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水性金属颜填料防沉及定向助剂

水性金属颜填料防沉及定向助剂

时 间: 2019-04-11

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摘 要:作者:颜俊宏,李玉娟,黄伟仁,海名斯特殊化学 前言 金属颜填料泛指金属或…

作者: 颜俊宏,李玉娟,黄伟仁,海名斯特殊化学

 

前言

 

金属颜填料泛指金属或合金制成的颜填料,主要为铝粉(银色)、铜粉(金色)与锌粉等,其中铝粉的光反射强度较高具有较佳的装饰效果,大量的应用在涂料与油墨工业,本文将以铝粉颜料为主要研究目标。作为颜料使用的铝粉是鳞片状的,借由反射与屏蔽光线可以赋予涂层特殊的金属闪光效果与双色效应,而这些微细的片状铝粉在涂层中的排列与定向状态则会直接影响上述效果的展现(图1),又由于铝金属比重较大在液体涂料中容易沉淀与结块的特性,控制铝粉颜料的防沉与定向将是制备高质量铝粉涂料的关键。

 

(图1)良好的铝粉排列与定向提供一致的光线反射,增强金属闪光效果与双色效应。

在传统溶剂型铝粉涂料中控制铝粉防沉与定向的工具与手段较多,包含透过树脂、溶剂、助剂来设计适当的涂料黏度、触变性与干燥速度,甚至透过施工手法皆可起到一定的效果,但是在水性涂料中树脂基本不影响涂料黏度,水的干燥速度比有机溶剂缓慢许多,基本上只能透过流变助剂来达到铝粉防沉与定向的效果。

 

 

水性铝粉涂料需要的流变行为

 

水性铝粉涂料与一般水性涂料同样需要基本的触变性能(剪切稀化),在涂料储存时(低剪切)需要高黏度来防止沉淀,在涂料施工时(高剪切)需要低黏度以方便涂装,施工后需要平衡的黏度回复来控制涂膜流平与避免流挂,但是黏度回复的速度会影响铝粉的排列与定向,因为水性涂料的溶剂主要是水,整体湿膜的干燥速度明显比溶剂型涂料更慢,鳞片状的铝粉在低黏度的湿膜中可能会翻转与飘移,导致排列不均匀或是方向不一致,大幅降低涂膜的金属闪光效果。使用流变仪可以量测涂料在不同剪切速率下的黏度变化,进而绘制成涂料的流变曲线来描述其流动行为,测试低剪/高剪/低剪的三段式流变曲线可以预测涂料的黏度回复速度与程度,图二展示二种不同涂料虽然具有类似的低剪黏度与高剪黏度,但是二者的黏度回复曲线可能不同,其中曲线(1)具有较快的黏度回复性对于铝粉排列与定向较有帮助。

 

(图2)利用流变仪测试涂料剪切稀化以后的黏度回复曲线差异。

 

 

流体的黏弹性行为对于铝粉的防沉与定向也有一定程度的影响,藉由研究涂料的黏弹性变化可以预测与判断水性铝粉涂料的防沉与定向效果,黏弹性表示物质在形变时同时具有黏性与弹性的特征,对于具有黏弹性的液体而言,储存模量G’表示其弹性行为而损耗模量G”则表示其黏性行为,以图三为例,当G’< G”时液体的具有较佳的流动性(如橄榄油),液体内部的固体可以任意移动也容易沉淀;反之当G’> G”时液体呈现凝胶态(如色拉酱)而失去流动性,相对的会限制内部固体的移动,让固体可以悬浮在液体中不沉淀。相同的原理应用到铝粉涂料中,如果涂料在施工的高度形变状态下呈现G’< G”,则其流动性良好有利于施工与流平,而在施工后或是储存状态等低度形变的状态下呈现G’> G”,则可以限制铝粉的移动,具体在涂料储存状态下防止铝粉沉淀,在施工后的湿膜干燥过程中,帮助铝粉排列与定向。

 

(图3)使用色拉酱与橄榄油来阐述液体黏弹性行为对于内部固体的影响。

水性聚酰胺流变助剂

 

水性流变助剂种类繁多,纤维素型、聚氨酯型、碱增稠型、膨润土等等,各有其增稠与控制触变的效果,在具体应用上也各有优缺点或是可以相互替代,但是实际在水性铝粉涂料的应用中发现水性聚酰胺流变助剂对于铝粉排列定向有更佳的效果,故进行一系列的研究并在本文中分享主要的结果。

 

聚酰胺流变助剂在溶剂型涂料中已经被广泛的应用,但是聚酰胺本身无法溶解或分散在水中,必须透过相当程度的改质才能水性化,图四是基础的水性聚酰胺流变助剂结构示意图,利用聚酰胺末端的酸基与胺中和产生阴离子基团可以提高聚酰胺的亲水性进而分散在水中,酰胺基团具有很强的氢键作用力可以提供触变效果,而酰胺基之间的疏水链段则可以与树脂形成缔合的网状结构,其产生的综合效果应用在水性铝粉涂料中,可以在涂膜干燥过程中限制铝粉的移动与转动进而帮助铝粉排列与定向。

 

(图4) 水性聚酰胺流变助剂结构示意图

 

 

 

 

 

 

研究试验结果

 

试验一、水性铝粉塑料漆

试验各种水性流变助剂在水性铝粉塑料漆中对于铝粉防沉与定向的效果,试验对象包含聚酰胺流变助剂、聚氨酯流变助剂、疏水改性碱增稠流变助剂(HASE)以及膨润土流变助剂,涂料先以各种流变助剂调整至60 KU,再评估其流变曲线、防沉性、铝粉定向效果等应用特性。

 

使用布氏黏度计量测涂料在中低剪切状态下的黏度并计算其触变值(T.I.),结果从图五可明显看出聚酰胺流变助剂的增稠效果与触变性明显高于其他种类的流变助剂。

(图5)在相同KU的状态下,各种流变助剂所呈现的布氏黏度与触变值(T.I.)

 

 

使用流变仪量测涂料在低剪/高剪/低剪的三段式流变曲线,从图六可知聚酰胺流变助剂的初始的低剪黏度及回复的低剪黏度都高于其他流变助剂,而在高剪的黏度则与其他流变助剂接近,预期使用聚酰胺流变助剂的涂料具有良好的施工性与流平性且铝粉的防沉与定向都会较佳。

 

(图6)流变仪测试各种流变助剂的三段式流变回复曲线

 

使用流变仪量测涂料在不同形变状态下的黏弹性特征,图七显示仅有聚酰胺流变助剂出现G’与G”交会点,在低形变区域展现G’> G”的特征,预期可以透过黏弹特性来限制铝粉的移动与转动进而帮助铝粉排列与定向,也可以减少铝粉漆储存时的沉淀现象。

 

(图7)使用流变仪量测涂料的黏弹性表现

实际将搭配不同流变助剂的铝粉漆喷涂至黑色ABS板上,观察漆膜外观并量测漆膜光泽及金属闪光度FI值,图八清楚显示搭配聚酰胺流变助剂的漆膜有比较高的光泽与金属闪光度,表示漆膜中的铝粉定位与排列均匀,多数铝鳞片方向一致可以反射出更高的金属光泽。

 

(图8)喷涂试板的外观与光泽、金属闪光度(F.I.)数据

利用光学显微镜观察前述的水性铝粉漆试板,图九是显微镜下拍摄的照片,其中黑色区块代表铝粉未遮盖的区域而显露出黑色底材,大面积的黑色区块表示铝粉排列或分布不均匀的问题严重,其中搭配聚酰胺流变助剂的漆膜铝粉致密度高显露黑色区块小,证明其铝粉定位与排列效果佳。

 

(图9) 水性铝粉漆膜在光学显微镜下所呈现的铝鳞片定位与排列状况

水性铝粉涂料在室温状态存放二个月,持续观察铝粉的沉淀状况,图十的照片可以明显看出搭配聚酰胺流变助剂的涂料有最佳的防沉效果而搭配HASE流变助剂的涂料防沉效果次之。

 

(图10) 水性铝粉漆在室温储存 2 个月后的防沉性外观比对

 

 

 

 

 

 

 

 

 

试验二、水性丙烯酸胺基烤漆

在试验一中显示聚酰胺流变助剂的效果最佳, HASE流变助剂效果次之,故试验二仅针对此二种流变助剂来比较并加入空白样作为对照。图十一显示此涂料体系的增稠不易,HASE流变助剂几乎无法增稠与提供触变效果,而聚酰胺流变助剂仍有一定程度增稠与触变效果。

(图11)流变助剂的布式黏度与触变性 (T.I.)

将水性铝粉烤漆喷涂于铁片上观察漆膜外观与铝粉排列定位状况,图十二显示聚酰胺流变助剂可以帮助铝粉均匀排列与定位,漆膜外观良好,HASE流变助剂效果较差而出现局部发黑的现象,而空白样甚至出现镜框与橘皮现象,进一步证明流变助剂的重要性。

(图12)水性铝粉烤漆的漆膜外观比对

前述的水性铝粉烤漆在室温状态存放七天,观察其铝粉沉淀的状况,图十三的照片清楚展现出聚酰胺流变助剂在铝粉防沉的优异效果。

(图13)室温储存七天的铝粉防沉效果比对

 

结语

 

水性铝粉涂料需要流变助剂来帮助铝粉防沉与定向,本文利用各种评估方法与设备,从液体涂料的量测到实际喷涂试板的比较,都可以发现水性聚酰胺流变助剂不仅对防沉有良好效果,对于铝粉排列定向的表现更是明显优于其他种类流变助剂,而且在不同涂料体系皆有良好的效果,此类产品对于生产高质量水性铝粉漆是一个不可或缺的关键助剂。

 

 

 

联系方式:

德谦(上海)化学有限公司

上海市松江工业区联阳路99号邮编201613

Tel:+86 21 57740348

市场经理 徐春峰

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