建筑涂料及其他应用领域中使用合成硅酸铝填料的优点

ucoat · 发表于 2007-11-29 17:37:26

简介
填料主要是由微粉化的天然矿物去除次要成分制成的。
从大量的天然填料中，只有小部分可以用于涂料和油墨工业；例如，72%的沉淀碳酸钙用于造纸工业，只有8%用于涂料，1%用于油墨。天然的硅酸铝，如高岭土，44%用于陶瓷制造，只有3%用于涂料。每年全球合成硅酸盐超过一百万吨，同样只有较小部分用于涂料工业。根据DIN 55943标准，填料是粉末物质，不能溶于应用介质，可用于改变体系的体积，并能达到或提高技术特性。而且折射率低于1.7的白色填料还具有类似颜料的功能。填料在成膜物质中单独使用时，因为和成膜物质折射率的差别很小，没有遮盖力。只有提高PVC值到接近临界体积浓度时，遮盖力才较为明显。主要的影响来自钛白粉的型号和用量。以前，填料原先是用于增加体积，降低涂料的成本。通过从颜料工业引进研磨和表面处理技术，填料开始开发出精细的产品，并提供更重要的性能。
合成硅酸铝
五十年以前为了开发出替代炭黑的填料，创造了沉淀法二氧化硅，被称为白炭黑。白炭黑生产工艺如下：

图1：生产工艺，硅酸铝

改变主要沉淀参数可以生产出不同规格的产品，其表面积从50到200m2。
在表一中，我们可以对比天然和合成硅酸铝指标的不同

	Synthetic silica	Synthetic Al-silicate	Kieselguhr	Quartz	Talc
Density g/cm3	2,3	2,1	2,5	2,65	2,7
Refractive index nD20	1,45	1,46	1,5	1,54	1,59
Oil absorption g/100g	250	140	130	25	40
Surface area BET m2/g	200-500	90	10-50	6	4
pH	3-7	9,7	10	7-9	8-10

表1：不同填料的数据对比

合成硅酸铝有更高的表面积，颗粒均匀，粒径分布更小，白度高，是纯粹的无定形产品。吸油量高，堆积密度低。市场上，我们可以找到各个公司的产品，比如拜耳、德固赛、格雷斯、胡伯以及英力士。这些产品的分析数据差别不大，只有应用和商业方面，能看到一些不同。
硅酸铝应用
在印刷油墨工业中，合成硅酸铝用于填料，可以降低成本，特别是丝网印刷，可以防止渗化以及其他工序中发生飞墨。合成硅酸铝在造纸应用中有广泛应用。在造纸工业中和涂料工业差不多，合成硅酸铝可以用于替代钛白粉来提高纸张白度，降低油墨渗化。在造纸涂装中使用合成硅酸铝可以提高表面光洁度，提高印刷性，增加白度和遮盖力。涂料工业也是一个主要用途，在各类涂料乳液，部分典型的空气干燥装饰涂料中，或多或少都要使用。
涂料厂商在乳液配方中使用合成硅酸铝的原因
· 提高白度
· 提高遮盖力
· 保证存储粘度的稳定性
· 稳定pH值
· 减少沉降
· 减少对涂料耐候性和耐磨性的负面影响
· 提高耐污性
· 降低成本(减少钛白粉用量)
合成硅酸铝在涂料乳液中的缺点
· 不利于提高价格 · 不利于分散性 · 添加量有限，(否则干燥易开裂)
怎样在涂料乳液中扬长避短，合理使用合成硅酸铝?
通常内、外墙涂料乳液配方都含有以下成分:

Water	25-45%
Wetting agent	～0,3% on pigment and filler
Defoamer	～0,1% on total
Thickener	～1-2%
Pigments	5-20%
Filler/Extender	20-60%
Org. Emulsion/Binder	10-25%>
Defoamer	～ 0,1%
Fungicide	～ 0,1%

表2：涂料乳液配方

工作良好的分散设备可以充分分散。除了搅拌力之外，重要的参数是分散盘和分散容器的位置关系。(如图)

图2: 分散设备几何尺寸 (DIN ISO 8780)

在乳液中使用合成硅酸铝时，必须作为第一个加入的粉末材料。这样可以避免灰尘污染，同时要保证充足的分散剂用量。
用量：涂料乳液领域是价格导向型的。配方的最高法则就是制造成本越低越好。由于钛白粉的价格高，配方就要或多或少的替代这种较贵的原料。我们看到在资料中，计算成本时有两种不同方法，首先计算的是钛白粉用量，其次是整个配方。
计算一个可变量是比较困难的。因为这会随着我们用合成硅酸铝替代的钛白粉数量进行变化。
另一个影响合成硅酸铝添加量的参数是--湿基遮盖力。具有优良湿基遮盖力的涂料乳液含有一定量的钛白粉。随着这种白颜料用量的减少，湿基遮盖力就会越来越低。这样，我们就必须权衡替代的程度，一般可以从10%到50%。
简单的说，当我们在计算整个配方中合成硅酸铝添加量时，一般少于5%是没有问题的。实际使用时，体积浓度以及成膜物质种类也对用量有一定影响。如果加的太多，涂膜将呈现高白度、高遮盖力，容易消光开裂。

图3: 开裂

图4: 白度

图5: 遮盖力

安全起见，添加到3%左右应该足够了，可以明显降低配方成本，提高应用性能。另一个可以讨论的参数是合成硅酸铝对湿基耐磨性能的影响。合成硅酸铝具有明显的多孔性，吸油量较高，DBP值也高。下面几个不同制造商产品对比，值越高，多孔性越高。合成硅酸铝对湿基耐磨性的影响很大。不过和上面提到的一样，不仅多孔性有影响。仅次于降低多孔性的因素是钛白粉的型号，以及成膜物质的种类。强化处理的钛白粉质量较好，润湿性能好的成膜物质也较好。

图6: 耐水洗性

关于在涂料乳液中使用合成硅酸铝，我们有以下结论：在涂料乳液中的恰当使用合成硅酸铝，可以部分替代了钛白粉，提高遮盖力和白度。由于减少了钛白粉用量，同时提高了遮盖力和白度，配方成本可以降低。要求较高湿基耐磨性的涂料乳液可以使用低孔合成硅酸铝，也就是DBP值，低吸油量的产品，配合强化处理的钛白粉和润湿性能优良的成膜物质。合成硅酸铝用于在基于醇酸树脂的，在空气中干燥的装饰涂料，已经有很多年了。由于这一类填料平均粒径低，可以产生消光效果的涂料。合成硅酸铝不是混合加入的那类消光剂，必须和颜料一起分散。通常叫做封闭涂料的使用方法是装饰中很有意思的应用，这种涂装材料有相对很高的PVC值，具有很好的遮盖力。使用合成硅酸铝会影响以下指标：首先，可以替代钛白粉，同时不影响遮盖力。

图7: 涂料和涂刷

用合成硅酸铝可以产生很好的消光效果，缩短干燥时间，提高这类涂料的耐磨性。由于这类填料的高pH值，在储存时可能产生轻微的触变性，这可能会影响实现优秀的流平性，不利于涂刷和防止流挂。
结论
通过在装饰涂料中使用合成硅酸铝，可以提高PVC值，并通过提高上述多个性能来降低涂料配方成本。