水性氟碳建筑涂料的配方设计及制备

水性氟碳建筑涂料的配方设计及制备

摘要：介绍了水性氟碳建筑涂料的原材料选择及配方设计。讨论了水性氟碳涂料的配制及性能测试。试验结果表明：该涂料符合墙面装饰装修要求，具有实用价值和推广前景。

关键词：氟碳涂料；建筑涂料；水性涂料

0引言

目前，树脂和涂料的配方设计大多是以降低 VOC为中心，综合性能优异的环保型水性涂料已获得市场的认可。20世纪 90年代以来，我国水性建筑涂料蓬勃发展。然而许多水性涂料只是简单工艺上的低档次重复，既增加了环境保护的压力，又造成资源的浪费。

氟树脂是迄今为止发现的耐候性、耐久性最为优异的成膜聚合物，用其配制的涂料，机械性能、耐候性、耐久性、耐化学品性等十分优异。1982年，日本旭硝子推出常温固化氟树脂使氟碳涂料迅速发展，其应用领域不断拓宽。随着人们对环境的重视和环保法规强化，溶剂型氟碳涂料的应用受到了一定的限制。因此，研发高性能的水性氟碳涂料具有十分重要的实际意义。

1 配方设计

水性氟碳涂料与一般水性涂料的配方及制备工艺基本一致，但是氟树脂的低表面张力等特性，使得其对颜填料的润湿性较差，与分散剂、增稠剂及成膜助剂的相容性也有一定的限制，助剂选择不当，会严重影响涂膜的耐候性、耐化学品性、光泽等性能。要研制出各项性能优良的水性氟碳涂料，需要进行大量的实验工作。

1.1 颜料体积浓度对耐候性的影响

对于同一种基料（合成树脂乳液）来说，颜料体积浓度（PVC）越高，越容易变色、粉化；PVC越低，保色性越好，涂膜的耐候性、耐水性也就越好。PVC对涂料耐候性的影响见表1。

表 1 PVC对涂料耐候性的影响

Table 1 The influence of PVC on weather resistance of coatings

通过计算得出：临界颜料体积浓度（CPVC）为58%，一般高光外墙涂料 PVC设计为10%~20%。

1.2 颜填料的选择

耐候性优异的水性氟碳涂料对颜填料的要求很高，要求其具有很好的耐候性和稳定性，以使涂膜的性能得到充分体现。一定要选用保光保色性好、不溶解、耐碱的优质颜料。白色颜料包括钛白粉、立德粉和氧化锌等，其中金红石型钛白粉具有优异的遮盖力和耐候性，可以在外墙乳胶漆中大量使用；锐钛型钛白、立德粉、氧化锌易粉化、变色、耐候性及耐化学介质性差，故都不能在户外使用。着色颜料尽量选用无机系列产品。填料（体质颜料）则用来增加涂膜的厚度、改善涂膜的性能和降低成本。填料也要保光保色性好、耐碱性好等。填料品种较多，有白炭黑、高岭土（煅烧与水洗）、碳酸钙（重质与轻质）、硅灰石粉、滑石粉、石英粉、云母粉、硅酸铝、沉淀硫酸钡及膨润土等。其中白炭黑、硅灰石粉、滑石粉、石英粉、云母粉、硅酸铝、沉淀硫酸钡、膨润土等属于惰性填料，例如云母粉具有优良的耐热性、耐酸性、耐碱性、耐候性，其片状结构能阻止紫外线和水分穿透，有防止龟裂、延缓粉化等功能，在外墙乳胶漆和其它户外涂料中应用较为广泛。而其它填料（如灰钙粉、轻钙、重钙等）有的易粉化，有的易起霜，有的耐化学介质性差，一般不在户外使用或用量较小。

1.3 助剂的选择

助剂在涂料中的用量虽不大，但其作用明显，必不可少。因为水性氟碳涂料的表面张力较小，要选择适宜的润湿、分散剂，以避免调色时出现浮色、发花以及贮存过程中的沉淀、分水等现象的发生。水性氟碳涂料的耐候性优于一般的墙面涂料，因此要添加足够的防腐防藻剂。

1.3.1 润湿剂和分散剂

润湿剂所含有的活性基团定向吸附在颜料粒子表面，可以增加漆基和颜料的亲合性；同时降低漆料的表面张力，加速漆基渗透进入颜料聚集体粒子间的孔隙之中，取代颜料粒子表面所吸附的水和空气，从而帮助研磨分散设备将颜料团粒打开，减少研磨时间，提高效率，降低研磨能耗。

相对于普通水性涂料，润湿剂对水性氟碳涂料的重要性不言而喻。目前市场上润湿剂大体可分为两种：一种为非离子型高分子烷基醚、烷基醇或烷基酯，这类产品价格比较便宜，但添加量比较大，且对其他组分的性能有所影响，并且影响人体健康，所以仅在一些低端产品中有所应用。另一种为聚醚改性的甲基聚硅氧烷，对底材的润湿非常有效。

分散剂除具有润湿剂同样的湿润作用外，其活性基团一端能吸附在粉碎成细小微粒的颜料表面，另一端溶剂化进入漆基，形成吸附层（吸附基越多，链节越长，吸附层越厚），产生电荷斥力（水性涂料）或熵斥力（溶剂型涂料），使颜料粒子长期分散悬浮于漆基中，避免再次絮凝。在纯乳液体系中，建议选用增强电荷相斥的分散剂，如电中性胺盐、聚羧酸盐类的分散剂。

1.3.2 消泡剂

乳胶涂料适用的消泡剂有：低级醇类、有机极性化合物、矿物油类和有机硅树脂类 4种。

对于水性氟碳涂料用的消泡剂，应结合实际的树脂体系、配方设计、其他添加剂的品种及用量、施工方法及条件等各方面综合去考虑。总体原则是使用消泡能力强、相容性好、不影响分散性、保持持久消泡能力的消泡剂产品。水性消泡剂正朝着性能复合化的方向发展。在提供消泡性的同时，还能改善其他性能，从而降低配方的综合成本。

1.3.3 成膜助剂

成膜助剂能够对乳液中的聚合物粒子产生溶解或溶胀作用，使粒子在较低温度时也能够随着水分的挥发产生塑性流动和弹性变形而聚结成膜，但在成膜后的较短时间内成膜助剂又能挥发从而不影响涂膜的玻璃化转变温度，并且高温下涂膜不会回黏。乳液的最低成膜温度对涂膜的硬度、玻璃化转变温度和低温涂装性能有重要影响。最低成膜温度高，涂膜的硬度和光泽高，但在稍低温度时不能涂装；最低成膜温度太低，低温涂装性能虽好，但涂膜玻璃化温度低，

高温发软回黏，耐污性差。成膜助剂的基本功能就是降低乳液以及乳胶漆的最低成膜温度，使乳胶漆能在低温下进行涂装。乳胶漆用的成膜助剂以高沸点的有机溶剂为主，有醇类、醇醚及其酯类等，许多涂料厂商生产乳胶漆时常选用醇酯-12。

1.3.4 防霉剂（杀菌剂、防腐剂）

防腐、防霉杀菌剂是防止建筑涂料微生物污染的有效方法。在水性体系中，杀菌剂是必不可少的助剂，微小的添加量就能确保水性涂料在生产过程、成品包装贮存、涂料成膜中不受细菌侵蚀。

选择防霉剂考虑的因素：防霉剂本身的稳定性、低毒性、杀菌抑菌效果、低挥发性等性能；防霉剂与添加体系的配伍性，如对基料性能无不良影响、两者的相容性好等；防霉剂的易分散性，一般防霉剂的粒度为 5~6 μm 时会具有最高的防霉效果；两种防霉剂配用的增效性，如内吸型杀菌剂与非内吸型杀菌剂配用具有互补增效效果。

1.3.5 增稠剂

增稠剂对水性氟碳涂料的增稠、稳定及流变等性能均有调节作用及改善功能。在水性氟碳涂料的生产阶段，增稠剂能提高乳液的稳定性，以及有助于颜填料的分散研磨。在贮存阶段，增稠剂将涂料中的颜填料粒子包覆于增稠剂的单分子层中，并由于黏度的增加而减缓颜填料粒子的沉降，改善了涂料的稳定性，并提高其抗冻融性和机械性能。在施工阶段，由于提高了涂料的黏度并使之具有触变性，使水性氟碳涂料在辊涂及刷涂施工的高剪切速率下黏度下降而不费力。涂施后剪切力消除，涂料黏度恢复，从而防止涂装时的流挂。同时，增稠剂还能延迟涂膜的干燥时间，改善水性氟碳涂料的涂装性能。水性氟碳涂料用增稠剂主要有无机增稠剂、有机纤维素增稠剂、水溶性聚合物和合成高分子增稠剂几大类。

2 涂料配制

2.1 原材料和配方

水性氟碳涂料的配方见表 2，所用的原料中，助剂全部使用进口产品，钛白粉为国外生产的易分散、高耐候性金红石型钛白粉。

表 2 水性氟碳涂料的配方

Table 2 The formulation of waterborne fluorocarbon coatings

2.2 制漆工艺

准确称量1~5 #原料加入容器中，搅拌10min，然后用砂磨机分散 2~3 h，细度合格后，低速搅拌下加入6~12 #原料的混合液，再用分散机分散约1 h即可。

3 试板的制备

3.1 底材处理

采用石棉纤维水泥平板为底材。石棉纤维水泥平板的处理方法：清除表面浮灰，经浸水使底板pH值小于10，并用200 #水砂纸将其表面打磨平整，清洗干净后，存放在温度为（23±2）℃及相对湿度为（50±5）%的空气流通环境下，至少存放 1周。

4 性能测试

研制的水性氟碳涂料的性能测试结果见表 4。由表 4可见：研制的水性氟碳涂料具有优异的性能，应用在墙面上比一般乳胶漆有更好的耐候性和耐化学品性，符合现代墙面装饰装修的要求，具有应用价值和良好的推广前景。

5 结语

随着科技的进步和人们生活水平的提高，涂料水性化将是涂料科学和技术发展的必然归宿，应大力开展氟聚合物的合成和涂料研究工作。目前我国生产、应用打下坚实基础，那产氟聚合物及其涂料的基本原材料，如氟碳表面活性剂、乙烯基醚单体、含氟烯烃单体等，还十分缺少而且异常昂贵，这在一定程度上制约了人们的研究和开发工作。但是，只要我们广大的科技人员共同努力，为水性氟碳涂料的生么水性氟碳涂料将迎来辉煌、灿烂的明天。