论水性涂料中的水

0 前 言 这些年一直从事水性涂料的研发和生产，对涂料中的水也有着越来越多的认识。不断看到越来越多的涂料品种水性化水性木器涂料、水性金属涂料、水性塑胶涂料、水性汽车涂料、水性光固化涂料，等等，水性化已经成为当今涂料业发展的趋势之一。在强调低碳经济的时代，涂料水性化对于减少碳排放保护地球环境更有意义。水，无色透明，没有味道，无毒无害，又无处不在。水的冰点是0 ℃，沸点是100 ℃，所以水性涂料要求保存在0 ℃以上。水，化学性能稳定，不燃不爆，所以水性涂料都是非危险品，生产、存放和运输过程都很安全。水是极性溶剂，根据相似相溶原理，作为涂料基本成分的基料和颜填料必须借助于乳化剂和分散剂分别乳化和分散在水里。乳化剂也称作表面活性剂，分子链的一端带有极性，另一端则是非极性的，而成膜物质，往往是有机高分子材料被乳化，存在于表面活性剂形成的胶束中，通过双电层保护或者空间位阻的方式彼此隔绝，由此稳定悬浮在水中。而涂料中的颜填料则是通过带有负电荷的分散剂吸附在颜填料表面，形成颜填料分散浆料的形式存在于水中。这类分散剂可以是无机盐类，比如某些偏磷酸盐，现代涂料生产往往采用高分子类的分散剂，比如聚丙烯酸的钠盐或者铵盐。作为涂料行业中的水，不仅作为分散介质，而且水也参与到水性涂料的生产制造过程中，生产过程中帮助调整生产工艺，提高涂料质量，生产结束用来清洗工具和设备，涂料施工时水又作为稀释剂。本文着重讨论了水和水性涂料的关系。1 合理用水，提高水性涂料生产工艺水平11 增稠剂的预分散很多增稠剂，比如碱溶胀类增稠剂或者疏水改性碱溶胀类增稠剂在生产过程中，往往需要预稀释才能加入分散缸中。由于这类增稠剂都是酸性的，在没有加入涂料中的时候，它们的分子链团聚在一起，一旦加入到涂料中，遇到碱性环境，分子链上的羧基基团互相排斥，舒展开来，一方面吸附周围的水分子，减少溶剂水的自由流动，另一方面由于自身体积的庞大，限制了其他涂料组分的自由移动，疏水改性的增稠剂同时还能够吸附到不同乳胶粒子表面，互相牵制，从而达到增稠的目的。在pH值越高的环境中，这类增稠剂的效果越明显，但是集中添加，往往带来局部增稠过度，导致涂料絮凝的风险越大。解决方法是将这类增稠剂用水预先稀释，增稠剂和水的比例一般在1∶1或者1∶2，在加入的时候缓慢滴加，同时加快分散速度，这样就能够有效避免黏度不均、絮凝返粗的现象。12 纤维素的预制浆料用于水性涂料生产的一般都是羟乙基纤维素，这类纤维素都是刚性的，分子链骨架上连接很多亲水基团。纤维素要能够在水性涂料中发挥作用，首先必须要良好地分散。由于分子量比较大，直接在生产过程中往往很难溶解得好，在涂料中既不能起到增稠作用，又形成了小颗粒影响了涂料的细度。解决的方法是制作纤维素的预分散浆料，先将纤维素加入到高速搅拌的水中，然后再加入一些有机胺调节pH值，在碱性条件下，纤维素能够更好溶解，一般制得纤维素浆料的浓度为2%左右，这个过程也可以在涂料研磨阶段之前直接在分散缸内完成。同样的方法还适用于消光粉的预分散，不同的是纤维素浆料需要加入有机胺来帮助溶解，而消光浆则是通过加入少量分散剂来帮助在水中的分散。13 成膜助剂的预稀释成膜助剂是大部分水性涂料必须要添加的成分。它可以帮助水性涂料降低最低成膜温度，形成性能更好的涂膜。成膜助剂根据分子量的大小、分子极性的强弱，其干燥速度和成膜效果各不相同。在水性涂料中，成膜助剂根据非极性强弱，分别存在于乳胶粒子的内部和乳胶粒子与水的界面上，完全溶解于水的溶剂，只能是溶剂而不是成膜助剂，比如酒精和乙二醇。水性涂料中常用的成膜助剂包括十二碳醇酯（醇酯12）、二丙二醇丁醚等。对于那些分子量大、非极性较强的溶剂，比如说醇酯12，建议采用水按1∶1，或者1∶2的比例预先稀释后在涂料搅拌的过程中加入。醇酯12在水中不能溶解，搅拌的目的是形成短暂的小油滴分散体。如果醇酯12不经稀释，直接加入，局部的乳胶粒子内部融入大量的成膜助剂而可能导致体积急剧膨胀，突破乳化剂双电层的保护，最终导致凝胶破乳。而对于非极性不强的成膜助剂，则可以不用水预稀释。14 防腐剂的预稀释水性涂料往往都是阴离子保护体系，即乳化剂亲水端都是带负电的。这种水性涂料中使用的防腐剂往往是异噻唑啉酮类防腐剂，另外防腐剂中往往还有铜离子，所以这类防腐剂往往呈透明蓝绿色。由于铜离子为二价阳离子，如果局部浓度过高容易使阴离子保护的胶乳破乳。水性金属防锈涂料中使用的亚硝酸钠防闪锈剂往往也是用水配置成15%的溶液，在涂料搅拌的过程中缓慢加入，以免造成破乳。在涂料施工的时候，往往加入水来调整施工黏度。如果水中含有较多的钙镁粒子，即通常所说的水的硬度较高，加入到涂料中，容易导致涂料的破乳。笔者曾经碰到这样的事件，一个知名涂料企业的工程内墙涂料在上海地区的销售非常好，但是销售到四川以后，当地的客户用水加入涂料后发现每一桶都会絮凝结块，原因是四川地区多采用地下水，水质较硬，破坏了乳胶粒子的阴离子双电层保护，造成涂料破乳。我们不能改变消费者的使用习惯，要求他们一定要使用去离子水稀释涂料，只有企业自己通过改变配方增加涂料的钙离子稳定性，比如说增加一定的乳化剂来增强乳胶粒子的稳定性。因此对于带有阳离子的组分加入，一定要用水预稀释。按照上述的几点要求，在涂料的生产过程中，多个地方需要用水来调整工艺。另外一些原料桶有残余的原料，特别是一些黏度较高的乳液，需要用水冲洗桶壁后加入缸内。可以先把配方总的用水计算出来，单独称量计重，如果有通过预制浆料加入的则扣除这部分的水。在实际生产的时候，不要一次性把水全部加完，而是结合工艺要求，分步预稀释、预混合，保证涂料各组分充分均匀分散混合，最好还要通过适量加入或者减少一定的水来达到出厂黏度的要求。同样的配方，添加同样数量的组分，得到的黏度未必相同，最后需要用水来调整。