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用于调色系统的基础乳胶漆的配方设计原理,乳胶色漆的颜色准确性和涂膜性能与基础乳胶漆的组成关系密切
2019年07月11日    阅读量:199    新闻来源:中国化工网 okmart.com  |  投稿

0  引 言

传统的色漆生产方式有许多问题难以解决,如颜色品种少、颜色重现性差、小批量多品种生产时费用高、环境污染大、缺乏个性化颜色服务能力等。现代调色技术成功地解决了上述诸多问题,给涂料生产和销售带来了革命性变化。


现代调色技术依靠通用色浆、基础漆、调色机、颜色管理软件和色卡等5 个部分来完成色漆的生产中国化工网okmart.com。涂料生产厂只需要生产几种基础漆, 在颜色管理软件的支持下, 将色浆注入到基础漆中混匀, 即可调制出成千上万种色漆。


这一调色技术已在北美、欧洲得到广泛的应用。在我国, 近几年也被许多涂料生产厂, 特别是乳胶漆生产厂所采用。作为调色系统组成部分的基础乳胶漆不同于普通的乳胶漆。


普通乳胶漆是指可作为成品直接销售的白色乳胶漆和工厂用普通色浆。白色乳胶漆是最终产品,在工厂内完成生产、检验等全过程;普通乳胶色漆也是在工厂内完成生产、检验等全过程,不同的是在2 种或3 种钛白含量不同的白漆或清漆中加入普通色浆,通过人工多次校正来调制出目标颜色,还可以通过补加乳液、增稠剂等来使最终色漆的粘度、耐擦洗性等性能达到产品标准的要求;基础乳胶漆仅是半成品,只有在零售店或库房加入通用色浆后才能成为最终的产品。


要保证最终的乳胶色漆既有很高的颜色稳定性和一致性,同时对涂料的粘度、成膜性能、耐水性、耐擦洗性等也不产生较大影响,因此,对基础乳胶漆的配方设计和质量控制提出了更高的要求。本文重点从颜填料、PVC、增稠体系、湿润分散剂等方面来讨论基础乳胶漆的配方设计原理。


1  基础乳胶漆

基础乳胶漆是颜色和色强度均经过控制的乳胶漆,通过将色浆注入其中而制得乳胶色漆。通常每种乳胶色漆可配置2~5 种钛白含量不同的白色基础漆(包括一种清漆) 和2~3 种有色基础漆(一般为大红、亮黄和铁红色) 。涂料生产厂主要根据需要覆盖的色域、产品的类型、批量等决定基础乳胶漆的种类。如内墙涂料通常很少要求亮红、亮黄,一般不需要有色基础漆;天花板涂料颜色都很浅,颜色太深会有压抑感,且天花板施工较墙面困难,要求有很高的遮盖力,一般只需钛白含量最高的白色基础漆即可。


总体来说,基础漆的数量越多,单个颜色的调色成本越低,但库存成本增高。因此,产量较大的涂料企业(如北美和西欧) 多选用3~5 种白色基础漆;批量较小的涂料企业(北欧及其他地区) 多采用2~3 种基础漆。对于我国大多数涂料企业来说,采用2~3 种基础漆较为合适。


2  基础漆的配方设计原理

为了得到某种颜色的乳胶色漆,在调色配方规定的一种基础漆中按调色配方加入色浆后混匀即可。调色配方基于调色系统生产商的标准基础漆的调色配方,而涂料生产厂家的基础漆各不相同,若要采用此调色配方,必需在保证基础漆同色浆的相容性良好的情况下进行适当调整。


这种调整通常有两种方法:一种方法是调整配方,根据基础漆的色强度和色相对每个调色配方进行微调;另一种方法是系统调整基础漆,从色空间中挑选出不同深浅、不同色相的典型颜色,通过系统地调整色浆的分配规则来使色强度达到一致,并在基础漆中加入少量的掩蔽色浆使色相达到一致。


这2 种方法各有利弊,对调色配方进行微调,通常颜色会更准确,但工作量大,特别是有多个产品时,每个产品一个配方,且原材料或配方改变时,所有配方又要进行微调,大涂料企业可以考虑采用此种方法;对基础漆进行系统调整,多个产品一个配方,工作量小,原材料或配方调整时也较灵活,其缺点是对某些涂料,如高PVC 涂料,有时很难进行系统调整,使调色的准确性稍差,这种方法适用于各种涂料企业,特别是中小型涂料企业。


乳胶色漆是由基础乳胶漆和通用色浆组成的,因此乳胶色漆的性能也是由基础乳胶漆的性能以及通用色浆的性能和用量决定的。通用色浆由颜料、填料、多种表面活性剂和分散剂(多为非离子型和阴离子型) 、多元醇(乙二醇或丙二醇) 等组成,这些物质会对基础漆的组成和性能产生影响,如涂料的PVC 增大,粘度降低,干性变慢,施工性、成膜性变差,以及涂膜变软,耐水性、耐擦洗性、耐沾污性变差等。


影响的程度也是由基础漆的性能、色浆的性能和用量决定的,特别是由基础漆的种类和色浆的用量决定的。颜色越深,影响越大;白漆影响最小,半白漆影响居中,清漆影响最大。由于乙二醇的亲水性和保留时间较丙二醇长,因此以乙二醇作保湿剂的色浆对色漆干膜性能的负面影响会更大。若清漆中含有少量钛白或PVC 过大,则色浆的加入量会严重过量,此时涂料的许多性能急剧下降。


通用色浆一般会使基础乳胶漆的粘度有不同程度的降低,若增稠剂选择不当,粘度会急剧降低。这不但会引起浮色发花、展色困难,还会影响涂料的外观、施工性能甚至涂膜的性能。在工厂用普通色浆进行人工调色的乳胶漆也有这种影响,但由于普通色浆的色强度较高,用量相对较少,因此这种负面影响也较小。


虽然色浆对基础漆的性能有一定影响,但是只要基础漆配方设计合理,在不超过色浆的最大用量的情况下,可保证最终乳胶色漆的性能几乎无多大变化。因此,在设计基础乳胶漆的配方时,除要遵循一般乳胶漆的配方设计原则外,还应特别注意以下几方面:


第一,通用色浆与基础乳胶漆的相容性、展色性好,不产生絮凝、浮色发花现象,这是准确调色的前提。合理使用湿润分散剂和增稠剂可保证相容性和展色性好。

第二,乳胶漆的色强度和色相尽可能同标准基础漆一致,这样不仅可以使色漆的颜色准确性高,遮盖力适当,而且可保证色浆的用量不至于过分影响色漆的性能。基础乳胶漆的色强度和色相主要通过颜、填料的合理选择以及PVC 来控制。

第三,减少色浆对基础乳胶漆的性能的影响,主要通过两个方面来控制:一是保证色浆的用量不超过最大用量,这通过基础漆的色强度来控制;其次是通过合理控制涂料的PVC ,合理使用各种增稠剂、分散剂来降低甚至消除这种负面影响。



211  钛白、填料的影响

基础乳胶漆的色强度和色相主要取决于钛白、填料的种类和用量,正确使用钛白和填料可使基础乳胶漆的色强度和色相同标准基础漆基本一致。使基础乳胶漆的色强度同标准基础漆的色强度一致的最好方法是,以标准基础漆或用来调整色强度的标准色卡作参照,通过调整钛白、填料、不透明聚合物的用量以及涂料的PVC 来达到一致。根据笔者的经验,通过控制涂料的对比率一般能很方便地使基础乳胶漆的色强度同标准基础漆相近。若采用三种基础漆的调色系统,白漆、半白漆和清漆的对比率分别控制在0.90~0.92 、0.78~0.83 和0.20~0.40 较理想。


在此重点讨论白漆和清漆,因为半白漆可由白漆和清漆按适当的比例调配而成。白漆的对比率控制在0.90~0. 92 之间刚好达到国家标准的要求,加入0~3 %(V/ V) 色浆后对比率还会进一步提高。若对比率低于0.90 ,极浅的颜色遮盖力不够;若对比率太高,会使色浆用量增大,调色成本过高。白漆的对比率最大不要超过0.95 ,否则不但调色成本高,遮盖力过剩,还会导致调色的准确性降低。


考虑到深色有机红色和黄色颜料的遮盖力较差,以及尽可能少用白浆,许多涂料生产厂习惯于在清漆中加2 %~3 %钛白粉,这种方法在工厂生产乳胶色漆时也许可以勉强接受,如果也用在基础乳胶漆的生产中则是非常危险的,其结果是色浆的用量大大地超过其最大用量,严重地影响乳胶色漆的性能,并且使大多数颜色的遮盖力过剩。一般说来,清漆的色浆分配规则只能选择为1 ,否则色浆的用量会超过9 %(V/ V) 的最大用量。若清漆的对比率超过0.40 ,甚至达0.50 ,则很难做到分配规则不超过1 ,也难以保证配色准确。


通用色浆不但用于乳胶漆的调色,还可用于长油醇酸漆等产品的调色。考虑到醇酸树脂通常带有黄相,因此标准基础乳胶漆的白度通常不高,相对于国内市场上的白色乳胶漆来说一般偏黄,故在选择钛白和填料时不要求高白度,过高的白度需要通过加入掩蔽色浆(通常为铁黄色浆和炭黑色浆) 来调整,不但多消耗色浆,而且有时很难完全调整过来。在普通白漆中加入荧光增白剂和群青、酞菁蓝或永固紫等色浆的传统做法在生产基础乳胶白漆时更是不可取的。


212  PVC的影响

在设计基础乳胶漆的PVC 时要特别注意以下2个方面:第一,在加入色浆后涂料的PVC 会略有提高,并且不同的基础漆提高的程度也不同;第二,涂料的PVC 会影响色强度,因此对最终的颜色会产生影响。

白漆、半白漆、清漆通常分别加入0~3 %、3 %~6 %、6 %~9 %(V/ V) 的色浆,这会使基础漆的PVC分别提高0~1 %、1 %~2 %、2 %~3 % ,提高的具体数值与涂料的品种、颜色的深浅、色相等有关。考虑到色浆的加入会使色漆中多元醇、表面活性剂、分散剂在涂料中的相对含量有不同程度的增大,为了保证最终色漆的性能基本相同,半白漆的PVC 应比白漆的PVC 低2 %~5 % ,清漆的PVC 应比白漆低5 %~8 %。


为了保证清漆足够的透明性,其PVC 一般不要超过45 % ,否则涂膜产生的干遮盖力会使深色无法调制;PVC 过高还会导致干膜中乳化剂、分散剂相对于树脂的含量严重偏多,耐水性降低。在高PVC 的经济型涂料体系中采用调色系统时,较明智的做法是只选用白漆或白漆和半白漆来调配中、浅色域的颜色。


颜料体积浓度( PVC) 超过临界颜料体积浓度(CPVC) 的白色和半白乳胶漆均可进行调色,但此时PVC 的变化对基础漆的色强度有较大影响,使基础漆的着色力有一定起伏而难以控制,调出的颜色就不十分准确,这对于价格较低的产品通常是可以接受的。一般来说,低PVC 的乳胶漆调出的颜色会更准确。


213  流变助剂( 增稠剂) 的影响

乳胶漆的流变助剂按增稠机理可分为非缔合型增稠剂和缔合型增稠剂。非缔合型增稠剂主要有羟乙基纤维素(HEC) 和碱溶性丙烯酸乳液(ASE) 两类,这类增稠剂是通过与水的氢键合作用形成三维结构而增稠,而与涂料中的其他组分的作用很小,可忽略不计。它们增稠的主要特点是对涂料的中、低剪切粘度效率较高而对高剪切粘度的影响有限,因而具有抗流挂性、防沉性好,对涂料中的助溶剂、乳化剂、分散剂不敏感,与色浆的相容性好,调色时粘度变化小等优点,但抗飞溅性、流平性差。


缔合型增稠剂主要有憎水改性羟乙基纤维素(HMHEC) 、憎水改性碱溶性乳液(HASE) 和非离子缔合型增稠剂(NSAT) 3 类。最常用的非离子缔合型增稠剂是非离子憎水改性聚氨酯(HEUR) 。缔合型增稠剂是通过分子中的憎水链段与涂料中的乳液、表面活性剂、分散剂、成膜助剂、颜料等物质中的憎水链形成胶束而增稠。HMHEC 和HASE 同时也存在较强的与水相的氢键合作用。


其增稠的主要特点是对高剪切粘度效果好,对低剪切粘度影响小,因此其流平性、刷涂性、防辊涂飞溅性好,但抗流挂性、贮存稳定性等较差。HEUR 类增稠剂对色浆最敏感,粘度降低最大,并且其增稠效率越高,粘度降低越多。粘度降低的多少不仅与基础漆的种类、增稠剂的种类有关,还与色浆的组成、颜色等有关。在选择基础乳胶漆的流变助剂时,不仅要考虑涂料的种类、施工方法、光泽、内用或外用等因素,还要考虑调色时粘度的保持能力和展色性能等因素。常用增稠剂的性能比较见表1 。


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 由表1 可见: HEC 同色浆的相容性好,展色性佳,对涂料中的其他组成不敏感,调色时粘度稳定,可作为基础乳胶漆的主要增稠剂。考虑到其流平性、抗飞溅性差的缺点,可选用中、低分子量的HEC ,以及同HASE、HEUR 等缔合型增稠剂适当配用,以提高高剪切粘度,同时具有较高的粘度保持性; HMHEC保持了HEC 的良好相容性和展色性,同时有更好的流平性和抗飞溅性,对色浆不太敏感,粘度较稳定,可作为基础乳胶漆的主要增稠剂。


若要进一步提高涂膜的丰满度,可补充一些缔合型增稠剂;ASE 型增稠剂对其他物质不敏感(但对pH 值敏感) ,调色时粘度稳定,成本低,但同色浆的相容性和展色性一般,高剪切粘度低,流平性及抗飞溅性差,可作为经济型基础乳胶漆的主要增稠剂;HASE 型增稠剂同时存在两种增稠机制,同水的氢键合作用使其粘度保持较稳定,但憎水链的缔合作用会受到色浆的影响,使粘度降低,因此HASE 型增稠剂可以作为基础乳胶漆的主要增稠剂,但要保持较高的粘度稳定性,特别是在半白漆和清漆中,最好配用一些HEC、ASE 或HMHEC增稠剂;


HEUR 增稠剂的增稠作用是通过憎水链的缔合形成的,同水的作用很弱,因此对色浆最敏感,色浆的加入能引起涂料粘度的极大降低,并且增稠剂的增稠效率越高,粘度降低越大,因此HEUR 类增稠剂一般不能单独作为基础乳胶漆的增稠剂,即使在半光和高光乳胶漆中也要加入适量的HMHEC、HASE 类增稠剂来提高调色时粘度的保持能力和展色性。近来也有报道对色浆敏感性较小、调色时粘度较稳定的HASE和HEUR 型流变增稠剂,如DOW Chemical 公司的POLYPHOBE T系列流变助剂,就是一种HASE 型流变助剂,调色时粘度稳定,着色性佳,不浮色发花。


214  湿润分散剂

色浆加入基础漆中进行调色时,常常会发生絮凝、浮色、发花等问题,其结果是着色困难,浪费色浆;色相偏移,调色不准;展色能力与剪切力有关,刷涂和辊涂时涂膜颜色不一致;贮存和稀释时颜色变化等一系列颜色问题。引起展色性不良的因素是:第一,基础漆内的颜、填料润湿分散不够充分,即颜、填料表面吸附的阴离子分散剂不足,ζ电位没有达到最佳的分散稳定状态。


在色浆加到基础漆后,竞争吸附色浆颜料表面的分散剂来补充自己的不足,从而使色浆颜料表面的分散剂不足,导致色浆颜料的絮凝。第二,不同颜料的表面特性不同,表面吸附的表面活性剂和分散剂也不同,如基础漆内无机颜、填料通常采用阴离子型分散剂,色浆常采用非离子型分散剂或非离子型分散剂与阴离子型分散剂配用,且不同色彩的颜料所用的分散剂也不同。


颜料表面吸附层不同,不仅会造成因表面张力的差异引起的相容性不良,而且会导致颜料颗粒的流动性差异,使不同颜料之间出现离析,产生浮色发花现象。第三,不同颜料的密度、形态、颗粒大小不同,在涂膜中由于贝纳尔德(Benard) 漩涡的作用使颜料分离而发花,特别是当涂料的PVC 和粘度较低时更易发生。显然,要获得良好的展色效果,首先必需保证基础漆内的颜、填料被充分润湿分散。


一般分散剂的用量应达到理论用量的1.5 倍,使颜、填料粒子表面有足够厚的吸附层,ζ电位达- 40 mV 以上。可通过具有不同亲水亲油平衡值(HLB 值) 的表面活性剂来调整基础漆的表面张力,缩小基础漆与色浆的表面张力差, 有时可同时使用多种具有不同HLB 值的表面活性剂,调整亲水亲油平衡值,避免调色时产生浮色和发花现象。另一种避免产生浮色发花现象的较好方法是采用多官能团分散剂,如疏水改性聚羧酸盐分散剂,可在有机、无机颜料以及填料之间产生偶联作用,使不同颜料形成一个集合体,从而防止不同颜料的分离。


颜料颗粒的流动还受到涂料的粘度、PVC 等因素的影响。通常较高的粘度可阻止颜料的分离,提高展色性能,如流变助剂HEC、膨润土等可使展色性得以优化。经验表明,当涂料的PVC 高于某一值后,颜料发花现象就会消失,此时颜料粒子间的相互作力较大,以致较大和较小的颗粒沉降,流动速度几乎没有差异。


3  结 语

用于调色系统的基础乳胶漆不同于普通乳胶漆,用其调制出的乳胶色漆的颜色准确性和涂膜性能同基础乳胶漆内的颜料、填料、PVC、增稠体系、湿润分散剂等多种因素的关系更为密切,其配方设计有其自身的特点。在进行基础乳胶漆的配方设计时,不仅要考虑配色的颜色准确性,还要尽可能减少色浆对基础乳胶漆的性能的影响。 


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