pH 值調(diào)至7～9。許多水性木器漆只有在中性至微堿性條件下才能穩(wěn)定，當(dāng)pH 值過高或過低時，漆液可能會產(chǎn)生絮凝、沉淀、返粗、施工性能惡化等現(xiàn)象。
不同的體系的pH 值的要求都不一樣，所以，水性涂料的pH 值是根據(jù)體系的不同來調(diào)整，同時要考慮不配方中防腐劑的匹配。
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