乳胶漆的制备及其性能测试综合

乳胶漆的制备及其性能测试设计性实验

一、引言

建筑涂料包括水性建筑涂料和溶剂型建筑涂料，溶剂型建筑涂料因其固化过程释放有毒溶剂，不符合环保要求而在建筑涂料中受到限制，但由于溶剂型涂料的高分子成膜物耐老化性强、附着力好、涂层光洁、耐沾污、耐磨性、耐酸碱、耐水性等优于一般水性涂料，在高层建筑的外墙装饰中仍在使用。从长远看，会被水性氟碳、硅丙等高性能涂料取代。水性建筑涂料分水溶性涂料和水乳胶涂料(乳胶漆)，因乳胶漆工艺成熟，应用广泛，乳胶漆是以聚合物乳液为基料，加入颜料、各种助剂和去离子水，经特定加工工艺制备而成。聚合物乳液和颜料构成分散相，水为连续相。随着经济的高速发展，人们物质生活的不断提高，环保意识的增强，对建筑室内外装饰用乳胶漆的要求越来越高。

水性建筑涂料的主要成膜物质为聚合物乳液。在乳液制造技术上，现广泛采用的无皂聚合，核壳聚合，室(常)温自交联聚合技术等等，为优秀乳胶漆制造奠定了坚实的基础。乳胶漆的品质主要由乳液、填料和助剂来决定。其中乳液Tg的高低制约了乳胶漆的质量，弹性涂料乳液的Tg一般在-22℃，成膜性能好，但抗污性能较差，普通乳胶漆乳液的Tg较高，耐沾污性能好，但成膜性能差。而我国对乳胶漆的标准又定得很低，所以人们很难区别乳胶漆质量的优劣。

高性能乳胶涂料突出的优点是耐候性好，耐水、耐碱、耐酸雨，抗污染性好、附着力强、涂膜吸水性小、透气性大，是一种具有高性

能、高装饰性的环境友好型建筑涂料。如：硅丙乳胶涂料经纳米改性后，降低了表面张力、接触角、涂膜的孔隙尺寸，使得涂料对基体的润湿性和流平性有了明显的改善。对于这种高耐候性、高耐沾污性、高保色性和低毒性的高性能涂料应精选优质的颜料和各种助剂，以形成合理的匹配，并合理安排生产工艺，建立起完善的质量控制体系。以发挥系统的功能，制造出名副其实的高性能产品。

二、乳胶漆的主要成分介绍

1乳胶漆的基料

乳胶漆分内墙和外墙两大系列，常规基料(乳液)主要有醋酸乙烯共聚物和均聚物、乙烯—醋酸乙烯共聚物(eva)、醋丙乳液、苯丙乳液、纯丙乳液、环氧乳液、聚氨酯乳液，硅丙乳液以及氟碳乳液等。

内墙乳胶漆的成膜物以醋酸乙烯、苯丙乳液为主，外墙乳胶漆的成膜物主要以苯丙乳液、纯丙乳液和硅丙乳液为主。在选择最低成膜温度(mit)时，外墙乳胶漆的mft应高一些，内墙乳胶漆的mft应相对低一些。除了考虑乳胶漆的耐老化性、耐沾污性、防水性以外，对乳液的机械稳定性、化学稳定性、冻融稳定性等也要进行检测，它们对涂料储存和运输的稳定性影响很大。为提高乳液对基材的附着力，往往在乳液聚合过程中加入少量含羧基、羟基或乙烯基的功能性单体，以增强对金属、水泥砂浆、木材等底材的附着力。

2乳胶漆用颜填料

颜料在乳胶漆中主要提供遮盖力和装饰性，填料可提高涂膜的机械性能和降低涂料成本。颜填料在乳胶漆中所占的比例在多数情况下都是最大的。在半光和平光漆中，颜填料与乳液的质量比多在1.5：1甚至6：1以上，有光乳胶漆中的颜填料与基料比，多为0.4～0.7：1，颜填料在乳胶漆中的作用应给予重视。

乳胶漆对颜填料的要求可从以下几方面考虑：

(1)给涂料提供合适的颜色，使涂层能够遮盖底材，使颜色看上去赏心悦目；(2)影响涂料的光泽，使涂层的光泽增加、降低或消失；(3)改善涂膜的强度，改善涂膜对基材的附着力；(4)使涂膜的耐候性、耐光、耐水、抗酸碱、抗腐蚀、耐损伤等性能有所改善；(5)在尽量不降低涂料综合性能的前提下，降低成本；(6)改善涂料的流动性和施工性能。满足以上要求的颜填料，要从其色相、鲜艳度、遮盖力、折光指数、粒径及其分布、吸油值、密度、耐光性、耐热性、化学反应性、抗渗性、防腐蚀性、易分散性等性能指标方面衡量。

在乳胶漆中使用最多、效果最好的白色颜料是钛白粉。钛白粉分为金红石型和锐钛型2类，金红石型钛白粉具有优异的遮盖力和耐候性，主要用于外墙涂料中。锐钛型钛白粉遮盖力比金红石型钛白粉稍差，且易粉化，多用于内墙涂料中。其他白色颜料，如立德粉、氧化锌等，因其遮盖力、白度及其它性能不理想，在内外墙涂料中很少使用。红色颜料有：氧化铁红、镉红、偶氮类有机红、高性能有机红，如鲜佳红、永固红等；黄色颜料有：铬黄、氧化铁黄、偶氮类有机黄、

高性能有机黄类；黑色颜料有：炭黑、石墨粉、氧化铁黑等；此外，酞菁蓝、酞菁绿颜料也较为常用。

有色建筑涂料的传统生产工艺是将干粉颜料加入去离子水、各种助剂经机械研磨制成色浆，再与乳液、去离子水、助剂等调配成成品涂料。这种生产工艺工序长，产品质量的影响因素多，生产管理复杂，批次间颜色难以一致，花色品种比较单一，机械难以清洗，无法实现产品颜色的多样性、准确性、重复性以及快速的客户服务。

另外，为乳胶漆选择颜料时，要注意颜料的鲜艳度、极性，颜料表面处理和分散性问题，还要注意颜料的耐酸碱性以及相容性等问题。有机颜料耐光等级高、耐候性良好、色彩鲜艳的品种才可用于外墙乳胶漆中。乳液、分散剂、增稠剂等乳液成分都是极性物质；而大量用于乳胶漆的颜料，如有机颜料、炭黑等都是非极性或极性很小的物质，有的很难分散或亲油性，存在颜料分散后在乳液中的稳定性问题，因此对分散剂的选择和分散工艺提出了较高的要求，不然就会产生絮凝、浮色，发花、着色力下降、色相偏移、光泽降低、涂料稳定性降低等问题。颜料要有较好的耐碱性，主要由于建筑涂料ph值一般大于8,偏碱性，而作为外墙的水泥砂浆碱性更强，所以耐碱性不好的无机颜料(如铁蓝、铅铬黄等)不可使用。综上所述，配色问题也是影响建筑涂料质量的关键因素之一。

3 乳胶漆用助剂

乳胶漆生产中要使用多种助剂，这是乳胶漆的一大特点，但却不是优点。在乳胶漆的混合体系中，组分间既可能有很好的协同作用，也可能相互干扰，产生不良影响。因此，调配乳胶漆的技术关键是各种助剂的最佳化选择和配方的平衡。

3.1 润湿分散剂

分散剂的主要作用是：使颜填料的表面湿润，协助机械剪切作用将颜填料从二次结构研磨成初级结构(一次结构)，并使分散稳定化。其作用机理是：离子型分散剂被吸附于颜填料表面形成双电层，借同性电荷的相斥使分散体系稳定化；另外，离子型和非离子型分散剂也会在颜填料表面形成亲水性吸附层，因位阻效应使分散体系稳定化。无机润湿分散剂有聚磷酸盐类，如六偏磷酸钠、三聚磷酸钠、四偏磷酸钠等，它们价格低廉，分散效果较好，但对乳液的稳定性有一定影响；有机类润湿分散剂有阴离子型、阳离子型和非离子型表面活性剂，其特点是分散效果好，但产生泡沫多；另外一类是高分子树脂类分散剂(如聚丙烯酸盐类)，其特点是：价格适中，用量较少，分散效果好，泡沫少。

3.2 成膜助剂

成膜助剂又称聚结剂，它能促进乳胶聚合物的塑性流动和弹性变形，改善其聚结性能，能在较低的施工温度下成膜，又不使涂膜过于

柔软。成膜助剂是一种易挥发的暂时性增塑剂，因而不会使于膜太软或发粘。选用的成膜助剂一般应符合下列要求［2］：

(1)能明显地降低聚合物的最低成膜温度，并与聚合物的相容性好，是聚合物的良溶剂，有助于提高涂膜的光泽。

(2)具有较高的沸点和一定的挥发速度，但其挥发速度至少低于水，使聚合物成膜前保留在涂料中，而在成膜后逐渐挥发掉。

(3)应微溶于水或具有一定的水溶性，易为乳液粒子吸附而聚结。满足以上要求的成膜助剂应具有高效、用量少，功能多，满足乳液多种组分的要求；应冻结点低，利于运输、低温包装和储存；有助于改善涂膜性能，使涂料的成膜性、耐候性、展色性、耐擦洗性等均有较大的提高。

常用的成膜助剂有3类，第1类是乙二醇、丙二醇、己二醇、苯甲醇等，它们水溶性强，有防冻作用，但降低成膜温度的效果较差，加量较大；第2类是醇醚类(乙二醇、丙二醇、丁二醇醚类)，它们水溶性强，降低成膜温度的效果一般，加量适中，有防冻作用；第3类是醇醚—12等，此类助剂水溶性差，降低成膜温度的效果好，加量少，毒性小。

3.3 消泡剂

由于乳胶漆中使用了表面活性剂，如乳化剂、分散剂等，易产生泡沫，会造成涂膜缺陷，使涂膜保护性能和装饰性能随之下降，因此，消泡剂的使用必不可少。消泡剂分硅类消泡剂和非硅类消泡剂，硅类消泡剂效率高，消泡力持久，但分散性较差，易出现过缩孔、油点、缩边、再涂性较差；非硅类消泡剂分散性好，不易出现过缩孔、油点、缩边，但消泡效率较低。消泡剂的用量一般在0.5%o～5%o之间，通常，在分散阶段加1／2～1／3,涂料调配阶段加1／2～2／3。有时要加入2种以上消泡剂，保持消泡性和贮存稳定性的统一。

3.4 增稠(流变)剂

由于水性建筑涂料乳液和颜填料体系粘度太低，没加入增稠剂之前易出现分层、絮凝、沉淀等问题，涂料的贮存稳定性、开罐性能、施工性能都不令人满意，加入增稠剂之后，改善了涂料的流变性，这些缺陷基本上可以消除。

增稠剂的种类很多，主要有无机增稠剂(以膨润土、超细二氧化硅为主)、有机增稠剂(纤维素类、碱溶胀型丙烯酸乳液类、缔合型聚氨酯增稠剂)。有机类中纤维素类增稠剂的增稠机理是由于它们具有很强的吸水能力，在乳液中体积大幅度膨胀，使乳液粘度显著增加，从而起到增稠效果；碱溶胀型增稠剂的增稠机理首先在于它自身能吸附在乳液颗粒表面形成包覆层，使乳液粒子的体积增大而导致粘度提高。其次它还能进入水性体系使粘度增大；缔合型聚氨酯增稠剂增稠机理在于它们的分子中存在憎水剂和强极性基团，能与乳胶漆的聚合

物和颜料发生缔合作用，形成瞬间网络结构。这类增稠剂具有优异的流变性。

在低成本、高含水量的乳液中，羟乙基纤维素具有较高的中、低剪切粘度，有利于乳胶漆的贮存，避免分层，但其明显的缺点是高剪切粘度太低，丰满度低，流平性差、易霉变、易飞溅。一般来说，仅用一种增稠剂存在不少缺陷，因此，可根据乳胶漆的不同要求，按照增稠剂的性能灵活选择一种或几种配合使用，发挥其协同作用。常见增稠剂的基本性能见表1。

3.5 防霉杀菌剂

地球上的霉菌、细菌等微生物无处不在，无处不有，但是它们的大量繁殖必须满足一定的条件，如有机物和氧的存在、湿度、酸碱性、温度等。微生物会对乳胶漆带来很多问题：包装中的乳胶漆会因细菌的繁殖而出现胀罐、粘度的下降、颜料沉淀、乳液破乳、变臭变色，最终使乳胶漆报废。

乳胶漆在生产和贮存过程中可能发生的问题是细菌带来的，可通过改善环境，生产上严格管理及配方措施来解决。在乳液生产的高温、高湿环境中，搞好环境卫生是防腐的关键环节。防止购进的原料带菌也是一个重要方面，在乳胶漆中加入合适的防腐剂是防腐的根本途径。乳胶漆漆膜有亲水成分，含有微生物的养分，这是长霉的诱因。一般临时使用的防霉剂可用氨水、无机碱水溶液作ph调节剂，但氨

水有味道，碱性水溶液对涂膜的耐水性、耐擦洗性有影响，长效乳液应选择ph值稳定、毒性较小的有机胺、多酚类防霉杀菌剂。

三、乳胶漆的主要生产设备及使用介绍

1 三辊机

主要用途

三辊式研磨机广泛应用于油漆、油墨、墨汁、墨水、涂料、染料、塑料、橡胶、铅芯、皮革、医药、食品、化妆品及绝缘材料等化工行业原料的湿式粉碎，它具有粉碎、分散、乳化、均质、调色等多种功能。能使原料高度的均匀混合，兼可回收废料。

优点：使用该机原料粉碎、分散性能好，质量稳定、操作方便、换色容易、外型美观，同时可配合砂磨，胶体磨等设备成套使用效果更佳，适用于各种塑性材料的研磨、炼制。

工作原理和流程

原料由中后两辊及两块挡料板组成的天然料斗加入，经中、后两辊的相反异步旋转而引起原料的急剧磨擦翻动，强大的剪切外力破坏了原料颗粒内分子之间的结构应力。再经中前两辊高速的二次研磨，从而达到迅速的粉碎和分散，进而达到各种原料的高度均匀混合。

2 沙磨机

适用领域卧式砂磨机适用于涂料、油漆、油墨、颜料、染料、食品、化妆品、合成剂等行业。

工作原理

该机是连续操作的全封闭卧式湿法砂磨机。

卧式砂磨机是连续操作的全密闭式的湿法研磨分散机械，由泵浦输送液体原料进入卧式砂磨机密闭研磨缸内，再由主机推动介子研磨珠高速运转，使原料在狭窄的研磨珠间隙中经加压高速旋转冲击，产生混合、乳化、分散、搓揉、滚动等研磨功能，迅速将物料颗粒磨细和分散聚集体，从而达到原料要求的细度和很窄的粒度分布范围。研磨后再由高速旋转的坚硬钨钢分离隙缝输出研磨缸外，而研磨珠仍被留在缸内。为一次循环研磨作业，连续循环研磨细度可达5μm以下。

卧式砂磨机的操作要点

第一次启动卧式砂磨机时：

1）给钢球无级变速器加N32机油至油镜的一半为止，给卧式砂磨机油箱加相应润滑油至油镜的中间位置。并经常观察消耗情况及时补充。检查电气线路是否接通。打开冷却水开关，观察耗水量是否达到使用要求，用户可按装水表备用。

2）加入研磨介质车开筒体前的油管活接头，即可从管口装砂仪表处的或软管处的均可。根据卧式砂磨机说明书推荐值或经验将需要的介质灌入筒体，研磨介质装入前必须清洗过筛，然后将管道和仪表安装还原。

3）调整三角皮带的松紧程度，调整好仪表的控制范围。

4）卧式砂磨机的清洗

在第一次使用砂磨机时，由于制造厂为了保证机器不至因装箱和运输而使机件锈蚀，往往加有机油和黄油保护机器，因此在机器使用时应

该用溶剂或漆料清洗卧式砂磨机筒体管路等部件，其办法是：放入适量的漆料到缸内，用泵打入筒体进行循环，同时轻微启动主电机使分散盘组件进行间歇转动，最后松开出料方头螺塞，等到全部清洗溶液排干净后，通入新洗液清洗一下。

5）卧式砂磨机初始工作可选择10m/s的分散盘速度进行生产，如果主电机工作电流低于额定电流的20％，出口温度又低于允许的温度，那么可以提高速度，反之可降低速度，也可通过调节其他参数来提高效率。

在研磨运转中，先将泵的无级变速度器固定在某个转速下，待检查研磨出来的产品细度后，根据所需要的产品细度调节流量，泵的转速的调整和研磨分散循环次数的安排，是一个工艺选优过程，应按具体条件优选。注意：卧式砂磨机停车状态严禁调速。

3 分散机

操作要点

1）台式乳化机先松开刹紧机构，把乳化机头手摇至所需要位置，再刹紧，才可工作，移动式乳化机把手动液压缸的加油螺钉拧松，拧紧开关螺钉，按动手柄，使乳化机头调节至所需要位置，一般处在高于容器底2-3倍的乳化机头直径为宜。

2）根据被加工物体的性能要求安装所需的定子头，并同时调节推力反向叶片处最佳位置。

3）工作结束后使动力头处于最高位置，便于取出容器。

注意事项：接上电源，使动力头转向与箭头一致。工作完毕后，动力头及时清洗干净。

4 拉罐

四、乳胶漆（白色）的一般生产工艺介绍

1 将羟乙基纤维素预制成

2 %的水溶胶，并用DMAE调整其酸碱度。

2 色浆的分散

将适量的去离子水，WT-105A增稠剂水溶液，R-706金红石型钛白粉，MB-11、MB-16防腐剂，074、082消泡剂溶液，DP-518分散剂、投入拉罐，然后用高速分散机预分散。

3 色浆的研磨

预将分散好的浆料投入卧式砂磨机研磨，直至达到所要求的细度。

4 乳胶漆的调制

把已分散好的色浆放入拉罐，再加入一定量的乳液，074、082消泡剂，WT-105A增稠剂水溶液，MB-11、MB-16防腐剂，丙二醇。再用分散机低速搅拌。在搅拌中逐渐加入羟乙基纤维素预溶液以调整粘度。随后在搅拌中加入DMAE，以调整pH值在7.5-8.0时，再加入Texnanol 成膜助剂。当全部搅匀后，及时进行产品检测，当确定各项指标合格后，即可分罐包装。

具体配方见表1所示

五、实验目的

1了解乳胶漆生产的配方设计；

2了解乳胶漆制备的主要设备和工艺；

3掌握乳胶漆的性能测试选用标准和方法；

六、实验要求

1根据所学知识，自拟两套乳胶漆的制备实验方案，包括配方、设备和工艺，制备出5-10Kg的乳胶漆。拟定方案应提交指导老师审阅确定其中一套实施方案。

2 根据乳胶漆的类型，选用相应的检测标准对其质量进行判断和评价。

3 初步分析乳胶漆的技术经济性能。

4 实验完毕，写出完整的设计实验报告。

七、其他

1 乳胶漆的主要性能指标

乳胶漆主要性能指标见表2

表2 乳胶漆主要性能指标

2 乳胶漆制备和性能检测相关国家标准

3 参考资料

1 曹同玉，刘庆普，胡金生，等．聚合物乳液合成原理性能及应用[M]．北京：化学工业出版社，1997

2 裴世红，赵宗诚，王丽迭，等．降低苯丙乳液最低成膜温度的途径[J]．沈IrmfE_z_，1998，27(2)：18—20

3 卢素敏，王洪卫．苯丙乳液聚合粒度影响因素的研究[J J．4E-Z-时刊，2004。18(12)：47—49

4 甘孟瑜，刘娟，等．核壳结构丙烯酸酯乳液的合成及性能研究[J]涂料工业．2005(6)：5-8

5 邓爱民，穆锐．核壳丙烯酸聚合物微粒子乳液的合成与解析[J]．化学与粘合。2004(6)：370～373

6 王莹，于雄，张鹏．半连续法制备核壳型苯丙聚合物乳液的研究[J]．四川理工学院学报(自然科学版)，2006，19(5)：26—28

7 管蓉，鲁德平，等．乳液粒子的性能对最低成膜温度的影响[J]．湖北大学学报(自然科学版)，1996，18(3)：217—230

8 刘方方，孙立明，牛魁哲．聚合工艺和组成对苯丙乳液最低成膜温度的影响[J]．中国胶粘剂，2000，9(2)：27—29

19 杜奕，袁志，刘德山，等、有机硅一苯丙乳液最低成膜温度的研究[J]．涂料工业，2004，34(5)：35—37