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浅析钛白粉对涂膜光泽的影响因素

时间:2020-04-16 17:45:07 发布者:联锴小微

王玲,王镇,罗蛟,郭晔


      钛白粉,被认为是目前世界上性能最好的一种白色颜料,广泛应用于涂料、塑料、造纸、印刷油墨、化纤、橡胶、化工、化妆品等工业。涂料行业是钛白粉的最大用户,特别是金红石型钛白粉,大部分被涂料工业所消耗。涂膜的光泽(除特殊要求外)在一定程度上是衡量涂料性能的一个重要指标。本文从钛白粉的粒度、表面处理、分散性、吸油量、颜料体积浓度(PVC)等方面,浅析了对涂膜光泽的影响,这些影响因素对钛白粉生产和涂料配方设计的控制具有重要的意义。


                                                           0  引言

     涂料,我国传统称为“油漆”,是一种材料,这种材料可以采用不同的施工工艺涂覆在物件表面上,形成粘附牢固、具有一定强度、连续的固态薄膜。这样形成的膜通称涂膜,又称漆膜或涂层  [1]  。


     光线投射到物体的表面发生光线的反射,物体表面对光线的反射能力称为光泽,不同物体表面的光泽是不一样的,衡量物体表面对光线反射能力的大小,称之为光泽度。物体表面的光泽越高,说明其反射光线的能力越强。影响涂料涂膜光泽的因素有很多,如树脂、颜填料、分散剂、颜基比、底材、涂膜颜色、表面的平整度等。颜料只是涂料组分的一种,颜料本身无光泽,涂膜才有光泽,但在实际生产中颜料特征的影响决定了涂膜的光泽[2]。钛白粉作为涂料中一种重要的颜料,其粒径、表面处理、分散性、吸油量以及在涂料中的添加量(颜料体积浓度,PVC)等参数对涂膜的光泽都有一定的影响。


                                                           1  实验部分

1.1   主要原材料


醇酸清漆(C01-1):工业级,常州光辉。丙烯酸树脂(LP64/12N):工业级,赢创化学。钛白粉、涂料通用助剂(稀释剂)均为市售工业品。


1.2 实验仪器


全自动混匀机(RH-1):郑州三华。自动涂膜机(PTA-2101):毕克化学。光泽度计(BYK4446):毕克化学。高速分散机(SFJ-400):上海现代。激光粒度仪(Bettersize3000):丹东百特。刮板细度计:上海现代。漆膜涂布器:槽深为(150),上海现代。

1.3 试验方法


称取相同质量的玻璃珠、丙烯酸树脂溶液(固含量26%)和钛白粉样品(颜料体积浓度PVC:16%),放入全自动混匀机中分散,将分散好的漆料放置在自动涂膜机上,用漆膜涂布器以固定的压力,约100mm/s的速度在镜面玻璃板上进行刮涂,形成平整的漆膜。在温度为(23±2)℃和相对湿度(50±5)%的条件下干燥16h后,进行光泽度的测定。测定依据为《GB/T 9754-2007色漆和清漆不含金属颜料的色漆漆膜的20°、60°和85°镜面光泽的测定》。(在此列示的,其后的试验均应使用到)


                                                           2、结果和讨论


2.1钛白粉粒度对涂膜光泽的影响


通过激光粒度仪测试不同粒度的钛白粉后,根据实验方法1.3测试其对应的额漆膜光泽。涂膜光泽和颜料粒度分布测定结果见表1


表1 涂料中钛白粉粒度和涂膜光泽


从表1测定结果表明,0.5μm以上的粒子含量多对涂膜光泽影响很大,同时也要关注0.2μm以下粒子(小粒子)在成膜过程中可能产生的聚集,都会使涂膜产生微观的凹凸,使光泽度降低。见图1。


图1:钛白粉粒径分布与涂膜的关系


2.2 表面处理对涂膜光泽的影响


表面处理属于钛白粉后处理工序的核心部分,又称为钛白粉的包膜。其目的就是提高钛白粉的应用性能,使其在不同的应用场合都具有优异的使用效果。包膜根据其在二氧化钛表面包覆所需物质的性质可以分为无机包膜和有机包膜,不同的包膜物对光泽的影响也会不同。选取了不同表面处理的钛白粉按照1.3实验方法进行涂膜光泽的测试,测试结果见表2。


表2 不同表面处理和涂膜光泽


从表2可以看出,不同包膜的钛白粉,漆膜的光泽会存在差异。目前国内的致密硅包膜工艺欠成熟,因此硅铝包膜产品相对于锆铝产品光泽度是偏低的。由于粒子表面不够致密均匀或疏松多孔、导致涂膜不够平滑,产生消光作用降低了涂料的光泽。同时采用TME为有机处理剂处理的产品相对于TMP、硅烷类处理的产品光泽略好。对于钛白粉生产企业来说还要关注表面处理后可溶性的杂质离子如:Na+、Cl-、SO42-等,这些会影响分散和分散稳定性。


2.3 吸油量对涂膜光泽的影响

颜料的吸油量指的是将100g钛白粉完全润湿需要油的最低克数,即把颜料与油刚好黏合成团的用油量。一般颜料粒子细,比表面积大,凝聚和絮凝的颗粒多,粒子间间隙大,吸油量就会高,接近球状粒子则吸油量低。对于溶剂型涂料,高吸油量的钛白粉在溶剂型涂料中,按照原有的配方进行配比、 研磨分散,一部分溶剂油被钛白粉吸收,使溶解树脂的油不足,树脂溶剂化程度降低,影响钛白粉对树脂的吸附,导致分散性和分散稳定性降低。同时,体系黏度增高,涂膜的流平性能差,影响了涂膜表面的平整度,从而降低了涂膜的光泽。以下为采用类似的表面处理工艺但吸油量不同的产品按1.3中的方法制成漆膜后的实验结果,见图2


图2  吸油量和光泽度的关系


从图2来看,钛白粉吸油量高,在溶剂型涂料中漆膜光泽相对要低,吸油量影响了涂膜表面的平整度,导致光泽的下降。


2.4 颜料的分散性对涂膜光泽的影响


涂膜的光泽与涂膜表面的粗糙度有紧密的关系,光线射到涂膜表面时,一部分被涂膜吸收,一部分会发生反射和散射。还有部分发生折射。涂膜表面越是平滑,则反射的光线越多,光泽就越高,反之,光泽就越低。粒子分布较集中,没有多的粗颗粒的钛白粉能够更好地、更加均匀地分散于体系中,易形成较平滑完整的涂膜,这样的涂膜光泽较高。见图3  [2]


图3 钛白粉分散程度和颜料特性



分散性的测定依照《GB/T 21868.3-2008颜料和体质颜料 评定分散性用的分散方法 第3部分:用高速搅拌机分散》进行,分散过程采用醇酸清漆(固含量:40%),在高速分散机的剪切线速度10.5m/s,高速分散时间10min,在高速分散之前要调整漆浆的黏度相同或相近,确保相同的剪切力进行高速分散,其测试结果如图4。


图4 分散细度和光泽度的关系



从图4测试结果来看,分散细度低的颜料,其漆膜的光泽相对比较高。未分散的颗粒越多,越易形成粗糙的涂膜层,从而降低了漆膜的光泽度


2.5 颜料体积浓度对光泽的影响


一般钛白粉涂膜伴随颜料体积浓度(PVC)的增加,镜面光泽有下降的倾向。如图5所示的丙烯酸涂膜。PVC在10%时涂膜存在12μm的缺陷,但其密度低,光泽高;随着PVC上升,如图6模型所示,缺陷尺寸变小,密度增加,光泽急剧下降。


图5 :丙烯酸漆的PVC和光泽的关系


6 表面微观缺陷生成模型

由以上结果可以看出,随着PVC的不断提高,漆膜的表面粗糙度也会有所提高。同时在成膜过程中溶剂挥发形成的下层和上层的对流使得颜料在漆膜中运动,使颜料在漆膜中分布不均,造成漆膜光泽的大幅下降 [3]


                                                      3、 结语


(1)钛白粉的粒径超过0.5μm的粗粒子含量及低于0.2μm粒子(小粒子)含量要少且粒径分布较集中,有利于提高涂膜的光泽;


(2)粒子表面包覆物致密会提高涂膜光泽,因国内致密硅包覆工艺欠缺,目前国内的锆铝包膜产品的光泽度好于硅铝产品,TME处理的产品光泽度略好于TMP、硅烷类。同时钛白粉生产企业要控制表面处理后可溶性的杂质离子如:Na+、Cl-、SO42-含量;


(3)钛白粉吸油量高会导致分散性和分散稳定性降低,体系的黏度增高,会使涂膜的流平性能差,影响了涂膜表面的平整度从而降低了涂膜的光泽;


(4)钛白粉的粒子分布比较集中且没有多的粗颗粒,能够更好的、更加均匀的分散于体系中,形成比较平滑完整的涂膜,涂膜光泽度高;


(5)在能够满足涂膜性能(遮盖、白度以及其他涂膜的机械性能)的前提条件下,可以通过适当减低PVC的方式提高涂膜的光泽。


综上所述,要想获得高光泽的涂膜,不论是钛白粉生产工厂还是涂料的配方设计,需要考虑钛白粉的影响因素。钛白粉只是涂料组分的一种,在涂料配方设计中还要考虑到树脂、分散剂、颜基比、底材等影响因素,在配方设计过程中找到最佳的平衡点以获得好的涂膜光泽。


参考文献:

[1] 涂料工艺编委会编著.涂料工艺 第三版上册[M].北京:化学工业出版社,1997:1

[2] 邓婕、吴立峰.钛白粉应用手册[M].北京:化学工业出版社,2005:27-28.

[3] 姜文涛.颜料体积浓度与漆膜的性质[J].上海涂料,2000,38(2):47-49.



联锴粉体高性能钛白粉,甄选高光泽、高遮盖力、高耐候性金红石型钛白粉,粒径集中在0.3-0.4微米,锆铝表面致密包覆,可溶性杂质离子含量少,吸油量低。

经过联锴特殊的表面亲水/亲油改性,大大提升钛白粉在水/油中的分散性能,在涂料/油墨应用中可以获得非常好的涂膜光泽。