采用完全匹配的原材料生產(chǎn)高性能水性涂料

Gregor Apitz，Alberdingk Boley

涂料配方一般由10～20種單一組分構(gòu)成，在開發(fā)新型涂料配方過程中，要對(duì)所有組分的化學(xué)、物理和表面相互作用進(jìn)行控制幾乎是不可能的，也會(huì)造成勞動(dòng)力和時(shí)間的浪費(fèi)。開發(fā)了一系列完美匹配的模 塊化原材料，作為半成品中間體，可提高 涂料生產(chǎn)效率。本文介紹了按此方法生產(chǎn) 高品質(zhì)涂料的實(shí)例。

目前，許多涂料原材料的設(shè)計(jì)在很大 程度上受到以下參數(shù)的影響：

> 市場(chǎng)和產(chǎn)品的要求

> 法規(guī)的要求

> 生產(chǎn)制造技術(shù)的要求

生產(chǎn)技術(shù)決定了原材料的設(shè)計(jì)

近幾十年中，終端用戶對(duì)現(xiàn)有生產(chǎn)技 術(shù)和涂料性能的要求刺激和推動(dòng)了涂料用 原材料的進(jìn)一步發(fā)展。由于法規(guī)（VOC指 南、REACH法規(guī)、EcoLabel-生態(tài)標(biāo)志、Blue Angel-藍(lán)色天使標(biāo)志）要求原材料供應(yīng)商 淘汰配方中的有毒和危險(xiǎn)物質(zhì)，這種影響 已變得愈發(fā)明顯。同時(shí)，水性涂料的現(xiàn)有 生產(chǎn)技術(shù)在過去幾十年中基本未發(fā)生顯著 變化：對(duì)于大多數(shù)固體原材料的分散來(lái) 說，分散罐仍必不可少。涂料生產(chǎn)中要使 用分散罐自然需要設(shè)計(jì)開發(fā)新的原材料， 使其適用于現(xiàn)有生產(chǎn)技術(shù)。

以分散劑的開發(fā)和優(yōu)化為例，最重 要的目標(biāo)是盡可能將在分散裝置中的分散 時(shí)間降至最短。因此，該因素也是開發(fā)新 型分散劑的經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)力。將陰離子基團(tuán)植 入到分散劑聚合物中，就可以加快分散過 程。但是，這些極性官能團(tuán)也會(huì)對(duì)成品涂 料的耐化學(xué)性（水、咖啡、紅葡萄酒等） 造成負(fù)面影響。同樣，水性基料的膠體穩(wěn) 定體系已不斷地改性提高，以適應(yīng)現(xiàn)有分 散裝置的技術(shù)要求。涂料制造商需要快速、高效的生產(chǎn)工藝，所以必須要開發(fā)出 強(qiáng)力的水性聚合物穩(wěn)定體系。這里，關(guān)鍵 在于使用較高濃度的極性穩(wěn)定劑，包括乳 化劑和保護(hù)膠體，使得聚合物粒子表面聚 集更多的電荷。結(jié)果就能實(shí)現(xiàn)相當(dāng)快速的 涂料生產(chǎn)過程，但最終涂膜的水敏感性也 會(huì)較高。

對(duì)配方設(shè)計(jì)師來(lái)說，最重要的是要 具有化學(xué)基礎(chǔ)

必須對(duì)聚合物分散體進(jìn)行穩(wěn)定化處理。但大多數(shù)情況下，配方設(shè)計(jì)師并不熟 悉基本化學(xué)的方方面面。這樣在涂料開發(fā) 過程中，會(huì)帶來(lái)一系列問題，例如聚合物分散體的黏度是與穩(wěn)定化的化學(xué)機(jī)理有 關(guān)。 圖1展示了三種所選的水性丙烯酸基料 的流動(dòng)曲線，基料配方中使用了0.1%的締 合型增稠劑Byk Optiflo H 7500 VF。這些丙 烯酸基料采用同一種聚合物（具有相同的 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和最低成膜溫度）和相同的粒徑（約80 nm）。但使用的穩(wěn)定體系 各不相同。

紅色和黑色曲線表示的聚合物分散體 的穩(wěn)定化是采用共聚羧酸（如丙烯酸、甲 基丙烯酸或衣康酸）與陰離子和非離子乳 化劑的組合，通過傳統(tǒng)的靜電-空間位阻穩(wěn) 定化機(jī)理實(shí)現(xiàn)的。相反，灰色曲線的分散 體穩(wěn)定體系不含乳化劑，并僅以靜電穩(wěn)定 機(jī)理為基礎(chǔ)。在低剪切速率區(qū)，與其他基 料相比，圖1中的灰色曲線的配方黏度更 低。這是由于分散體穩(wěn)定化系統(tǒng)與締合型 增稠劑之間的相互作用達(dá)到了完美匹配。 因此，該配方呈現(xiàn)優(yōu)異的流平性。

標(biāo)準(zhǔn)配方：多種交互作用、零控制

用一個(gè)細(xì)木工件面漆的配方舉例說 明，根據(jù)所需功能要求，要選用多種原材 料，這也是多年不斷研究開發(fā)和改進(jìn)的結(jié) 果。不同的原材料組合產(chǎn)生大量的化學(xué)和 物理交互作用（見圖2）。

將來(lái)自不同供應(yīng)商的多種原材料組合 在一起，可能使涂料配方變得復(fù)雜，因?yàn)?幾乎不可能控制各組分之間的化學(xué)、物理 和表面交互作用。只有詳細(xì)了解這些性能 和原理，才能有效配制高性能涂料。

不利的交互作用會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生絮凝

用藍(lán)色色漿著色是一種非常簡(jiǎn)單的檢 驗(yàn)復(fù)雜配方潛在不穩(wěn)定性的方法。考慮一 個(gè)所用原材料的表面化學(xué)性能完全未知的 配方。由于基料的穩(wěn)定系統(tǒng)、表面處理過 得顏料或填料和分散劑之間的不利交互作 用，制備后幾小時(shí)內(nèi)就觀察到完全絮凝的 現(xiàn)象（見圖3）。

更好的性能和更有效的生產(chǎn)

在由Alberdingk-Boley，Byk-Chemie， Alpha Calcit，Kronos，International和 Hemmelrath Technologies等公司聯(lián)合組成 的模塊化原材料網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，一直在開展合 作研發(fā)工作，詳細(xì)了解產(chǎn)品的化學(xué)和物理 性能以及交互作用，開發(fā)出的模塊化原材 料不但匹配完美，而且還能提供更優(yōu)異的 性能。

這些模塊化原材料稱為"水性中間 體"，具有十分良好的表面效果，能確保用。12個(gè)月后的戶外耐候試驗(yàn)結(jié)果（如圖4 所示）表明性能方面存在較大差異：樣板3 有水泡形成，樣板4發(fā)生開裂。以上實(shí)例說 明匹配良好的原材料是可以提高性能的。

模塊化多用途有光涂料

多用途水性涂料的最高光澤仍稍低于 溶劑型涂料體系，這是由水性涂料是由粒 子聚集成膜的特性決定的。為達(dá)到最大光澤，必須要盡可能降低 表面粗糙度。除聚合物、顏料和填料的粒 徑外，成膜機(jī)理也起著至關(guān)重要的作用。 顏料、填料和聚合物粒子之間不恰當(dāng)?shù)幕?學(xué)交互作用會(huì)阻礙成膜過程，從而形成低 光澤的粗糙表面［1］。

模塊化技術(shù)方法旨在開發(fā)出原材料模 塊，其中，聚合物、顏料和填料之間的化 學(xué)交互作用能夠很好地匹配，完美成膜。 水性基料模塊是采用了專門開發(fā)的粒徑特 別小、自交聯(lián)多相丙烯酸分散體。

對(duì)基料聚合物和粒子穩(wěn)定化體系進(jìn) 行了改性，以便能與模塊中的其他組分及 顏料模塊的組分發(fā)生協(xié)同作用。為了能在 無(wú)須添加其他成膜助劑的情況下制備零 VOC、無(wú)氣味的多用途涂料，需要將多相 聚合物的最低成膜溫度調(diào)至0 °C。為了使 戶外耐候性優(yōu)異，顏料模塊應(yīng)使用穩(wěn)定性 高的鈦白粉，且與基料模塊之間具有最佳 的相容性也同樣重要。

助劑組合包的選擇至關(guān)重要，應(yīng)與 基料模塊中的助劑相匹配，從而確保聚合 物性能達(dá)到最佳。這不僅避免耐化學(xué)性問 題，同時(shí)還確保高光澤［2］。此外，還應(yīng)設(shè) 計(jì)好顏料模塊，具有優(yōu)異的存儲(chǔ)和分散穩(wěn) 定性，適合長(zhǎng)期使用，而不會(huì)出現(xiàn)凝結(jié)和 沉淀。如果需要較低光澤，還應(yīng)確保與消 光劑（如Alpha Calcit水性中間體2106）之 間的相容性。

按照以上方法配制的多用途涂料的60° 光澤可達(dá)到80。通過加入含有10%消光劑 中間體的顏料中間體，可將60°光澤調(diào)至 56～80之間（見圖5）。使用該模塊化系 統(tǒng)，配方設(shè)計(jì)師能通過簡(jiǎn)單將模塊進(jìn)行混 合就可獲得各種光澤。根據(jù)EN12720，在三 聚氰胺面板和山毛櫸木板上進(jìn)行多用途涂 料的耐化學(xué)性測(cè)試。表2所示的結(jié)果可以看 出，模塊化多功能涂料的綜合耐化學(xué)性良 好。

模塊化直接涂裝金屬漆

為了防止室內(nèi)外金屬表面免受腐蝕和 閃銹，涂料需要滿足各種不同要求［3］。因此，基于以下目標(biāo)，開發(fā)出適用于金屬漆 的高性能聚合物中間體：

> 用于高端直接涂裝于金屬的油漆防 護(hù)體系的基料；

> 可能獲得符合生態(tài)標(biāo)志的防護(hù)體系；

> 最低成膜溫度低（成膜助劑用量 低）和抗粘連性高（低沾污性）；

> 卓越的耐水性；

> 在不同基材表面都具有極佳的附著 力；

> 粒徑很小；

>流變性控制簡(jiǎn)便。

為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，新型聚合物中間體 的實(shí)驗(yàn)室開發(fā)應(yīng)以表3中所示的系統(tǒng)方案為 基礎(chǔ)。為滿足金屬漆的特定要求，開發(fā)了 一種基于疏水型多相丙烯酸聚合物的基料 模塊。該聚合物各種官能團(tuán)與其他模塊組 成的化學(xué)和物理特性相匹配，在防腐性、 防閃銹、不同金屬基材上的附著力和耐水 性等方面都能達(dá)到要求，并能以最佳方 式很容易實(shí)現(xiàn)模塊設(shè)計(jì)。與乳膠漆體系一 樣，顏料模塊的助劑組合必須與基料模塊 中的助劑相溶并具有協(xié)同效果。顏料模塊 中的助劑組合以及合理選擇鈦白粉能確保 基料和助劑的防腐性能優(yōu)異。

從表1可看到該配方的簡(jiǎn)易性，表4給 出了最初測(cè)試結(jié)果。通過添加10% Alpha Calcit水性中間體2106，可獲得更高的PVC。 從表4和圖6所給出的結(jié)果可以看出，模塊 化金屬漆具有優(yōu)異的防腐性能。

控制相互作用可實(shí)現(xiàn)配方的簡(jiǎn)化

當(dāng)前，傳統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)方法面臨著一種 處境，即開發(fā)過程中產(chǎn)品創(chuàng)新和經(jīng)濟(jì)效益 之間越來(lái)越難達(dá)到平衡。現(xiàn)有的涂料配方 （如水性彩色細(xì)木工件面漆）包含多種不 同的原材料，原材料間存在各種化學(xué)和物 理交互作用。協(xié)同作用和對(duì)抗作用都會(huì)影 響涂料的生產(chǎn)、施工和最終性能。唯有詳 細(xì)了解原材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)特性，才能準(zhǔn)確 控制物理和化學(xué)的交互作用，可大幅提高 涂料性能。

通過模塊化直接涂裝金屬漆實(shí)例可以發(fā) 現(xiàn)，將原材料網(wǎng)所有成員公司的專業(yè)知識(shí)結(jié) 合起來(lái)，就能開發(fā)出具有極具匹配的化學(xué)性 能的模塊化原材料組成，達(dá)到優(yōu)異的性能。 因此，涂料配方設(shè)計(jì)師與原材料網(wǎng)之間的共 同開發(fā)不僅更有效、開發(fā)周期更短，還能配 置出品質(zhì)非凡的涂料。 

結(jié)果一覽

 水性涂料原材料的選擇和配制由生 產(chǎn)技術(shù)決定。原材料通常來(lái)自多個(gè) 供應(yīng)商，可能導(dǎo)致大量未知和不可 控的相互作用。

 稱為"水性中間體"的模塊化原材 料之間完美匹配，能實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn) 高性能水性涂料。

 水性中間產(chǎn)體中的原材料彼此之間 具有最佳的相互作用，只要用少數(shù) 的水性中間體產(chǎn)品，就能制得最終 涂料配方。下文提供的實(shí)例（細(xì)木 工件面漆、多功能涂料和DTM涂料） 表明這些配方配制的產(chǎn)品性能良好。

致謝

在此， 感謝Simon Jonas、Markus Dimmers（Alberdingk Boley公司）、 Uwe Wilkenhöner (Kronos公司)、Rüdiger Schmidt（Alpha Calcit公司）、Frank Kother （Hemmelrath Technologies公司）和 Carsten Nagel (Byk公司)的支持與合作。

參考文獻(xiàn)

[1] Baumstark R., Schwartz M., "Dispersionen für Bautenfarben", Vincentz Verlag 2001, pp 220-222.

[2] Dörr H., Holzinger F., Kronos Titandioxid in Dispersionsfarben, Kronos Titan GmbH, pp 32ff.

[3] Apitz G., Dimmers M., Weniger Rost, mehr Umweltschutz, Farbe und Lack, 2010, Vol. 116, No. 6, pp 20-27.