杨 柳
(西安培华学院 建筑与艺术设计学院, 陕西 西安 710061)
摘要：针对传统水包水多彩涂料容易出现彩粒渗色、串色、聚集和后增稳定性不足的问题，提出用自制有机硅改性丙烯酸酷乳液为基础漆，用有机改性膨润土(GTS)为保护胶制备新型水包水多彩涂料，并对水包水多彩涂料配方进行优化。结果表明：水包水多彩涂料最佳配方为：基础漆中乳液用量28%；轻乙基纤维素用量0.7%保护胶浓度8%；保护胶与基础漆质量比 5:7；增剂用量0.5%；以给配方制备的水包水多彩涂料彩粒边界清晰分明，对比度高,强度好没有混合和串色现象，装饰效果良好，已经达到了水包水涂料HG/T 4343-2012化工行业标准。
随着我国经济水平的发展，人们生活水平的提高，对生活环境的要求也随之提高。水包水多彩涂料因其色彩丰富、施工简单方便、价格低、装饰效果好等优点，被广泛用于园林雕塑、建筑廊桥、墙板、玻璃装饰等方面。但传统水包水多彩涂料容易出现彩粒渗色、串色、聚集和后增稠稳定性不足的问题，使其应用发展受到了很大限制。针对以上问题，国内很多学者也进行了很多研究，如研究了水包水多彩涂料的彩粒成粒效果的影响因素，结果表明:当分散介质中保护胶溶液浓度为6%,分散相与分散介质的质量比为1.0∶(0.7～1.3)时,制备的分散介质综合性能优异；研究了水包砂多彩涂料的制备工艺流程，并对配方进行优化，结果表明：优化配方后所制的水包砂多彩涂料具有强度适中、抗渗色性强、耐水白性好、贮存稳定性好的特点。基于此，本文用自制有机硅改性丙烯酸酯乳液为基础漆，有机改性膨润土(GTS)为保护胶制备新型水包水多彩涂料，为水包水多彩涂料的发展提供理论基础。
1 材料与方法
1.1 材料与设备
主要材料
甲基丙烯酸(MAA)(AR)，山东恒硕化工有限公司；过硫酸铵(APS)(AR)，山东盛仓化工科技有限公司；氨水(AR)，山东鑫九诚化工科技有限公司；碳酸氢钠(AR)，寿光市荣丰化工有限公司；有机改性膨润土(GTS)(CP)，泗水县恒建膨润土有限公司；丙烯酸丁酯(BA)(AR)，山东初鑫化工有限公司；甲基丙烯酸甲酯(MMA)(CP)，山东王牌生物科技有限公司；阴离子乳化剂(NC-1)(CP)，新乡市隆立钿化工制剂有限公司。
主要设备
GFJ高速分散机(莱州市胜龙化工机械有限公司)、D2004W型电动搅拌器(上海越众仪器设备有限公司)、STM-IV斯托默黏度计(四川思创倍科科技有限公司)、H11005恒温干燥箱(邢台中德机械制造有限公司)、BDX40-80F低温箱(东莞市北斗星试验设备有限公司)。
1.2 试验方法
有机硅改性丙烯酸酯乳液制备
(1)提前将D2004W型电动搅拌机安装在四颈烧瓶中。将500 mL去离子水和乳化剂放入装有搅拌机的四颈烧瓶中，打开搅拌机，在一定转速条件下进行搅拌。按照计量称取一定量的MMA、AC-638和2-EHA混合均匀，然后将混合物缓慢放入四颈烧瓶中，在600 r/min的转速下搅拌30 min，得到单体预乳液；
(2)过硫酸铵完全溶解于计量去离子水中，得到引发剂溶液；
(3)按照计量称取乳化剂、过硫酸铵、碳酸氨钠、去离子水，然后放入1 L装有电动搅拌器、温度计和冷凝器的四颈烧瓶中，将烧杯置于水浴锅中，打开电动搅拌器，在搅拌的同时进行加热，直至乳化剂、过硫酸铵、碳酸氨钠完全溶于去离子水中，得到釜底溶液；
(4)待釜底溶液温度提升至50 ℃，加入质量分数为3%的单体预乳液，继续提升混合溶液温度，直至混合溶液泛蓝，保温30 min，得到种子溶液；
(5)保温结束后，种子溶液温度维持在80 ℃，然后同步滴加剩余的单体预乳液和引发剂溶液，滴加时间为4 h；滴加完成后，保温2 h。保温结束后，置于室温条件下自然冷却，用氨水调节乳液pH值7～8，在200目滤袋作用下过滤出料，得到有机硅改性丙烯酸酯乳液。有机硅改性丙烯酸酯乳液配比如表1所示。
表1 有机硅改性丙烯酸酯乳液配比Tab.1 Ratio of silicone modified acrylate emulsion
水包水多彩涂料的制备
(1)分别在去离子水中加入不同计量的GTS粉末，然后在GFJ型高速分散机的作用下，分散至溶液澄清，得到浓度不同的保护胶溶液；
(2)在GFJ型高速分散机中加入计量去离子水，打开高速分散机，使其转速维持至350 r/min。依次将分散剂、润湿剂、消泡剂和防腐剂放入高速分散机，分散2 min后，加入钛白粉、填料和羟基乙纤维素再次进行分散，分散时间为8 min；
(3)分散结束后加入AMP95调节剂，同时将转速缓慢提升至1 200 r/min，分散时间为30 min。缓慢将分散机转速降低至600 r/min后，依次加入成膜助剂、抗冻融剂、乳液和保护助剂；继续分散5 min，加入不同颜色色浆，搅拌均匀后加入计量保护胶溶液，在转速为500 r/min的条件下分散10 min，得到基础漆；
(4)在预定浓度的保护胶溶液中，按比例加入各色基础漆， 然后使用GFJ型高速分散机在转速400 r/min的条件下搅拌3 min进行造粒，得到彩粒；
(5)将计量有机硅改性丙烯酸酯乳液放入分散机中，设置分散剂转速为400 r/min，然后依次加入去离子水、成膜助剂、抗冻融剂、防腐剂和增稠剂，分散8 min后得到连续相清漆；
(6)将连续相清漆与彩粒按照比例充分混合，得到水性多彩成品漆。
1.3 性能测试
黏度测定
将待测样品与STM-IV型斯托默黏度计转子测试刻度线保持持平，然后静置；待黏度计读数稳定，该读数就是样品黏度。
外观检测
通过对水包水多彩涂料彩粒渗色、串色程度、大小、形状和厚度进行记录，确定涂料外观情况。将待测涂料静置1 d，观察彩粒情况。
施工性检测
将喷枪出料量和气压调节好，对水包水多彩涂料进行喷涂，观察其顺畅程度。同时，确定喷涂在板材上的涂料是否有气泡和流挂情况，彩粒是否被打碎。
常规性能检测
热贮存稳定性：将待测涂料中放入塑料容器中密封好，然后置于H1005型恒温干燥箱中。在温度50 ℃条件下加热7 d，然后冷却至室温，观察涂料有没有渗色、串色和聚集现象。
低温稳定性：将待测涂料放入塑料容器中密封好，然后置于BDX40-80F型低温箱中。置于-5 ℃环境下保存18 h，取出样品后置于恒温箱中，在温度23 ℃条件下保存6 h，观察涂料有没有渗色、串色和聚集现象。
干燥时间：参照GB/T 1728—1979中相关规定，对水包水多彩涂料干燥时间进行测定。
耐水性：参照GB/T 1733—1993中相关规定，对水包水多彩涂料耐水性进行测定。具体步骤：将3块喷涂有水包水涂料的板材浸入去离子水，如有2块都没有出现起泡、掉粉和明显变色情况，视为“无异常”。
耐碱性：参照GB/T 9265—2009中相关规定，对水包水多彩涂料耐碱性进行测定。将3块喷涂有水包水涂料的板材浸入饱和Ca(OH)溶液中48 h，如有2块都没有出现起泡、掉粉和明显变色情况，视为“无异常”。
耐湿冷热循环性：将3块喷涂有水包水涂料的板材浸入温度23 ℃水中18 h，拿出后擦干水珠置于低温箱中。在温度-20 ℃条件下冰冻3 h，拿出后置于恒温干燥箱中，在温度50 ℃条件下烘烤3 h，如有2 块都没有出现起泡、掉粉和失光情况，视为“正常”。
耐洗刷性：将2块涂刷有水包水涂料试板按照规定次数进行洗涮，其中1块试板中涂层没有露出，就可认为耐洗刷合格。
2 结果与讨论
2.1 基础漆中乳液用量对水包水多彩涂料性能的影响
固定其他条件不变，制备不同乳液用量的基础漆，观察造粒情况。表2为乳液用量对彩粒的影响。
表2 乳液用量对彩粒的影响Tab.2 Effect of emulsion dosage on color granules
由表2可知，基础漆黏度随乳液用量的增加而提高。这是因为乳液用量的增加，提高了基础漆的固体成分，使其黏度随之增加；同时，增加了乳液用量，基础漆与保护胶体溶液的黏度差增加，彩粒厚度也随之增加。当乳液用量低于21%时，乳液无法很好的包覆颜填料，制备的基础漆黏度角度，使得彩粒强度低，易被打碎成为碎屑，在施工的过程中，容易出现发糊的现象。因此，在制备彩粒时，乳液用量不能低于21%，出于成本考虑，本文选择乳液最佳用量为28%。
2.2 羟乙基纤维素用量对水包水多彩涂料性能的影响
固定其他条件不变，改变羟乙基纤维素(HS30000)用量，考察其用量改变对水包水多彩涂料性能的影响。表3为不同羟乙基纤维素用量对水包水多彩涂料性能的变化的影响。
表3 羟乙基纤维素用量对水包水多彩涂料性能的影响Tab.3 Effect of hydroxyethyl cellulose content on properties of water in water multicolor coating
由表3可知，随羟乙基纤维素用量的增加，基础漆的黏度随之增加；但彩粒稳定性越差，容易出现渗色，同时还可能导致基础漆出现沉降现象。这是因为造粒的前提是基础漆与保护胶间的黏度差，当羟乙基纤维素用量低于0.70%时，基础漆黏度低，彩粒强度不够，因此很容易出现彩粒被搅碎的情况。当羟乙基纤维用量不低于0.7%时，彩粒已经有一定厚度，呈现出粒状，此时彩粒的稳定较好，不易出现渗色；同时，基础漆中也没有颜填料沉降。因此，本文选择最佳羟乙基纤维素用量为0.70%。
2.3 保护胶用量对水包水多彩涂料性能的影响
保护胶溶液浓度是体系中彩粒能否稳定存在的关键，若保护胶使用不当就有可能出现彩粒渗色，聚集和串色的问题。本文固定其他条件不变，改变保护胶浓度，观察不同浓度的保护胶对水包水多彩涂料性能的影响，结果如表4所示。
表4 保护胶浓度对水包水多彩涂料性能的影响Tab.4 Effect of protective glue concentration on performance of water in water multicolor coating
由表4可知，当保护胶质量分数低于8%时，彩粒出现无法造粒或者渗色严重、彩粒聚集成糊状的问题。这是因为保护胶浓度过低，使得彩粒表面柔性保护膜强度降低，彩粒中组分容易透过保护膜向膜外渗透。但GTS自身吸水性较高，用量过多就可能导致漆膜耐水性较差，因此本文选择最佳保护胶质量分数为8%。
2.4 保护胶与基础漆质量比对水包水多彩涂料性能的影响
固定保护胶质量分数为8%，改变保护胶与基础漆的质量比，观察其对水包水多彩涂料性能的影响，结果如表5所示。
表5 保护胶与基础漆质量比对水包水多彩涂料性能的影响Tab.5 Effect of quality ratio of protective adhesive and base paint on performance of water in water multicolor coating
由表5可知，当保护胶与基础漆比例为3∶7时，彩粒较为细小，且边界不清晰，还有渗色现象出现。这是因为基础漆用量较多，使得彩粒在搅拌的过程中容易被打碎；同时彩粒偏小容易造成彩粒的比表面积增加，表面柔性保护膜厚度减小，不能很好地保护彩粒，使其出现渗色的情况。因此，为提高保护胶与基础漆的比例、彩粒尺寸变大、彩粒稳定且边界清晰、不渗色，考虑保护胶对耐水性的影响，本文选择保护胶与基础漆的最佳比例为5∶7。
2.5 增稠剂浓度对水包水多彩涂料性能的影响
固定其他条件不变，改变增稠剂浓度，考察增稠剂用量对水包水多彩涂料性能的影响，具体结果如表6所示。
表6 增稠剂质量分数对水包水多彩涂料性能的影响Tab.6 Effect of thickener concentration on performance of water in water multicolor coating
由表6可知，随着增稠剂用量的增加，后水包水多彩涂料体系黏度随之增加。当增稠剂用量较少时，彩粒有沉降现象出现，且施工出现流挂情况。但增稠剂用量较多时，水包水多彩涂料流动性比较差，容易堵枪，施工也受到一定影响。综合考虑，本文选择增稠剂最佳用量为0.5%。
2.6 水包水多彩涂料优化配方及性能测试
表7为优化配方后水包水多彩涂料性能检测结果；图1为水包水多彩涂料经喷涂施工后制得的样板。
表7 水包水多彩涂料优化配比性能测试Tab.7 Optimum proportioning performance test of water in water multicolor coating
图1 水包水多彩涂料效果图Fig.1 Effect drawing of water in water colorful coating Effect Drawing of water in water multicolor coating
由表7和图1可知，经过配方优化后制备的水包水多彩涂料性能良好，彩粒边界清晰分明，对比度高，强度好，没有混合和串色现象，装饰效果良好，已经达到了水包水涂料HG/T 4343—2012化工行业标准。
3 结语
本文以GTS作为保护胶，以自制有机硅改性丙烯酸酯乳液为基体，制备水包水多彩涂料。以水包水多彩涂料性能为指标，优化了水包水涂料配方。结果表明：基础漆中乳液最佳用量为28%，羟乙基纤维素最佳用量为0.70%，保护胶最佳质量分数为8%，保护胶与基础漆质量比为5∶7，增稠剂最佳用量为0.5%；以上配方制备出的水包水多彩涂料贮存稳定性优异、彩粒边界清晰分明、强度好、色粒感明显，具有良好的装饰性。
来源《粘接》2022年10月
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