水性色漿的配方設計

 近年來，隨著人們環(huán)保意識的增強，紛紛要求限制高VOC含量涂料的使用，歐共體更是制定標準，在2004年全面禁止有機溶劑的生產(chǎn)、銷售和使用，促進了涂料工業(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必將會更符合時代要求，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，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)使用和儲存的需要有時也會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，在選材上應選用具有優(yōu)良的耐候性、耐光、耐化學腐蝕及抗紫外線性能的優(yōu)質顏料。成品水性色漿應具有著色力強、流動性好、長時間儲存不結塊、不沉淀、不返粗、固含量高、產(chǎn)品黏度穩(wěn)定、泡沫低、不風干、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。

本試驗通過嚴格篩選及合理配方研制的無樹脂體系水性色漿，通用性強，儲存穩(wěn)定性良好，且在涂膜的豐滿度、硬度、耐磨性、光澤度、耐化學品性等物理化學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用價值。

1試驗部分

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(見表2)

2結果與討論

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，但由于其材質的多樣性和復雜性，在附著力、涂膜硬度等方面難以達到統(tǒng)一的標準，因此，合理搭配助劑，制備通用性強的水性色漿變得尤為關鍵。

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準中，都紛紛嚴格了8大重金屬的限量指標。顏料的顯色是由光線對其發(fā)色基團與助色基團的作用結果，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，粒子總有自動減小表面積的趨勢，從而發(fā)生絮凝的機會也會增大，不利于分散。在設計水性色漿配方時，對不同產(chǎn)品應控制一定的細度范圍。試驗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。在施工過程中會帶入氣泡，對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加以考慮。要達到理想的消泡效果，消泡劑應具有較低的表面張力，不溶于發(fā)泡液體，應以極細的顆粒均勻分布于發(fā)泡液體中。試驗對消泡劑進行了篩選，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，涂膜也不會產(chǎn)生表面缺陷。礦物油型消泡劑由于對涂膜光澤有影響，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，不但能防止顏料沉淀，使色漿具有良好的儲存穩(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，分散系的黏性結構及流變性問題，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)充分攪拌分散、硅醇基問形成氫鍵、產(chǎn)生立體網(wǎng)狀結構，增加分散體系的黏度，產(chǎn)生觸變流動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

從配方設計的角度考慮，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準。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涂料整體性能的影響D1。良好的色漿應和各種水性基準物體系(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，涂料儲存一段時間就會出現(xiàn)絮凝和沉淀。為解決相容性問題，筆者使用本試驗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，而水的表面張力比較高，蒸發(fā)潛熱大，其對塑料表面的潔凈性、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間，這需要通過配方技術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鍵。在使用水性色漿配色前，一定要做相容性試驗，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，不可能達到完全解絮凝(即顏料在體系中成原級粒子均一穩(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，導致浮色和發(fā)花，以至嚴重的沉降現(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結語

本試驗研發(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，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)保和健康意識的增強，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等特點而具有巨大的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的市場前景。