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无机涂料的助剂选择

 第18卷 第4期 吉 林 工 学 院 学 报 V o l.18 No.4

1997年12月 JOU R NA L O F JIL IN IN ST IT U T E O F T ECHN O L OG Y D ec.1997

无机涂料的助剂选择

高荣久

(长春市民用建筑设计院,长春130041)

摘 要 从原理上分析助剂对无机涂料的作用。通过大量试验证明选择对症的助剂,能提高无

机涂料各项性能,为助剂的选择提供了理论根据,并提供大量的实例供应用单位选择。

关键词 无机涂料 助剂 性能对比

分类号 O614.112

0 引 言

无机涂料由于资源丰富,生产工艺简单、价格低廉、无毒、快干、便于施工,涂层又具有耐水、耐酸碱、耐污染、耐高温、耐老化和表面硬度高、成膜温度低等优良性能,已在我国建筑业被广泛采用。

涂料由主要成膜物质、填料与颜料组成,但是性能还是不完善的。为此,常常需要加入一些辅助材料,也就是作为辅助成膜物质的各种助剂。助剂的种类很多,各有特长,它们在涂料中虽然用量很少,但作用是显著的。有时对涂料的某一性能还可以起决定性作用,如能改善涂料的生产工艺,改进涂层的质量,防止涂膜出现病态等。所以说,助剂是涂料生产和施工中不可缺少的一种辅料。

涂料中常用的助剂有增塑剂、固化剂、悬浮剂、流平剂、消泡剂、乳化剂、分散剂、交联剂、中和剂、抗冻剂、防霉剂、防锈剂、偶联剂、增稠剂、促粘剂、渗透剂、外罩剂、防老剂、防污剂、增白剂、表面活性剂等。涂料品种繁多,不同品种、不同用途的涂料对其助剂也有不同要求。希望建筑和化工有关部门应该紧密合作,互通情报,互相支持,研究和生产各种助剂,以利推动建筑涂料工业的迅速发展和应用。

1 原 理

用于生产建筑涂料的碱金属硅酸盐有硅酸钠、硅酸锂、硅酸钾、硅酸铷、硅酸铯等。季胺硅酸盐有硅酸四甲醇胺、硅酸四乙醇胺等。上述硅酸盐水溶液的通式是:

M2O XSiO2 YH2O

式中:M系指碱金属,N(CH2OH)4,N(C2H4OH)4或C(NH2)2NH;X和Y均为整数,X 在1~10之间为宜,Y的数值用以调整涂料粘度和保证涂刷性能。涂料的基料可以选用一种或两种以上硅酸盐水溶液的混合物,但其浓度一般在10%~60%(固体重量份)范围内为好。用于生产涂料技术性能最差的是硅酸钠,但是由于它的价格最低,来源充足。所以,选择它为涂料的主要成膜物质。对其缺点选择一些能产生优良性能的助剂加以改性,使其成为优 收稿日期:1997-08-10 高荣久 男 1942年生 工程师

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质的涂料。

在制造硅酸钠系列无机涂料时,一般作法是硅酸盐水溶液(俗称水玻璃)中,加入金属氧化物和氧化物的水合物,以形成硅酸和金属复盐。但是,上述两种物质进行混合时立即形成复盐,涂料液的粘度往往在几小时之内上升,以致引起胶化。使其使用期短,施工也困难。目前解决这种缺点的方法有两种。一种是在加入硅酸钠和金属化合物之外,再加入各种无机化合物来抑制反应;或者混合酞酸二烯丙酯乳化聚合物,以及醋酸乙烯系列乳化聚合物等的水悬浮液来缓和胶化反应。但是,这些方法都不能使涂料长期保持良好的施工性能,其耐热性和耐水性的技术性能也不好。另一种方法是先涂刷水玻璃系列涂料,再涂刷固化剂的两次施工方法,这样自然增加了工作量和劳动强度,同时也增加建筑成本及影响工期。

采用文中研究的方法生产的涂料经过长期存放,不但涂料粘度没有上升,施工方便,同时涂膜在耐热、耐水和耐化学药品等性能上也优于一般的涂料。

碱性水溶性硅氧烷和耐碱性乳液型硅氧烷与硅酸钠和碳酸钙(或碳酸钡)的混合液亲合性好,同时又可以抑制硅酸钠和碳酸钙的反应,能使涂料长期贮存而保持稳定。碳酸钙与硅酸钠在室温下就具有较强的反应性能,再加入极少量的二氧化硅玻璃粉和石粉等,经过充分搅拌和研磨,就能发挥出好效果。要加入其他类的硅氧烷来增加涂料的优良性能,一定要按照需要量先加入上述两种硅氧烷后才可以,否则涂料的各种性能将受影响。

碱性水溶性硅氧烷或耐碱性乳液型硅氧烷在涂料中,不仅起到缓和抑制硅酸离子、钙离子、钡离子的活性,而且涂刷后又具有防止涂膜表面产生裂纹的作用,这种作用是油溶性硅氧烷及其他种的乳液型硅氧烷不能达到的。可以认为,溶解后的硅氧烷分子或均匀分散的硅氧烷粒子,与硅酸和金属复盐的形成过程有密切关系。例如,形成硅酸-钙-硅的结构。

在抑制反应作用方面,碱性水溶液硅氧烷比耐碱性乳液型硅氧烷效果大,而在提高涂膜抗水性能方面,后者的效果要比前者强,可以按涂料使用的目的,选用一种或同时使用均可。

在制造涂料顺序上,先后投放硅酸钠、碳酸钙或碳酸钡、碱性水溶性硅氧烷,或耐乳液型硅氧烷,三者一般可以不受特别限制。

2 原材料

制造涂料采用的硅酸钠,其含水量为35%~50%最好,碳酸钙和碳酸钡用微细粉末为最好。从硅酸钠和两种碳酸盐的反应性能来看,钡盐较钙盐的反应性能差,考虑涂料长期贮存,那样就采用钡盐为好。由于涂装后的反应较慢,可以按照应用的时间和目的,按适当比例将二者混合应用。此外,要使涂膜固化快时,除使用上述两种碳酸盐外,再加入碳酸镁效果也很好。

各种硅氧烷都具有抑制硅酸钠与碳酸钙的反应效果,但是只有碱性水溶性硅氧烷和耐碱性乳液型硅氧烷抑制效果最好。碱性水溶性硅氧烷是指经过碱处理后的钠硅酸盐形态的水溶液,它与溶于水中而呈乳白色的乳液型硅氧烷有明显的不同。耐碱性乳液型硅氧烷是指将硅油放在强碱性(pH10以上)水溶液中,其乳化能力好。而且这种乳液型硅氧烷是能长时间保持界面活化能力的非离子性的活性剂。加在碱性水溶液中几个月后,其乳化性能还是稳定的。

表1 原材料明细表

原料名称纯度产地规格原料名称纯度产地规格碱性水溶性硅氧烷水溶液33%

吉林工业品耐碱性乳液型

硅氧烷40%

吉林工业品普通乳液型硅氧烷吉林工业品涂料用油溶型

硅氧烷天津工业品灰浆防水用油溶型硅氧烷上海工业品非离子性乳液型硅氧烷

吉林工业品硅酸钠水溶液40%~60%

长春工业品氯化钡天津工业品氢氧化钡天津工业品硫酸镁天津工业品氯化铝唐山工业品硫酸铝唐山工业品磷酸二氢化钙

上海工业品葡萄糖酸钙上海工业品油酸钙上海工业品碳酸钙沉降唐山工业品碳酸钡微细唐山工业品碳酸镁微细天津工业品氢氧化钙双阳工业品氯化钙天津工业品硫酸钙

天津

工业品

乳酸钙

上海

工业品

3 实验方法

首先对硅酸钠和金属化合物的反应状态(反应速度、成膜性能及施工作业性能等)和能够购得的金属氧化物,如镁、铝、钙、铜、锌、锡、钡、镉的氧化物、氢氧化物、强酸盐、弱酸盐和有机化合物的盐类等进行了试验。结果是硅酸钠和碳酸钙或碳酸钡在室温下反应性能最差,但是这两种混合液贮存几天后也开始胶化。将其它金属化合物,如氢氧化钙和氯化钙等加入硅酸钠中便会立即胶化(见表2)。

试验实例1:

将表2的化合粉末,加在40%的硅酸钠水溶液中,充分搅拌,待10h 后,对其液物进行观察,其结果在表2中。具体配比是在1克分子(重量)的硅酸钠中,分别加入0.5克分子(重量比)的表中化合物。

表2 试验物质和结果

化合物1化合物2混合后的溶液状态

硅酸钠碳酸钙无变化硅酸钠碳酸钡无变化硅酸钠碳酸镁粘度稍微上升

硅酸钠氢氧化钙胶化硅酸钠氢氧化钡胶化

无机涂料的助剂选择

硅酸钠氯化钙胶化53

第4期 高荣久:无机涂料的助剂选择

续表2

化合物1化合物2混合后的溶液状态

硅酸钠氯化铝胶化

硅酸钠硫酸钙胶化

硅酸钠硫酸镁胶化

硅酸钠硫酸铝胶化

硅酸钠磷酸二氢化钙胶化

硅酸钠葡萄糖酸钙胶化

硅酸钠乳酸钙胶化

硅酸钠油酸钙胶化

对各种助剂先后经过多次试验,结果发现,在上述组成的混合液中,掺入碱性水溶性硅氧烷液或碱性乳液型硅氧烷可以制成性能优良的涂料。将这种混合液料溶液,装入密封的容器内可贮存1~5个月以上,也没有发现涂料粘度上升,涂刷后几小时之内即可固化,烘干时能抗300℃高温。而且具有耐水、耐酸、耐碱和耐有机溶剂等性能。

经过对比试验发现加入一般的硅氧烷是不能制得优良的涂料。只有加入上述两种特殊的硅氧烷才能得到性能优良的涂料(见表3)。

试验实例2:

在100份60%硅酸钠水溶液中,加入30份碳酸钙、20份硫酸钾和10份偏硼酸钠,然后在7份此种混合料中再分别加入表3中所示各种硅氧烷8份,经过充分搅拌后,放在室温中贮存。分别在7天、30天、90天后,对其涂料液的状态进行了观察和测试,其结果如表3所示(各种物质均按重量比)。

表3 各种硅氧烷对涂料溶液贮存的效果比较

序 号硅氧烷种类

涂料溶液的状态

7天后30天后90天后1碱性水溶液分散均匀不胶化不胶化

2耐碱性乳液型分散均匀不胶化

不胶化

粘度稍有上升

3

碱性水溶液

耐碱性乳液型

分散均匀不胶化不胶化

4普通的乳液型硅氧烷层分离固化固化

5涂料用油溶型硅氧烷层分离固化固化

6灰浆防水用油溶型硅氧烷层分离固化固化

7非离子性乳液型硅氧烷层分离固化固化

试验实例:

将50%硅酸钠、33%碱性水溶液硅氧烷水溶液、40%耐碱性乳液型硅氧烷、碳酸钙、碳酸钡、碳酸镁和偏硼酸钠。按着表4中的配比(重量比)经充分混合搅拌和研磨后,取出部分54吉 林 工 学 院 学 报 第18卷

立即涂在玻璃表面,待干燥后再用150℃的温度烘烤0.5h,做对涂膜观察用。其余部分放在密封容器内,于室温贮存5个月,然后对涂料液进行观察和研究。结果在表5中表示出来,其抗热性是在烘箱内恒温1h,涂膜表面没有发生变化的最高温度。抗水性是在室温下放置在水中10天,并经过干燥后的重量损失进行测试的。耐酸性、耐碱性是将在玻璃表面涂刷的试样,放在室温下3%盐酸水溶液和3%氢氧化钠水溶液中5h 后,再经干燥后,对涂膜表面和失重程度来测定的。从表5可以看出:3,5,6,7,8,10号涂料样品贮存性能好,3,4,5,8,10号涂膜表面平整无裂纹,而且3~10号涂膜抗热性能好,特别是4,5,9号更好。9号能在室温下进行反应。与5号相比,它不经过烘烤也能制得具有良好的抗水性能的涂膜。但是,碳酸镁加入量增多时(超过10份)与玻璃表面粘结性能下降。

表4 试验原材料配比表

序号12345678910硅酸钠100100100100100100100100100100碱性水溶性硅氧烷水溶液--15-1515-151515耐碱性乳液型硅氧烷---12575-125-75-碳酸钙30-303030--153030碳酸钡-45---4545225--碳酸镁--------5-偏硼酸钠

---------15

注:表中数量均为重量比。

表5 涂料溶液的贮存状态和涂膜的技术性能

序 号

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

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在配制本涂料时,如以50%硅酸钠水溶液为100份(重量份,下同)时,33%碱性水溶性硅氧烷水溶液或40%耐碱性乳液型硅氧烷可用1~40份,如硅氧烷加入量少于1份时效果差,而高于40份时涂刷后影响固化;碳酸钙或碳酸钡及这两种碳酸盐的混合物可用5~80份,碳酸盐的加入量少于5份时不能提高抗水性能,而高于80份时涂膜强度低。除了上述规定的材料外,还可以加入在室温下不与硅酸钠水溶液起反应或反应缓慢的无机化合物。如碱性磷酸钠、碱性聚磷酸钠、硼酸或硼酸盐、硫酸钡、硅酸钙和硫酸钾等,可以提高涂膜的强度,使涂膜表面平整美观。此外,可以根据需要加氧化钛、氧化锌和钴兰等颜料及玻璃粉、石粉等填充剂。具体配方见表6

表6 无机涂粉具体配方

编号123456789

硅酸钠100100100100100100100100100

碱性水溶性硅氧烷408201010153碳酸钙580201040810

硅酸钙30302010

颜 料10555535

耐碱性乳液

55310型硅氧烷

偏硼酸钠1510

碳酸钡5030204085

硫酸钾105

氧化钛1010

普通型乳

3

液型硅氧烷

磷酸三钠3

三聚磷酸钠35硼 酸55四聚磷酸钠5碳酸镁3

本涂料采用涂刷、滚涂或喷涂等方法都行。无论是涂装在石面、水泥面、砖瓦面、木材面、金属和耐碱的布面上,都能与这些材料粘结牢固。涂刷后几小时涂膜就能固化,随着水分的逐渐蒸发而形成坚硬的涂膜。在水分充分蒸发后,可以根据需要,用高于100℃的温度进行热处理,将得到耐热、耐水、耐酸及耐碱等性能十分优秀的涂膜。加热时要逐渐提高温度,因急剧加热时,水分和碳酸气迅速蒸发,将在涂膜上产生气泡,影响涂层的美观和质量。温度要控制在100℃~250℃。

4 结果与讨论

经过大量的试验和实践应用,证明助剂在无机涂料中是不可缺少的。不但能显著提高涂料的各项技术性能,又可用低价格的品种,生产出高品质的产品。

要做大量试验,逐步由每一个单项验证到多品种配合,通过多次对比,才能选出最优秀的助剂和配方。

The Choice of Coating Additives for Inorganic Paints

Gao Rongjiu

(Changchun Civil Arch itecture Designin g Ins titute,Changch un 130041)

Abstract T he effect o f coating additiv es o n the inor ganic paints is analyzed in principle .A larg e number

of ex periments wer e car ried o ut to demo nst rat e that the co rr ect choice o f an coat ing additive can impr ov e the per for mance of inor g anic paints.A t heo r et ical basis is pro vided.A list of exa mples ar e pr esented for refer ence .

Keywords inor g anic paint s;coating additiv es;per for mance contr ast ;cla ssificatio n number

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