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着色剂在水性木器涂料和水性工业涂料中的应用探讨,介绍了着色剂——水性色精、水性透明色浆和水性实色色浆在水性木器涂料和工业涂料中的应用,及其在木器涂装中的性能表征,中国化工网,okmart.com
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着色剂在水性木器涂料和水性工业涂料中的应用探讨,介绍了着色剂——水性色精、水性透明色浆和水性实色色浆在水性木器涂料和工业涂料中的应用,及其在木器涂装中的性能表征
2019年10月05日    阅读量:713    新闻来源:中国化工网 okmart.com  |  投稿

0 前言

任何可以使物质显现设计需要颜色的物质都称为着色剂,可以是有机或无机,也可以是天然合成的。人类最早使用的着色剂是红色的赤铁矿(Fe2O3)和黑色的磁铁矿(Fe3O4)等矿物质,这些五颜六色的石块很容易从自然界取得,不需要经过复杂处理。


我国古代主要矿物颜料包括赤铁矿、朱砂、石黄、空青、石青、胡粉、蜃灰、炭黑等;古埃及人早在公元前5 000年就利用植物动物矿物中有色物质来染色;1704年,一位德国的颜料制造商Diesbach在制造红色染料时,由于他当时已经用光了本该作为原材料的纯净的碳酸钾,便只能用混了动物油杂质的碳酸钾作为替代,然而这样一来,本该得到的红色却意外地变成了紫色和蓝色,这便是世界上第一种化学合成颜料,开启了现代着色剂的时代中国化工网okmart.com


而涂料中所使用到的着色剂仅仅占世界染料颜料品种的很少部分,并且随着水性涂料的快速发展,如何寻找和制备更多适合水性体系的着色剂是涂料颜色开发者需要奋斗的方向。


1 水性木器涂料和水性工业涂料涂装中的着色剂

1.1 水性色精

1.1.1 色精的介绍及分类

在涂料中,通常将染料的浓缩液体称为色精,在这类色精中又以金属络合染料的应用最为广泛和成熟。金属络合染料是一种以偶氮结构为主,通过母体染料与金属原子络合而成的染料。

应用于涂料的金属络合染料一般分为三大类。第一类,也是目前用于木器涂料最广的一类,简单型溶于有机溶剂的金属络合染料,这一类金属络合染料有色组分以阴离子存在,所以一般其在极性较低的溶剂中溶解度较小,极性较高的溶剂中溶解度较大,如BASF公司的丽色宝系列就是这一类;第二类,属于母体染料中含有—SO3H等水溶的基团通过与金属络合形成的络合染料,这一类的金属络合染料可以溶于水,不可以溶于有机溶剂;第三类,属于通过季铵盐改性的金属络合染料,有色组分可以看作是有机酸根,当加入季铵盐后,Na+、NH4+等无机离子发生取代反应,络合染料阴离子与季铵盐阳离子结合后形成解离度较小的化合物,降低其极性,增大在溶剂中的溶解度。

目前涂料用色精采用不同种类染料制备按用途分为三大类。第一类是油性色精,一般多采用DMF、丙酮、丁酮、环己酮等极性有机溶剂作为溶剂,用在溶剂型涂料体系中;第二类是水油两用色精,一般采用亲水性醇醚类溶剂作为溶剂,由于整个体系表现出亲水又亲油特性,可用于溶剂型涂料和水性涂料中,也是目前水性体系使用最理想的色精类型;第三类是纯水性色精,多采用酸性染料或含有—SO3H等水溶基团的金属络合染料溶解于水中来制备。

1.1.2 金属络合水性色精

金属络合染料可通过溶解于环保醇醚类溶剂中来制备水油两用的金属络合水性色精,这类色精也是目前使用最广泛的一种,由于稳定的金属络合染料保证了优异的耐性,在涂装产品的颜色稳定性方面得到了一定的保障。同时金属络合水性色精的亲水亲油的特性也提高了其通用性和宽泛性,更加便于水性涂料研发和应用工作者开发和使用。

1.2 水性透明色浆

1.2.1 水性透明氧化铁色浆

水性透明氧化铁色浆是通过使用分散剂和水来将超细氧化铁颜料进行分散研磨制备得到色浆,其具备一定的透明,主要是由于超细氧化铁α-FeOOH是一种粒径小于100 nm的颜料[2]。由于粒径小,可见光在传播的过程中绕过这些微小的颗粒,这种衍射现象使得用该颜料制得的色浆达到透明的效果。

1.2.2 水性透明有机色浆

水性透明有机色浆又称为超分散水性透明色浆,将有机颜料如颜料黄PY83、颜料黄PY110、颜料红PR146、颜料红PR256、炭黑等通过特殊工艺分散研磨到颜料微粒之间距离小于100 nm,此时同样可使制备得到的色浆达到透明效果。

1.3 水性实色色浆

1.3.1 水性实色色浆简介

水性实色色浆是通过水和带有锚定基团的分散剂通过分散研磨而制得的颜料浓缩浆,一般这种无树脂型的色浆颜料浓度高、着色力强、展色性能佳、相容性好、具有触变流动性,一般不引起浮色和发花。

1.3.2 水性实色色浆分类

目前水性实色色浆按颜料种类可分为无机色浆和有机色浆,无机色浆主要由钛白、铁红、铁黄、群青、铁黑、炭黑等组成,有机色浆主要由有机红、有机黄、酞菁蓝、酞菁绿等组成。按色浆体系可以分为无树脂色浆和有树脂色浆,无树脂体系的色浆具有高浓度、相容性广的特性,分散剂选择得好可以有效避免浮色发花。有树脂体系的色浆色浓度相对较低些,涂料相容性窄些,但研磨得好具有更高的光泽。


2 水性木器涂料着色剂的性能表征及其应用

2.1 水性木器涂料涂装中着色剂的应用

2.1.1 水性色精在木器涂装中的应用

水性色精在美式涂装中的应用主要在两个方面:一个是调整基材的颜色,一个是面修色。其中基材颜色的调整是通过将水性色精用酒精开稀或配制的快干底修色主剂来使用,通过色精染料均匀渗透到基材表层来实现对木材基层颜色的调整。面修色是通过将水性色精加到含有少量树脂的酒精修色主剂中来对做完底漆的工件颜色调整;或者通过将水性色精加到调制的渗色主剂中刷涂在底漆上20~30min后收干,染料分子均匀渗透到底漆中来调整工件颜色。

水性色精在木器涂装中除了以上两方面应用,对于工件要求不高、工艺简单的,还可以将水性色精加到底漆或面漆中来调整颜色。仿古涂装中水性色精也可以加入到格丽斯中进行擦色使用,同样可以达到既调整底色又凸显木纹的效果,但是只适用于涂装历程不长的工件,如果遇到需要很长的板材擦涂格丽斯的时候,由于染料的渗透能力过强以及擦涂格丽斯时间不同,而导致格丽斯停留时间长的地方会深,格丽斯停留时间短的地方会浅,整个板材显现不均匀。所以色精用在仿古格丽斯中一般适合不太大的工件。

水性色精也适合同色浆进行搭配使用,前提是水性色精与水性色浆在格丽斯主剂中相容性要好,当使用色精和色浆搭配在底擦色基料里,擦涂在基材上后,染料的渗透作用调整了基材的颜色,不具备渗透力的颜料填充加深了木纹,这样也简化了涂装工艺,当然擦色基料的调整必须达到减少起毛刺。

2.1.2 水性透明色浆在木器涂装中的应用

用在木器涂装的水性透明色浆目前有透明氧化铁色浆和透明有机色浆两大类,透明氧化铁色浆为无树脂体系,透明有机色浆是有树脂体系。在木器涂装中两者都可以用在格丽斯体系中,其中透明氧化铁色浆调配的格丽斯颜色较暗,适合更加暗淡的仿古,当利用透明氧化铁色浆做仿古效果时,如果需要相对提高鲜艳度就需要利用水性色精来调整颜色。透明有机色浆通过使用有机颜料以树脂作为连结料制备而来,拥有透明氧化铁不能达到的鲜艳度以及光泽度,同时由于颜料粒径较小具有一定的渗透作用,所以使用在格丽斯中既可以达到调整底材颜色又可以同时填充加深木纹的目的。

笔者通过实验发现,通过将等量水性色精、水性氧化铁色浆、透明有机色浆加到等量格丽斯主剂中擦色发现,着色浓度最高的是色精,其次是透明有机色浆,透明氧化铁色浆最暗淡。木纹凸显最清晰的是高透有机色浆,其次是透明氧化铁色浆,色精不能够很清晰地填充和凸显木纹。

2.1.3 水性实色色浆在木器涂装中的应用

实色色浆在木器涂装的用途比较广泛,需要做遮盖颜色的时候都会需要用到各种颜色的实色色浆。比如在有色腻子和有色水灰中,选择氧化铁系可以使腻子或水灰拥有高性价比。还有前文提到的擦涂底修色产品,可以使用色浆和色精搭配到修色基料中,也可以选择氧化铁系列和水性色精搭配使用。

2.2 应用于水性木器涂料涂装中着色剂的性能表征

2.2.1 水性色精在木器涂装中性能表征

水性色精应用到水性木器涂装中主要考虑色精的以下性能特征:

2.2.1.1 水性色精的贮存稳定性

水性色精制备对溶剂的选择比较重要,选择好的溶剂是水性色精贮存稳定性的关键。贮存稳定性好的水性色精,原液长时间贮存都不会出现硬沉淀。同时水性色精原液黏度是会随环境温度而有一定变化的,由于溶剂的原因,-10 ℃不会结晶,只会黏度增大但在可使用范围,温度升高黏度复原,所以可适用于北方寒冷环境。

2.2.1.2 水性色精对紫外线的耐性

由于水性色精使用金属络合染料进行制备,金属络合染料相对于其他染料具有优异的耐性,特别是对紫外线的耐性,经过实验测试发现,正常UV机10次通过和4 min长时间照射,金属络合水性色精颜色只有很轻微的变化。

2.2.1.3 水性色精的耐温性

在金属络合染料中,大红、黄、黑对温度的耐性相对较高,180 ℃烘烤30 min基本不变色,绿色和蓝色对温度耐性相对差些,140 ℃、0.5 h已有轻微变色,所以对于水性玻璃烤漆就不太适合。

2.2.1.4 水性色精的干燥速度

根据水性色精的干燥速度不同选择合适水性体系的,比如在修色金油(面修色主剂)体系中,水性色精如果干燥慢或不干,需要加大树脂或乳液的含量来提高成膜后涂膜中树脂对色精的包裹,防止未干透或不干的色精在喷涂水性面漆的时候往上再溶解迁移而导致发花、缩油、咬底等现象,同时需要工艺上充分对修色后的涂膜干燥。如果水性色精相对干燥快一些可选择树脂相对少一些的体系,以达到快速修色和快速喷涂面漆的目的。

2.2.1.5 水性色精的环保性

水性色精环保性主要由溶剂和金属络合染料来决定,溶剂选择高档环保溶剂,避免甲醇等毒性溶剂。其次所使用的金属络合染料的重金属要满足EN17-3的要求。

2.2.2 水性透明色浆在木器涂装中的性能表征

水性透明色浆应用到水性木器涂装中主要考虑其以下性能特征:

2.2.2.1 水性透明色浆的透明性

水性透明色浆的透明性是其特殊用途的前提保障,实验发现有机透明色浆中,PR146、PR254、PY83、PY110颜料处理和研磨得好,其透明性与色精对比相差不太大,酞菁蓝和酞菁绿与色精透明度相当。透明氧化铁的透明度要差一些。

2.2.2.2 水性透明色浆的着色力

水性透明色浆在木器涂装中使用的时候要考虑其着色力,比如同样的透明氧化铁色浆和透明有机色浆加到格丽斯中,实验发现10%的透明有机色浆添加量的着色力度就可以与20%透明氧化铁色浆添加量的着色力度相当。

2.2.2.3 水性透明色浆的相容性

无论是水性透明氧化铁色浆还是水性有机透明色浆都是主要以水为分散介质的体系,这种稳定的均一相在与其他体系混合的时候需要考虑到混合之后的相是否重新平衡,比如透明色浆加入到大量的酒精中后,酒精会破坏透明色浆的体系,颜料粒子聚集沉降。所以将透明色浆加入到修色体系中的时候要考虑其相容性。

2.2.2.4 水性透明色浆的耐候性

无论是透明氧化铁还是透明有机色浆,由于采用颜料制备,其耐候性优异,特别是有机透明色浆中的PR254红、PY110黄色,可以用于水性UV涂料中。

2.2.3 水性实色色浆在木器涂装中的性能表征

水性实色色浆应用到木器涂装中主要考虑以下性能特征:

2.2.3.1 水性实色色浆的贮存稳定性

水性实色色浆的贮存稳定性与研磨粒径、体系黏度、助剂防沉性、颜料比重等因素有关。无机系列比重较大,分散剂的选择和体系黏度调整比较重要,防沉效果不好的色浆长时间会出现硬沉降,不便于使用。

2.2.3.2 水性色浆的pH值

无树脂体系的水性色浆的pH值应该调整到9左右比较好,首先便于水性色浆的贮存,偏碱性的环境中细菌难以滋生。

2.2.3.3 水性实色色浆与水性涂料的相容性

相容性好的水性色浆,颜色调整好的水性涂料贮存过程中不会出现颜色的变化。浮色有两种情况:

亲水亲油或表面张力不平衡引起的罐内静态浮色,以及涂膜干燥中由于颜料粒子运动差异引起的涂膜动态浮色。漆罐内静态浮色是色漆分散均匀,放置一段时间,漆罐中出现一种或多种颜料分离出来浮现到表面的现象。产生静态浮色的原因是调色的基础漆与色浆的亲水亲油不平衡,或者表面张力不平衡造成的,润湿分散剂调整体系的亲水亲油或表面张力平衡效果最好,用量最少,对涂料性能影响也最小,不同品牌的色浆制备过程中使用不同类型的润湿分散剂,应选用适宜的润湿分散剂来解决静态浮色 。

 

3 水性工业涂料着色剂的性能表征及其应用

3.1 水性工业涂料涂装中着色剂的应用

3.1.1 水性透明色浆在工业涂料涂装中的应用

水性透明色浆在工业涂料中主要应用在汽车工业水性涂料和金属或玻璃水性烤漆中,由于透明色浆所使用的颜料相比于染料拥有高耐温耐候等特性,与铝银浆或珠光调配使用已获得特殊效果。

3.1.2 水性实色色浆在工业涂料涂装中的应用

水性实色色浆在工业涂料涂装中用途比较广泛,主要包括汽车、铁路车辆、桥梁管道、钢结构、集装箱水性涂料等,其中主要以铁红、铁黄、群青、酞菁蓝、酞菁绿为主,颜色鲜艳的会用到PR253、PY110等有机颜料色浆。

3.2 应用于水性工业涂料涂装中着色剂的性能表征

3.2.1 水性透明色浆在工业涂料中的性能表征

相对于水性木器涂装,除了一些共同特性以外,透明色浆在工业涂料中还需要具备以下特性:

3.2.1.1 水性透明色浆的鲜艳度

在水性工业涂装中,透明有机色浆的颜色具有更高的鲜艳度,更加适合用于汽车涂料的对颜色的要求。

3.2.1.2 水性透明色浆的耐高温性

在水性工业涂料涂装中,无论是金属基材还是玻璃、陶瓷等基材,都会涉及到高温烘烤的工艺,既要达到透明效果,又要能够耐高温,染料是很难达到工艺要求的,特别是蓝色,所以透明有机色浆提供了很好的解决方案。

3.2.2 水性实色色浆在工业涂料中的性能表征

水性实色色浆在工业涂料涂装中除了木器涂装的一些性能特征以外,最主要是耐候性的要求,工业涂料涂装对耐候性要求相对较高些。对于户外使用的工业设备表面涂装使用的颜料相对耐候性好价格便宜的以氧化铁系列为主,其次是酞菁蓝、酞菁绿。


4 结语

目前水性木器涂料中着色剂主要还是以水性色精、水性透明色浆、水性实色色浆为主。随着水性涂料的快速发展,越来越多的溶剂型涂料企业开始转型水性涂料,我们涂料颜色工作者在开发和调整这些颜色产品的同时要配合市场和客户需求,调整的产品要尽量满足应用的适用性。


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