4大水性涂料改性“上位”之路——纳米碳填料、非金属矿物填料一个都不能少!


来源:中国粉体网   昧光

[导读]  目前,我国环保型水性涂料已经呈现出“四足鼎立”的局面——水性无机富锌涂料、水性环氧涂料、水性丙烯酸涂料、水性聚氨酯涂料。

中国粉体网讯  近年来,水性涂料凭借其绿色、低碳、高性能、广泛适用等诸多优点受到了消费者的青睐,正在逐渐取代传统涂料的主导地位。目前,我国环保型水性涂料已经呈现出“四足鼎立”的局面——水性无机富锌涂料、水性环氧涂料、水性丙烯酸涂料、水性聚氨酯涂料。

 

1水性涂料的“优”与“劣”

 

1.1水性无机富锌涂料

 

水性无机富锌涂料由基料、颜填料、助剂3部分组成。水性无机富锌涂料在安全环保、耐高温、耐化学品及长效防腐方面具有巨大的优势,但是其机械性能差、易开裂脱落、对基材要求高等缺点也十分显著。

 

1.2水性环氧涂料

 

该涂料利用水或者其他介质作为溶剂,因具有较高的金属附着性、粘结性能,且化学性能稳定,在使用过程中无挥发性有机溶剂,成为各国关注的重点。

 

但是该类涂料现在也存在一些弊端,例如:在固化成膜之后,由于涂膜内部的内应力过大,涂膜质地较脆,而且耐腐蚀性较差。这是由于颜料、助剂等原料与水的相容性较差,造成水性环氧涂料分散性不均匀,这也是水性涂料的一大通病。

 

1.3水性丙烯酸涂料

 

该类涂料主要是丙烯酸酯类树脂配合助剂、颜料等物质制备而成。它具有耐酸碱、安全环保、廉价、防腐蚀等优势,在汽车、家具、建材等领域有着较为广泛的应用。

 

但是水性丙烯酸树脂的成膜机理较为复杂,在改性过程中常出现团聚等一系列的问题,在改性过程中需要进行一些成膜机理的探索。

 

1.4水性聚氨酯涂料

 

该类涂料具有安全、环保、高硬度、耐磨损、易清理等众多优异性能。但水性聚氨酯涂料也存在成膜所用的时间较长,对周围环境要求较高,不易于存储等问题,致使其存在应用范围相对狭窄,大规模应用程度较低的问题。

 

2填料“填补”水性涂料短板

 

2.1非金属矿物填料

 

体质颜料又称为填料,包括许多化合物,主要是钡、钙、镁或铝的盐类,硅或铝的氧化物,或从前两类物质衍生的双盐类,在涂料中具有广泛的用途。这些填料有两种通性,一是折射率低,二是颜色为白色或近乎白色。


 

填料的物化性能

 

在涂料工业中,填料主要起到两个方面的作用。一是起到骨架与填充作用,减少树脂用量,降低生产成本。二是能够改善涂料的施工性能,例如:提高涂料施工的流动与流平性,提高产品的贮存性,提高涂料的涂膜质量,以及提高涂膜的硬度、机械强度、遮盖力、耐候性、耐水性、耐溶剂性、抗弯曲性、阻燃性、抗划痕性和抗龟裂性等。

 

Liu等在超声催化的条件下,利用磷化壳聚糖(PCS)改性蒙脱土,得到了PMT(有机改性剥离蒙脱石),将PMT添加到含有AHP(次磷酸铝)的聚氨酯涂料中。结果表明,AHP含量为9%和PMT含量为1%的聚氨酯涂料阻燃性能良好。

 

2.2纳米碳材料

 

以碳作为主要构成元素的碳材料具有质量轻、硬度高、耐磨、导电、导热等优点,同时还具有优异的化学稳定性。例如,石墨烯、纳米碳管、纳米炭黑及纳米碳化物等。

 

纳米碳材料优异的稳定性、高力学性能、耐腐蚀性能等可以在水性涂料中得到很好的发挥。


 

纳米碳材料改性水性涂料工艺流程简图

 

Lee等用聚乙二醇(PEG)与酸化碳纳米管(MWCNTs)表面的羧基通过酯化反应,在其表面接枝了PEG链段,其在PU基体中分散性良好。这些是由于通过化学反应处理纳米颗粒,改变粒子表面的结构并在其表面嫁接特殊的官能团,使碳材料具有亲水性,最终达到让碳材料在水性涂料中稳定分散的目的,形成高品质的纳米粒子改性涂层。在实际生产应用中,纳米碳材料在水性涂料中的分散性是影响其性能的主要因素,这是现阶段研究的难点和重点。

 

3水性涂料研究及发展方向

 

纳米碳材料方面,总整体而言,简单、易操作、可大规模生产的改性方法,是未来纳米碳材料改性水性涂料的主要趋势。涂料行业“十四五”规划中,对水性工业涂料的研究有明确方向指引。包括防腐、汽车、船舶、木器、钢结构等水性工业涂料的科学技术研究,内容有水性涂料的抗性与成膜物结构关系、成膜机理、颜料分散机理、涂膜流动及流平等机理。

 

此外,还要特别关注有助于提高水性涂料性能的机理,如水性防腐涂料的防闪锈、提高早期耐水性机理,水性木器涂料的防涨筋机理,水性汽车涂料实现紧凑涂装工艺的机理。

 

传统颜填料方面,涂料行业“十四五”规划中提出,钛白粉、氧化铁系颜料重点是通过新型制造技术或重大技术改进提高其耐候性、分散性,并且减少制造过程对环境的污染。

 

写在最后

 

涂料对填料的搭配最终是根据需求选择的,传统非金属材料方面,有多元化,低成本、绿色环保、材料来源广泛等优势。碳材料方面,随着对纳米碳材料的不断研究,利用纳米碳材料优异的导热性、导电性、化学稳定性和力学性能,在高耐热涂料、超导涂料、防腐涂料、超耐磨涂料等领域将具有非常大的应用前景和应用优势。

 

参考来源:

孙英纯,纳米碳材料对水性涂料的改性研究现状,南京林业大学

中国涂料行业“十四五”规划(二),中国涂料工业协会

司政凯,等:环保型水性涂料的研究现状及发展趋势,河南兴安新型建筑材料有限公司

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作者:昧光

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