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在水性建筑涂料中的应用绿色环保型抗冻融助剂

作者:施超,高博,科莱恩特种工业和消费品涂料业务技术部,中国上海   |  发表于:2016-07-22   |  关键词:,助剂,建筑涂料,乳胶漆,色浆,成膜助剂   | 摘自: 2016年美国PCI中文版电子杂志5月刊

作者:施超,高博,科莱恩特种工业和消费品涂料业务技术部,中国上海

随着人们生活水平的不断提升以及人们对生活居室环境要求的不断提高,乳胶漆领域的行业要求不断严格,如何在现有的技术方法中有所突破,寻求能够解决客户环境问题的新方法、新原料来替代目前市场大环境下的一些定式、一成不变的涂料产品概念,已经成为能够引领行业未来发展以及左右公司未来定位的关键。

人们对环境的关心推动涂料不断绿色环保化,现如今室内环境面临的主要问题是甲醛和挥发性有机化合物(VOC)等有害物质的超标。甲醛对人体的影响主要集中在刺激、过敏及致畸等几个方面,其中刺激表现在对皮肤粘膜及呼吸道;过敏表现在皮炎、色斑及支气管哮喘;而较为严重的情况下可引起鼻咽等生理组织的肿瘤以及癌变,孕妇长期吸入可导致胎儿死亡,男性长期吸入则导致精子畸变或死亡。VOC有嗅味,有刺激性,而且有些化合物具有基因毒性。

目前认为,VOC能引起机体免疫水平失调,影响中枢神经系统功能,出现头晕,头痛,嗜睡,无力,胸闷等自觉症状;还可能影响消化系统,出现食欲不振,恶心等。严重时可损伤肝脏和造血系统,出现变态反应等。所以,未来的内墙涂料产品若想达到一个新的高度必然是迈向环保及人类友好型方向,抗甲醛及低VOC乃至零VOC的涂料的开发是必然趋势。

目前国内对甲醛的检测内容主要有2005年的《环境标志产品技术要求水性涂料》中,涂料内甲醛的限为100mg/kg,而VOC含量要求为100g/L(扣水),在最新的 GB 18582-2008中的《室内装饰装修材料内墙涂料中有害物质限量》对甲醛限量的要求是≤100mg/kg,VOC含量则是120g/L,而更严苛的十环HJ/T 201-2005 的标准也更新到HJ 2537-2014 中≤50g/L的新要求。

市场上低VOC涂料成为行业的最新概念,但水性建筑涂料本身都通过二醇类物质作为低温环境的冻融保护剂,而这些二醇类物质也正是主要的VOC来源,为了能够完全去除这些物质找到一些合适的替代品,科莱恩公司早在几年前就开始着手研究如何在保证产品高性能(耐擦洗、耐污渍等达到GB优等品要求)的前提下,使用非低凝固点降低体系凝固点的方法达到同样的抗冻融效果。

目前,科莱恩已经和多家知名建筑涂料企业合作开发了相关的低VOC建筑涂料产品,这些产品已经保持领先并且引导建筑涂料市场迈向可持续发展的新方向。

本文主要介绍绿色环保型抗冻融助剂Dispersogen LFH、LFA & Genapol 2070[(PVC∈(40,80)]在水性建筑涂料中的应用。

环保型抗冻融助剂作用机理

不同于一般的降低凝固点来保证涂料低温冻融性的机理,这些冻融保护剂通过在乳胶粒子周围形成稳定的空间阻隔作用而使乳液在低温下更加稳定,从而降低了乳液在低温环境下受到体系中水结成冰后的挤压变形的风险。与此同时,由于这些助剂具有一定的的亲水作用,在降低或去除了二醇类助溶剂后涂料的开放时间能有一定的保障,对涂料施工性影响不大。

涂料施工过程中的开放时间不缩短

助溶剂是指乙二醇、丙二醇、200号溶剂油等一些溶剂,这些助溶剂能软化或溶解乳胶颗粒,协同成膜助剂促进乳胶漆成膜。这些助溶剂挥发速度比水慢,所以有利于延长乳胶漆的开放时间和搭接时间,从而有利于乳胶漆在基面上的铺展,并且避免出现接痕。没有了助溶剂的帮助,不但使乳液干燥过程水分蒸发过快而影响涂料成膜性,而且过快的涂料水分蒸发速率大大缩短了涂料两道施工间的开放时间,增加了施工的难度。经过大量试验发现利用一些较为亲水的润湿剂能很好的保水,并能提高对颜填料的润湿能力,通过这个发现来延长涂膜的干燥时间,同时通过适当降低固含量及增加纤维素增稠剂用量来提高粘度从而从而控制水分的挥发速度。由于Dispersogen LFH 与Dispersogen LFA 这两个产品特殊的阴离子结构,具有较好的亲水性能;与此同时它们会随着漆膜干燥而挥发,不会残留在涂膜中,从而对涂料漆膜性能影响较小,很好的克服了涂料在去除助溶剂后开放时间严重缩短的问题。

不加助溶剂丙二醇而保证良好的抗冻融稳定性

从提高涂料冻融稳定性来说主要的方法不外乎两点,一是提高涂料冰点,使其在低温环境下不容易结冻,另一种就是提高乳液的抗冻融稳定性,这样即使涂料在低温环境下冻结,乳液也不会发生破乳等问题从而保证了化冻后能恢复原来的状态,而助溶剂冰点较低,能降低乳胶漆的冰点,提高乳胶漆的低温稳定性和防冻能力,二醇类助溶剂还能降低缔合型增稠剂的增稠效果,没有了助溶剂后我们利用添加一定量的能保护乳液双电子层结构的表面活性剂提高乳液的抗冻融稳定性,让体系在冻结后保持乳液性状的稳定,不至于出现化冻后破乳的问题,需要提高这方面的性能,所用的助剂必须能较好锚固在乳液表面并有一定的分子量从而在乳液周围形成较大的空间位阻作用,并且保证体系的粘度及流动性等的整体稳定性。

保证抗冻融性能的同时其它性能不受影响

涂料的主要性能指标是耐擦洗、耐水及展色性,这些性能要求整个体系原材料的相互协同作用水性建筑涂料的最大优势是以水作为溶剂,但这同时也使整个体系存在较多的极性物质,使体系的稳定性较难调整,科莱恩抗冻融稳定助剂Dispersogen LFH和Dispersogen LFA在提供产品低VOC前提下,对耐擦洗等性能影响小,同时由于它们具有特殊的化学结构,对颜料的锚固作用也较好,可进一步提高一些建筑涂料体系对无机、有机色浆的着色力,改善颜色相容性问题。

实验内容及结果 

Dispersogen LFH,LFA & Genapol 2070用于中高档涂料

把抗冻融助剂Dispersogen LFH,LFA & Genapol 2070[(PVC∈(40,80)]应用于中高档涂料的实验内容及结果见表1,2,3。

表1

表1是60% PVC,单独使用Dispersogen LFH的涂料配方与其它配方的对比实验数据。从数据中看出:Dispersogen LFH在60% PVC的涂料配方中,可以完全保证体系的抗冻融性能,与此同时还尽可能少的影响涂料的耐擦洗结果,同时还能明显降低涂料的罐内VOC含量。 

表2是将在Dispersogen LFH和Genapol 2070搭配使用在涂料配方中的结果对比。从No. 6和No. 7样品的测试结果可以看出,当Dispersogen LFH和Genapol 2070搭配使用时,产品在经过5个循环的冻融测试后具有更好的流动性及体系稳定性,产品的耐擦洗性能下降亦并不明显。

表2

表3是Dispersogen LFH,LFA与Genapol 2070 在不同PVC下的粘度稳定性测试结果。在不同的PVC下,Dispersogen LFH,LFA与Genapol 2070的复配配方同样拥有很优异的粘度稳定性,和一般表面活性剂以及市售抗冻融稳定剂相比,其对粘度的控制及各PVC下通用性都表现的非常优异。

表3

把抗冻融助剂Genapol 2070 与 PEG系列产品应用于高PVC产品中的的实验内容及结果见表4,5,6以及图2。

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表4

表4是Genapol 2070单独在PVC 80%的内墙涂料中使用时的粘度性能表现(用量0.5%)。从结果看,单独使用Genapol 2070,在用量为0.5%的状况下,其耐擦洗和体系粘度稳定性明显优于普通表面活性剂,但还是会有一定的后增稠出现,为了进一步提高产品的粘度稳定性,将其与PEG产品复配使用。

表5

表5则是Genapol 2070与PEG 300搭配使用在PVC 80%内墙涂料时的粘度性能测试结果。从结果可以看出,配合使用了PEG 300后,其体系粘度稳定性更加优异,在-5℃下3天循环后,基本没有更明显的粘度上升问题,而在有PEG300复配的体系下,两种助剂体系在耐擦洗性能也有所上升,但Genapol 2070在该性能的表现上依然更为优异,在有无PEG的影响下都保证了较好的结果。特别是在内部测试配方下,有无PEG的差异并不十分明显。也说明Genapol 2070产品本身对涂料的耐擦洗性能影响较小。

总结

综合上面的实验结果可以得出两个结论:

其一,Dispersogen LFH 和Dispersogen LFA较适宜用于中高PVC的涂料,其以1:1或2:1比例与Genapol 2070产品复配,总用量占配方的0.6%时,其抗冻融与涂料耐擦洗性能的平衡能达到较优异。在各种涂料体系中使用,可参考这一混合比例对不同乳液的配方进行微调测试。

其二,遇到较高PVC的涂料体系(PVC~80%左右)配方,可用Genapol 2070与PEG 300产品进行复配从而完全替代原配方约1%的EG或者PG,从而达到提高涂料冻融稳定性。同时调整与PEG 300 的搭配比例,可将对耐擦洗性影响减少到较低的水平,Genapol 2070 与PEG 300的搭配比例在1:3,总用量在0.8%时较为理想,在高PVC涂料体系中使用时,可参考这一混合比例对不同乳液的配方进行微调测试。




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