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技术配方 Case

微调零VOC建筑涂料配方

日期: 2013-11-29
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在建筑涂料应用方面,供应商和涂料生产商面临的主要挑战是要满足环境法规要求,同时生产的产品具有客户可接受的品质。最近几年,乳胶公司已经配制了玻璃化转变温度(Tg)为0℃~5℃的聚合物,不需要或只需要最少量的成膜助剂就能形成漆膜。然而,这些软的聚合物存在一些冻融稳定性、抗粘连性和耐沾污性方面的缺陷。

尽管某些性能如耐沾污性更多地取决于单体的组成和比例,添加剂如多官能团的中和剂也会影响包括包装稳定性、冻融稳定性和耐洗刷性等在内的涂料性能。


使用中和剂的配方灵活性

多官能团的中和剂能为配方设计师提供优化性能参数的灵活性。这些中和剂可能是无机的或有机的。涂料配方中使用的无机中和剂只是用来调整pH值。有机链烷醇胺用作中和剂,但是在涂料的使用期内,它们也会带给涂层多官能团的特征。链烷醇胺多官能团的优点包括共分散性、中和和通过优化配方实现流变性能的改善和降低VOC。此外罐内性能特征包括了像抑制闪锈腐蚀、提高储存时间和改善冻融稳定性等优点。

链烷醇胺作为中和剂,对于当今零VOC体系(<5 g/L)的涂料满足质量要求非常重要。除了无机中和剂氨水、氢氧化钠(NaOH)、氢氧化钾(KOH)、碳酸钠(Na2CO3)和碳酸钾(K2CO3)外,还研究了链烷醇胺2-氨基-2-乙基-1,3-丙二醇(AEPD™ VOX 1000)。结果显示了对涂料使用期内关键性能的影响。该信息为配方设计师解决零VOC涂料的质量和性能问题提供了灵活性。


研究

配方

本研究中使用不含成膜助剂的半光配方。为符合最新的配方发展趋势,选择丙烯酸乳胶(Rhoplex™ VSR-2015)作为半光配方的主要漆基。用AEPD VOX 1000中和剂、氨水、NaOH、 KOH、Na2CO3 和K2CO3来制备不同批次的样品。为显示多官能团的中和剂对无机分散剂的助分散影响,使用Tiona 596 TiO2浆料和Polygloss 90体质颜料的组合作为颜料体系。

表1显示AEPD VOX 1000是含有两个羟基官能团的伯胺。影响胺效率的因素是相对分子质量、碱强度和溶解参数。在考虑胺的效率时,碱强度(pKa)应该考虑。链烷醇胺中的羟基官能团能提供助分散作用,并改善涂料的其他性能如冻融稳定性和耐洗刷性。表2给出了无机中和剂的物理性能。


过程

用每种中和剂来制备半光涂料并满足pH要求(8.5-9.0)中和剂(表3)在研磨阶段的一开始加入,即在体质颜料Polygloss 90加入前加入。然而,Na2CO3 和K2CO3是在调漆阶段加入,因为在研磨阶段添加这些中和剂会成冻胶。


配方性能

在pH值为8.6-8.7时,碳酸钾是无机中和剂中效率最差的。初始配方的高剪切和低剪切黏度性能非常相似,氢氧化钾的低KU黏度例外。与所有无机中和剂相比,AEPD VOX 1000的颜料助分散效率最高。这些性能见表4。


光泽结果说明了AEPD VOX 1000中和剂作为助分散剂的作用。这种作用也可通过体质颜料Polygloss90的吸附研究进行测量。

图1显示了吸附到颜料表面的多官能团中和剂的质量百分数与其它链烷醇胺AMP-95™多官能团中和剂相当,后者通常用作乳胶漆配方的助分散剂。作为参照的聚合物分散剂是聚羧酸的铵盐。本研究中使用的两种链烷醇胺在高岭土上的助分散作用相似。


光泽提高

半光漆体系光泽的大小取决于乳胶/颜料的相对量和粒径。分散剂/表面活性剂影响分散效率,从而导致了光泽的提高。链烷醇胺作为助分散剂能提高光泽。

将待研究的中和剂以光泽提高的次序排列(最好至最差):AEPD VOX 1000> K2CO3= Na2CO3>NaOH>氨水>KOH。图2给出了光泽提高的情况。


分散稳定性

中和剂影响颜料的分散稳定性。图3显示在50 ℃放置四周后AEPD VOX 1000体系的光泽很稳定。将待研究的中和剂以经过四周后光泽稳定性的次序排列(最好至最差):AEPD VOX 1000> Na2CO3>NaOH> KOH>氨水>K2CO3。

pH稳定性

多官能团中和剂经过50℃老化四周后能很好的控制pH值。有机中和剂与无机中和剂相比有较好的pH稳定性(图4)。将待研究的中和剂以四周后pH控制得好

黏度稳定性

多官能团中和剂经过50℃老化四周后显示有很好的黏度稳定性。采用无机中和剂的体系经过50℃老化四周后,显示有很差的黏度稳定性(图5)。将待研究的中和剂以经过四周后黏度稳定性好坏的次序排列(最好至最差):AEPDVOX 1000>氨水>NaOH>Na2CO3> >K2CO3> KOH。


配方性能

零VOC配方在某些涂料性能方面存在缺点,见表5。抗粘连性、冻融稳定性和耐洗刷性性能测试显示不同中和剂之间存在不同程度的差异。

冻融稳定性

冻融稳定性试验按ASTM D2243方法进行,温度为-18℃(0℉)。由于零VOC配方不含乙二醇或丙二醇,未通过-18℃的测试,对所有配方都进行了-4℃边缘温度测试,结果显示不同配方之间存在差异。在所有中和剂中,氢氧化钾和碳酸钾未通过试验。


耐洗刷性

含有AEPD VOX 1000涂料配方的耐洗刷性与含碳酸钠的相比增加了>34.8%,与含碳酸钾的相比增加了>16.5%(图6和7)。


结论

本研究显示链烷醇胺能提高涂料配方中颜料的分散效率和分散稳定性。与所有无机中和剂相比,链烷醇胺AEPD VOX 1000多官能团中和剂显示有较好的颜料分散效率、分散稳定性、pH稳定性和黏度稳定性。在所有无机中和剂中,碳酸钠和碳酸钾显示有差的耐水性,使用碳酸钠时耐洗刷次数最低。总体上,KOH显示有最低的颜料分散效率、pH稳定性和黏度稳定性。使用碳酸钠和碳酸钾的抗粘连性略差。相对于所有其他无机中和剂和AEPD VOX 1000,使用氢氧化钾和碳酸钾的冻融稳定性较差。

使用无机和有机中和剂也发现存在过程方面的差异。在研磨阶段添加碳酸钠和碳酸钾会形成冻胶。而在研磨阶段添加AEPD VOX 1000能减少处理时间,这是由于助分散作用,我们能看到研磨阶段黏度的下降。

尽管配方能将上面提到的某些性能优化,除了过程方面的优点,还有许多性能如光泽、耐洗刷性和冻融稳定性对乳胶漆配方有直接的影响。

消费者和较多的行业法规要求生产的产品满足质量标准,具有低VOC或零VOC、没有气味等都给涂料配方设计师创造了难题。基于不断出现的技术约束,新的配方更多地要依赖于添加剂的功能。链烷醇胺能提供多种性能,包括最优化的颜料分散性、改进的pH稳定性和流变性能以及许多其他重要的性能。本研究证明了多官能团中和剂能给配方设计师提供技术方面的选择来解决当今的乳胶漆配方面临的挑战,即要环保、健康、安全和真正没有气味。


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