水性建筑涂料的配方设计原则

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水性建筑涂料的配方设计原则
Principles of Formulation for Water-based Architecture Coatings
　　林丹
　　摘要：本文介绍了水性涂料的基本概念、组成及成膜机理。叙述了涂料配方设计的基本原则。讨论了内外用建筑涂料配方设计中的颜料体积浓度及临界颜料体积浓度并对配方设计中的基本要求、原材料的选择和最终配方的调整进行了叙述。

Abstract: This article introduces the basic concept, components and mechanism of film formation of water-based paint, narrates the key formulating principles，discusses the PVC , CPVC , raw materials selection and formulation adjustment of formulating interior and exterior architecture paints.

关键词：水性涂料、乳胶漆、基料、颜料、填料、助剂、最低成膜温度、配方设计、颜料体积浓度、临界颜料体积浓度、标准、配方调整
Keywords: water-based paint, emulsion paint, binder, pigment, extender, additive, MFT, formulation, PVC, CPVC, standards, formula adjustment
　　1 前言

　　配方设计就是选择合适的涂料组分以提供适宜的物理、化学性能来满足最终的使用要求。配方设计是一项集经验、创新、逻辑思维及对各种涂料原材料的充分认识于一体的工作。
　　2 水性涂料的概念、组成及成膜机理

　　2．1 水性涂料的概念
　　水性涂料：凡是以水作为溶剂或者分散在水中的涂料都叫做水性涂料。水性涂料一般是指水分散涂料。通常包括水乳型分散体涂料和水稀释性分散体涂料。在此篇文章中的水性建筑涂料是指水乳型分散体涂料，主要指乳胶漆。

　　乳胶漆：是指以合成树脂乳液为基础，使颜料、填料、助剂分散于其中而形成的水分散体系涂料。合成树脂乳液是指在机械搅拌下，通过乳化剂的作用，不饱和单体通过加成聚合而成的树脂小粒子团分散在水中形成的分散液。

　　2．2水性涂料的组成
　　水性涂料，通常由基料、颜填料、助剂和水四个部分组成。

　　粘结剂或基料：基料是涂料的主要成膜物质，能将颜填料粘结在一起，形成涂膜，提供涂膜基本的物理性能和化学性能，是影响涂料性能的首要因素。它影响涂膜的硬度、柔韧性、耐水性、耐碱性、耐擦洗性、耐候性、耐沾污性、涂料的成膜温度及对底材的结合强度等性能。因此，在设计配方时，要根据涂装的环境及要求，选择合适的乳液品种作为基料。常用的基料有醋丙乳液、苯丙乳液、纯丙乳液、硅丙乳液等。

　　颜料或填料：颜料或填料是涂料的次要成膜物质。颜料主要起着色和遮盖作用。填料在涂料中没有着色作用，遮盖作用也很小，但能增强涂膜的强度，提高耐久性，还可以增加涂料的体积，降低涂料的成本。颜填料对涂料的其它性能也是有影响的，影响漆膜的光泽、保色性、硬度、耐久性等。因此在设计配方时, 要选择合适的颜填料, 以达到适当的要求。常用的颜料有白色颜料和有色颜料。白色颜料如钛白粉、立德粉等。有色颜料如铁红、铁黄、铁黑等无机颜料和酞菁蓝、酞菁绿、汉沙黄等有机颜料。

　　助剂：少量添加即能够显著改善涂料的多种性能。助剂在涂料中的主要作用有：改善颜填料在水中的分散性，提供涂料的贮存稳定性、改善涂料的成膜性及涂膜外观、满足涂料生产的工艺要求及满足不同的施工要求。水性涂料常用的助剂有成膜助剂、分散润湿剂、消泡剂、增稠剂及流变改性剂、防霉剂防腐剂、pH调节剂、防锈剂及防冻剂等。

　　水：水是水性涂料的稀释剂，可以调节涂料的流动性和粘度。

　　2．３ 水性涂料的成膜机理

　　水性涂料，在此指乳胶漆，它的成膜过程一般认为分为三个阶段：聚合物和颜料颗粒的靠拢；颗粒的堆积、变形；最后聚结成膜。成膜过程参见图一。
　　水的挥发 　　　水的挥发 　　颗粒靠拢 　　堆积、变形 　成膜图一：乳胶漆的成膜过程
　　乳胶漆施工后，由于水分挥发，聚合物颗粒和颜料颗粒相互靠拢，随着水分的进一步挥发，逐步达到紧密堆积状态。此时颗粒密度变大，失去流动性。干燥过程继续进行，一般认为此时在缩水表面产生的力及毛细管力或表面张力的作用下，颗粒彼此接触，发生变形和聚结。能否形成连续的涂膜，则要看聚合物的最低成膜温度（MFT, minimum film-forming temperature）, 此时如果周围环境温度高于MFT, 则聚合物颗粒变形、缠绕、聚结，形成连续膜。若周围环境温度低于MFT, 则不能形成连续膜，影响涂料的性能。

　　为了保证乳胶漆能很好的成膜，乳胶漆中通常需要添加成膜助剂，成膜助剂可以适当降低乳胶漆的最低成膜温度。尽管如此，乳胶漆的施工温度仍有一定的限制，通常要求施工温度高于5oC。

　　乳胶漆的成膜除了与温度有关之外，与环境的相对湿度、基层的含水率等都有一定的关系。
　　3．涂料配方设计的基本原则

　　涂料的配方设计是为了满足一定的需求，在开始涂料配方设计和选择原材料之前，一般需要考虑下列几个市场需求和应用需求等基本原则：

　　涂覆的基材和目的：如需要考虑涂覆的基材的材质，涂料是内用还是外用，是起装饰、保护还是特殊作用等。
　　涂膜的基本物理性能：主要包括涂膜的外观，比如遮盖能力、光泽、颜色、涂布率等。
　　涂料的施工条件和工艺：施工的环境温度；是刷涂、滚涂还是喷涂。
　　涂膜的老化性能和各种抗性：包括耐候性、耐水、耐碱、耐洗刷等性能。
　　涂料的成本：主要包括原材料成本及生产成本等。一般来说，高档产品，其性能要求高，成本可以高些；较低档产品，性能要求较低，成本可以低些。
　　环保和安全要求：主要考虑VOC 和各种有害物质的限量。
　　通常来说，一般的配方设计工作，主要包括：新产品开发、原材料替换、降低成本、产品改进等。
　　4．内外用建筑涂料的配方设计

　　 4．1建筑涂料的颜料体积浓度PVC
　　 颜料体积浓度(PVC)和颜料体积浓度（CPVC）是配方设计过程中非常重要的参数。
　　颜料体积浓度是指涂膜中颜料和填料的体积占涂膜总体积的百分数。涂料中的固体成分主要是颜料、填料和基料。PVC越高，则表示基料越少，颜料、填料越多；反之则基料多，颜填料少。
　　　　　 PVC（%）=颜填料体积/（颜填料体积+基料固体体积）
　　颜料体积浓度可以影响漆膜的光泽、漆膜的耐久性、干遮盖力、抗沾污性等。
　　不同光泽建筑涂料的颜料体积浓度与配方中基料的含量的关系可以参见表一。

　
　　表一：不同光泽建筑涂料的PVC与基料含量 　　光泽是涂料的基本物理性能之一，是涂膜表面对光的反射能力，可以通过仪器测量涂膜表面上由垂直方向开始的三个不同角度（20o，60o，85o）的反射率而得到。20o的光泽度一般用来描述高光泽涂膜。60o的光泽度最为常用。85o的光泽度一般用来表示平光涂料的光泽。见图二。
　　图二：不同角度的光泽度　　临界颜料体积浓度（CPVC）是指基料恰好能包覆颜料和填料粒子，并且基料填充于颜料填料粒子之间的空间时的颜料体积浓度。当涂料的PVC超过CPVC时，基料就不能将颜料填料的空隙填满，此时未被填充的空隙将由空气填充，涂膜的性能将急剧下降。

　　4．2内用建筑涂料的配方设计

　　4．2. 1 内用建筑涂料的分类
　　内用建筑涂料按光泽一般可分为平光涂料、蛋壳光涂料、半光涂料和高光涂料。基料和颜料的类型和用量一般决定了涂料的光泽。高光涂料一般乳液含量高、颜填料含量较少，基料可以将颜料粒子完全包覆。低光泽涂料则相反。

　　4．2. 2 内用建筑涂料的要求

　　内用建筑涂料一般要求涂料稳定性好，涂膜细腻、色彩柔和，要有一定的耐水、耐碱性和耐洗刷性，涂膜透气性要好，施工方便，能满足环保及低气味要求。同时为满足多色彩的要求，要具有可调色性。

　　中国的内用建筑乳胶漆要满足GB/T9756-2001《合成树脂乳液内墙涂料》的标准及GB 18582-2001《室内装饰装修材料 内墙涂料中有害物质限量》的标准。在GB/T9756-2001标准中按照涂料的不同等级对涂料在容器中的状态、施工性、涂膜外观、对比率、耐碱性、耐洗刷性、低温稳定性等性能均有明确规定。在GB 18582-2001标准中对挥发有机化合物（VOC）含量、重金属含量等均有明确规定。

　　4．2. 3 内用建筑涂料原材料的选择

　　基料的选择：内用建筑涂料由于对耐老化性能的要求较低，一般选用醋丙乳液、醋叔和苯丙乳液。乳液的耐水、耐碱性、机械稳定性要好。由于苯丙乳液粘结颜料的能力好，因此在满足耐洗刷性能上较有优势，应用也较多。

　　颜填料的选择：涂料中的颜料主要起装饰和提供遮盖力。首先颜料要满足这一要求，其次，为保证生产的顺利进行，应注意颜料的分散性。对于内用颜料，老化性的要求不高。但由于建筑涂料通常涂刷于碱性较高的水泥砂浆等表面，因此对颜填料的耐碱性要求较高。填料可以降低成本，影响流变、流平等。选择填料时，要考虑细度、吸油量、颜色白度等。

　　助剂的选择：润湿分散剂要注意分散润湿性能及是否适合已选用的颜、填料及乳液；增稠剂流变剂要注意选择不同类型的产品进行搭配使用并比较增稠效果和施工性能，适当的搭配会使涂料具有良好的开罐效果并使涂膜具有较好的丰满度；消泡剂要具有脱气能力与适当的破泡速度；同时在选择助剂时要考虑各种助剂给漆膜带来的负面影响，负面影响主要在于抗水、展色性、涂料稳定性等方面。任何助剂的添加量都要以解决问题为依据，不要过量添加，否则成本提高，而性能反而有所下降。另外助剂的选择，也要考虑避免助剂之间发生相互作用，通过试验，选择合适的助剂。

　　4. 3 外用建筑涂料的配方设计
　　4. 3 . 1 外用建筑涂料的分类
　　外用建筑涂料按光泽不同，可分为平光涂料、蛋壳光涂料、半光涂料和高光涂料。

　　按质感不同，又可分为薄质外用涂料和厚质外用涂料。厚质外用涂料主要是指浮雕漆及各种具有花纹装饰效果的涂料。

　　4. 3. 2 外用建筑涂料的要求

　　外用建筑涂料由于应用在室外，周围环境较严酷，因此外墙涂料要有以下几项基本性能：涂层具有抗水抗渗透性、耐粘污性、涂层耐温变性、冻融稳定性、耐久性等。并且在风吹、日晒、雨淋等的老化作用下，涂层不应出现龟裂、脱落、粉化、变色等现象。同时要求具有可调色性、施工方便，能满足环保要求等。

　　中国的外用建筑涂料应符合GB/T 9755-2001《合成树脂乳液外墙涂料》的标准。在这一标准中按照涂料的不同等级对涂料在容器中的状态，施工性、涂膜外观、对比率、耐水性、耐碱性、耐洗刷性、耐人工老华兴、耐沾污性、低温稳定性、涂层耐温变性等性能均有明确规定。
4．3. 3 外用建筑涂料原材料的选择
　　基料的选择：外用建筑涂料由于对耐老化性能的要求较高，一般选用苯丙乳液、纯丙乳液及硅丙乳液。乳液要具有较高的耐候性，如较高的保光保色性、抗粉化等性能。苯丙乳液由于其性能价格比具有一定的优势，其应用较多。

　　颜填料的选择：对于外用颜填料，老化性的要求较高。应选用耐久性好的颜填料。同时颜填料的耐碱性要高。外用白色颜料一般选用金红石型钛白粉，金红石型钛白粉具有优异的遮盖能力和抗老化性。有色颜料应尽量选择无机颜料或耐候性好的有机颜料。

　　助剂的选择：助剂的选择除了要遵循前述的内用助剂选择的原则外，更要注意尽量选择耐水好的各类助剂，以提高涂料的耐水性。

　　4. 4 配方的调整

　　不论内用涂料还是外用涂料，实验室配方确定之后，就要测定根据这一配方所制备的涂料的各项性能，分析这些性能是否能满足各项要求。按照要求调整配方后，要进行车间试产。然后再次进行各项性能的检测，往往车间试产后，会发现配方需要进一步调整。配方调整完毕后，还应进一步进行现场施工应用等性能测试，收集各项数据后，进一步完善配方至各项性能及成本符合要求为止。此时整个配方设计工作才算完成。