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    技術配方 Case

    微調零VOC建筑涂料配方

    日期: 2013-11-29
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    在建筑涂料應用方面,供應商和涂料生產商面臨的主要挑戰是要滿足環境法規要求,同時生產的產品具有客戶可接受的品質。最近幾年,乳膠公司已經配制了玻璃化轉變溫度(Tg)為0℃~5℃的聚合物,不需要或只需要最少量的成膜助劑就能形成漆膜。然而,這些軟的聚合物存在一些凍融穩定性、抗粘連性和耐沾污性方面的缺陷。

    盡管某些性能如耐沾污性更多地取決于單體的組成和比例,添加劑如多官能團的中和劑也會影響包括包裝穩定性、凍融穩定性和耐洗刷性等在內的涂料性能。


    使用中和劑的配方靈活性

    多官能團的中和劑能為配方設計師提供優化性能參數的靈活性。這些中和劑可能是無機的或有機的。涂料配方中使用的無機中和劑只是用來調整pH值。有機鏈烷醇胺用作中和劑,但是在涂料的使用期內,它們也會帶給涂層多官能團的特征。鏈烷醇胺多官能團的優點包括共分散性、中和和通過優化配方實現流變性能的改善和降低VOC。此外罐內性能特征包括了像抑制閃銹腐蝕、提高儲存時間和改善凍融穩定性等優點。

    鏈烷醇胺作為中和劑,對于當今零VOC體系(<5 g/L)的涂料滿足質量要求非常重要。除了無機中和劑氨水、氫氧化鈉(NaOH)、氫氧化鉀(KOH)、碳酸鈉(Na2CO3)和碳酸鉀(K2CO3)外,還研究了鏈烷醇胺2-氨基-2-乙基-1,3-丙二醇(AEPD? VOX 1000)。結果顯示了對涂料使用期內關鍵性能的影響。該信息為配方設計師解決零VOC涂料的質量和性能問題提供了靈活性。


    研究

    配方

    本研究中使用不含成膜助劑的半光配方。為符合最新的配方發展趨勢,選擇丙烯酸乳膠(Rhoplex? VSR-2015)作為半光配方的主要漆基。用AEPD VOX 1000中和劑、氨水、NaOH、 KOH、Na2CO3 和K2CO3來制備不同批次的樣品。為顯示多官能團的中和劑對無機分散劑的助分散影響,使用Tiona 596 TiO2漿料和Polygloss 90體質顏料的組合作為顏料體系。

    表1顯示AEPD VOX 1000是含有兩個羥基官能團的伯胺。影響胺效率的因素是相對分子質量、堿強度和溶解參數。在考慮胺的效率時,堿強度(pKa)應該考慮。鏈烷醇胺中的羥基官能團能提供助分散作用,并改善涂料的其他性能如凍融穩定性和耐洗刷性。表2給出了無機中和劑的物理性能。


    過程

    用每種中和劑來制備半光涂料并滿足pH要求(8.5-9.0)中和劑(表3)在研磨階段的一開始加入,即在體質顏料Polygloss 90加入前加入。然而,Na2CO3 和K2CO3是在調漆階段加入,因為在研磨階段添加這些中和劑會成凍膠。


    配方性能

    在pH值為8.6-8.7時,碳酸鉀是無機中和劑中效率最差的。初始配方的高剪切和低剪切黏度性能非常相似,氫氧化鉀的低KU黏度例外。與所有無機中和劑相比,AEPD VOX 1000的顏料助分散效率最高。這些性能見表4。


    光澤結果說明了AEPD VOX 1000中和劑作為助分散劑的作用。這種作用也可通過體質顏料Polygloss90的吸附研究進行測量。

    圖1顯示了吸附到顏料表面的多官能團中和劑的質量百分數與其它鏈烷醇胺AMP-95?多官能團中和劑相當,后者通常用作乳膠漆配方的助分散劑。作為參照的聚合物分散劑是聚羧酸的銨鹽。本研究中使用的兩種鏈烷醇胺在高嶺土上的助分散作用相似。


    光澤提高

    半光漆體系光澤的大小取決于乳膠/顏料的相對量和粒徑。分散劑/表面活性劑影響分散效率,從而導致了光澤的提高。鏈烷醇胺作為助分散劑能提高光澤。

    將待研究的中和劑以光澤提高的次序排列(最好至最差):AEPD VOX 1000> K2CO3= Na2CO3>NaOH>氨水>KOH。圖2給出了光澤提高的情況。


    分散穩定性

    中和劑影響顏料的分散穩定性。圖3顯示在50 ℃放置四周后AEPD VOX 1000體系的光澤很穩定。將待研究的中和劑以經過四周后光澤穩定性的次序排列(最好至最差):AEPD VOX 1000> Na2CO3>NaOH> KOH>氨水>K2CO3。

    pH穩定性

    多官能團中和劑經過50℃老化四周后能很好的控制pH值。有機中和劑與無機中和劑相比有較好的pH穩定性(圖4)。將待研究的中和劑以四周后pH控制得好

    黏度穩定性

    多官能團中和劑經過50℃老化四周后顯示有很好的黏度穩定性。采用無機中和劑的體系經過50℃老化四周后,顯示有很差的黏度穩定性(圖5)。將待研究的中和劑以經過四周后黏度穩定性好壞的次序排列(最好至最差):AEPDVOX 1000>氨水>NaOH>Na2CO3> >K2CO3> KOH。


    配方性能

    零VOC配方在某些涂料性能方面存在缺點,見表5。抗粘連性、凍融穩定性和耐洗刷性性能測試顯示不同中和劑之間存在不同程度的差異。

    凍融穩定性

    凍融穩定性試驗按ASTM D2243方法進行,溫度為-18℃(0℉)。由于零VOC配方不含乙二醇或丙二醇,未通過-18℃的測試,對所有配方都進行了-4℃邊緣溫度測試,結果顯示不同配方之間存在差異。在所有中和劑中,氫氧化鉀和碳酸鉀未通過試驗。


    耐洗刷性

    含有AEPD VOX 1000涂料配方的耐洗刷性與含碳酸鈉的相比增加了>34.8%,與含碳酸鉀的相比增加了>16.5%(圖6和7)。


    結論

    本研究顯示鏈烷醇胺能提高涂料配方中顏料的分散效率和分散穩定性。與所有無機中和劑相比,鏈烷醇胺AEPD VOX 1000多官能團中和劑顯示有較好的顏料分散效率、分散穩定性、pH穩定性和黏度穩定性。在所有無機中和劑中,碳酸鈉和碳酸鉀顯示有差的耐水性,使用碳酸鈉時耐洗刷次數最低。總體上,KOH顯示有最低的顏料分散效率、pH穩定性和黏度穩定性。使用碳酸鈉和碳酸鉀的抗粘連性略差。相對于所有其他無機中和劑和AEPD VOX 1000,使用氫氧化鉀和碳酸鉀的凍融穩定性較差。

    使用無機和有機中和劑也發現存在過程方面的差異。在研磨階段添加碳酸鈉和碳酸鉀會形成凍膠。而在研磨階段添加AEPD VOX 1000能減少處理時間,這是由于助分散作用,我們能看到研磨階段黏度的下降。

    盡管配方能將上面提到的某些性能優化,除了過程方面的優點,還有許多性能如光澤、耐洗刷性和凍融穩定性對乳膠漆配方有直接的影響。

    消費者和較多的行業法規要求生產的產品滿足質量標準,具有低VOC或零VOC、沒有氣味等都給涂料配方設計師創造了難題。基于不斷出現的技術約束,新的配方更多地要依賴于添加劑的功能。鏈烷醇胺能提供多種性能,包括最優化的顏料分散性、改進的pH穩定性和流變性能以及許多其他重要的性能。本研究證明了多官能團中和劑能給配方設計師提供技術方面的選擇來解決當今的乳膠漆配方面臨的挑戰,即要環保、健康、安全和真正沒有氣味。


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