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水性蠟產品的進展及其在涂料中的應用

2019-12-12
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摘要

摘要:介紹水性蠟產品近年來的技術進展及在涂料行業中的應用。關鍵字:水性 蠟 涂料隨著涂料領域環保要求持續提高,水性涂料的應用和探索逐步深入。水性助劑的研發也隨之深入。水性蠟助劑是水性涂料的重要助劑之一,為涂料提供防粘、抗摩擦、抗劃傷、調整光

摘要:介紹水性蠟產品近年來的技術進展及在涂料行業中的應用。

關鍵字:水性 蠟 涂料

隨著涂料領域環保要求持續提高,水性涂料的應用和探索逐步深入。水性助劑的研發也隨之深入。水性蠟助劑是水性涂料的重要助劑之一,為涂料提供防粘、抗摩擦、抗劃傷、調整光澤、抗沉降、疏水、拋光等作用。水性蠟助劑的常用原材料包括石蠟、聚乙烯蠟、費托蠟、蒙旦蠟、棕櫚蠟、微品蠟等。可以單獨或者復配使用,性能各有差異,再加上乳化配方和工藝的變化,各種品牌、型號產品差異較大,在涂料助劑中顯得比較特別。

近年來,高性能原材料不斷引進和國產化;國內廠家從單純對國外產品模仿發展到針對市場需求的獨立創新;新乳化技術包括界面乳化、低能乳化、微乳化等大量應用;高剪切乳化機、高壓均質機等新型乳化設備研究推廣。尤其是涂料行業不斷擴大需求和提高要求,國產水性蠟產品取得不少進步。

本文介紹水性蠟助劑尤其是國產產品的一些進步,及其在涂料行業中的應用發展方向。

(一)乳化法生產高熔點聚烯烴蠟水分散體

聚烯烴蠟(聚乙烯蠟、聚丙烯蠟、費托蠟)可制造成4-10μm粒徑的水分散體,在水性涂料中提高抗劃傷性、抗磨性。一般的生產方式是利用研磨等物理手段先制備微粉化蠟,再利用分散劑等表面活性劑將微粉化蠟分散于水中。這種方式制成的蠟分散體,作為固體,聚烯烴蠟和表面活性劑沒有相互組合。而且由于蠟的非極性,理想的浸潤包覆也很難實現。蠟分散體加入涂料后表面活性劑被沖稀,分散作用下降,涂料儲存和使用過程中很容易出現浮蠟現象。

我們在近年來開發成功的乳化法生產蠟水分散體技術克服了在涂料中的分散問題,經高溫熔融的蠟(油狀)在乳化劑和設備的高剪切作用下形成合理粒徑的分散粒子,冷卻后轉為固體粒子的懸乳液。其空間結構類似于乳液膠束,乳化劑親油基溶于蠟粒子,親水基與水相形成良好結合,從而大大提高了分散體的分散穩定性。

乳化法生產蠟水分散體在顯微鏡下呈較均勻的球形分散,改變配方和工藝條件可實現在0.5μm-10μm的粒徑調整。我們已經成功開發了聚乙烯蠟、聚丙烯蠟和費托蠟系列產品。

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圖1 一種較大粒徑聚乙烯蠟水分散體電鏡圖片

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圖2 一種較小粒徑的費托蠟水分散體電鏡圖片

表1例舉了一種乳液穩定性特別好的聚乙烯蠟水分散體的技術指標,該產品在用水開稀40倍后又加熱到90度保持15分鐘,簡單搖勻后仍然能形成穩定乳液,沒有聚結浮蠟現象。

表1.聚乙烯蠟水分散體V806的技術指標

V806A性 能

材料聚乙烯蠟

針入度≤0.5

熔點(℃)132

粒徑(μm)2-4

乳化體系非離子

外觀乳白色液體

含固量(%)40

(二)防粘以及石蠟乳液的技術進步:

水性單組份涂料受其成膜機理決定而普遍存在的問題是干燥速度慢,易發生粘連和回粘現象。蠟助劑在水性涂料中作為防粘助劑,其作用機理主要表現在以下幾點:

①蠟粒子遷移到涂層表面,形成隔離,減少了膜之間的粘合力。

②蠟粒子在尺寸足夠大的情況下在體系內作為骨架材料,減輕了面接觸時產生的膜的壓縮形變,因此減少了接觸面,從而減輕了粘合性。

③蠟形成的隔離膜疏水性好,減少了因吸收水份變濕的概率,從而減少了回粘現象。

由②推論的結果是大顆粒的PE、PP等聚烯烴硬蠟粒子,會作為良好的骨架在體系中應用,而適合①③要求的蠟其實是分子量更低,疏水性較好的非極性蠟—石蠟。

石蠟分子量低、結晶性好,非極性強,易遷移到涂層表面形成薄膜,同時石蠟的疏水性在蠟里面是最好的,加上其物理性能呈惰性,對人體無害,成本低,所以石蠟乳液在水性涂料中有廣泛的應用潛力。但傳統石蠟乳液具有兩大缺點:

1、粒徑偏大,除了對涂層光澤產生消光影響外,蠟超過熔點熔融后易產生相分離,造成蠟析出凝聚在表面,產生噴霜現象。

2、為控制乳液粒徑,乳化劑使用過度,造成蠟的極性和疏水性被破壞,涂料的防粘和疏水效果變差了。

這兩個缺點又相互制約,導致實際上水性石蠟乳液在涂料中應用面很窄。

近年來由于蠟乳化技術的進步,聚合物乳化劑和高能乳化技術的推廣,新一代石蠟乳液已可以克服以上缺點。

表2.一種石蠟乳液性能指標

TL-50501性 能

外觀蘭相白色半透明乳液

固含量(%)40

粒徑(μm)0.2-0.4

涂層光澤(單涂)>50

離子形態非離子

作用防粘、疏水、不起霜

我們用上述石蠟乳液加入丙烯酸乳液外墻涂料,制片后在60度放置4小時,冷卻后沒有表面起霜現象。此類產品在建筑、紙品、紡織、木器等領域存在巨大的應用潛力。

(三)以聚合物蠟為基的復合材料

蠟又可稱為低分子量的高聚物,在保持高聚物性能的同時,可以采用乳化、粉碎、溶解等手段進行加工,而且粒徑可以控制。我們可以利用蠟的易加工性能制備各種復合材料。

1.不同蠟產品的搭配:

1.1“雙峰結構”即兩種同類但粒子粒徑差異較大的蠟助劑搭配使用,在粒徑分布上出現兩個峰值。其應用性能好于單獨使用一種。

實例1:利用雙峰結構提高水性印刷上光油的抗磨性。

表3.一種上光油配方

丙烯酸軟乳液(Tg=-5℃)45g

丙烯酸硬乳液(Tg=80℃)30g

固體丙烯酸溶液(30%)10g

潤濕劑(OT-75)2g

消泡劑0.2g

防腐劑0.5g

蠟助劑 5g

在其他組分不改變的情況下選用一種粒徑為0.2微米的蠟乳液和一種粒徑為5微米的蠟水分散體搭配使用,改變比例,分別評價耐摩擦和光澤度。

表4.雙峰結構實驗結果對比

實驗編號123456

蠟乳液用量0g1g2g3g4g5g

蠟分散體用量5g4g3g2g1g0

抗摩擦實驗等級212334

光澤度475254565761

注:實驗中制片采用涂膜制備:按GB1727-92,采用浸涂法;耐磨性測定:使用MCJ-01摩擦試驗機,磨塊為4磅,以400次后涂膜的劃傷判定表示,平行進行三次;光澤度的測定,測量其60℃光澤度。

光澤度的測定小粒徑蠟粒子與大粒徑粒子搭配,在抗摩擦實驗中優于單獨使用大粒子蠟。其主要原因應該是蠟層的致密度的提高,在漆膜形成中小粒子嵌于大粒子間隙,可在漆面形成更緊密的堆積,使蠟層密度提高。從而提高了漆膜的抗劃傷、耐磨和防粘性。同時消光傾向隨大粒徑蠟用量的減少越來越輕。

1.2“冰刀效應”指一種低熔點蠟和高熔點硬蠟搭配在受到摩擦時低熔點蠟接觸摩擦部位因局部溫度升高而熔融,對界面形成額外的潤滑效果。如石蠟乳液搭配聚乙烯蠟乳液等。

實例2:

我們使用表3所示水性上光油為基,采用一種石蠟乳液(0.3μm)與一種聚乙烯蠟水分散體(5μm)搭配,測試結果見表5

表5. “冰刀效應”實驗結果對比

實驗編號123456

石蠟乳液用量0g1g2g3g4g5g

蠟分散體用量5g4g3g2g1g0

抗摩擦實驗等級213445

光澤度474951525355

石蠟硬度低,正常抗磨很差,但在20%的添加比例時耐磨效果優于全部使用聚乙烯蠟分散體,“冰刀效應”得到驗證。使用其他低熔點蠟也有類似效果。

2.蠟與其他材料構成復合材料

以下的復合,不是指單獨的物理復配。這里強調采用各種包覆方式,讓蠟與無機化合物、硅氧烷等形成理想的微觀空間結構,從而實現各種材料優勢效果最大化。其實所謂用蠟表面處理的消光粉就是用水性蠟對消光粉進行包覆的復合材料。這類消光劑在涂料行業應用很廣泛了。

專利CN201310441008.7公開了一種負載納米二氧化硅的蠟水性分散體及其制備方法和用途,該發明采用納米級的二氧化硅粒子通過硅烷偶聯劑負載在微米級的蠟顆粒上形成的有機無機復合水性分散體,用作涂料、油墨、皮革涂飾,織物整理的助劑,起耐摩擦、耐沾污、耐磨損、消光、易擦洗等作用。也有關于光觸媒、石墨烯等新型功能材料以蠟為載體的研究報道。

我們正在開發使用硅氧烷低分子量聚烯烴的核殼結構的分散體,利用有機硅的潤滑效果和蠟的硬度的性能結合,在涂料起到保護作用,并且提供了良好手感。

作為環保健康的高分子材料,今后蠟助劑應該向多功能和復合材料方向發展,依靠蠟的加工便利開發更多的新型助劑,滿足并協助涂料行業的水性化進程。

參考文獻:

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技術與工程,2008,38(12):37-40。

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[3] 于海闊.負載納米二氧化硅的蠟水性分散體及其制備方法和用途

[P].中國專利:CN103467829A,2013-12-25。

[4] H·-D·克里斯蒂安;J·舒伯特;U·施梅爾. 表面改性的沉

淀二氧化硅 [P]. 中國專利:CN102161845A,2011-08-24。

作者簡介:楊衛寧(1970-),1990年畢業于北京化工大學材料學院,高級工程師,擁有6項發明專利。


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