新型低成本环保灰钙粉建筑内墙涂料乳胶漆的制备.doc

新型环保灰钙粉建筑内墙涂料的制备指导教师：刘少兵究论文材料科学与工程系建材之星团队 王慧苹 范小芳 党延利 黄凯 2010-11-25新型环保灰钙粉建筑内墙涂料的制备王慧苹 范小芳 党延利 黄凯 指导教师 刘少兵摘要：研制了新型灰钙粉建筑内墙涂料，介绍了制备原理和技术过程，研究了VAE乳液用量对涂料性能的影响，用自制的稳定解决了涂料的稳定性问题，并研究稳定剂对涂料的影响，探讨了灰钙粉涂料提高耐擦洗性的原理。关键词：灰钙粉，内墙涂料，稳定剂，合成树脂乳液0引言近年来,建筑业作为国民经济新的增长点得到了突飞猛进的发展。随着幢幢商业高楼的崛起和民用住宅的大力兴建,建筑装饰装修材料迅猛发展。在内墙装饰材料中,合成树脂乳液内墙涂料(俗称内墙乳胶漆),以其美观、施工方便、易翻新等优势越来越受到广大消费者的青睐。据统计，2009年我国建筑涂料达2307万吨，比2008年增长186，而且最近几年我国建筑涂料以每年高达18%20%的速度增长。然而目前涂料生产成本高，能源消耗大，污染物排放量惊人。资料表明，全世界每年向大气排放的2000万吨挥发性有机物（简称VOC）中约有20%是涂料造成。当前节约能源消耗，降低污染物排放不仅是我国的战略要求，也必将是世界未来发展的趋势。国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要提出了“十一五”期间单位国内生产总值能耗降低20左右，主要污染物排放总量减少10的约束性指标。因此，建筑涂料作为涂料最大的品种，其低成本、低VOC、环保化对降低能源消耗、减少污染物排放有着重要的意义。近年来，人们发现灰钙粉作为乳胶漆的活性填料能赋予乳胶漆高的耐擦洗性能、环保性和低成本性。灰钙粉是以天然石灰石为原料经高温锻烧、破碎提纯而制成的。它的主要成分是氧化钙(CaO)、氢氧化钙Ca(OH)2和少量的碳酸钙(CaCO3)。灰钙粉用作填料，其特点在于它的活性。它能够与空气中的二氧化碳反应，生成碳酸钙，与成膜物一起形成了一个错综复杂的紧密网架防水层，并且在涂膜水分干燥过程中，由于吸收二氧化碳生成的碳酸钙使得涂层更加致密坚硬。所以，灰钙粉建筑涂料的耐擦洗性能及其硬度较高。目前制约灰钙粉建筑涂料规模化生产的主要问题在于，正是由于灰钙粉的高活性使得涂料在贮存过程中会产生缓慢增稠和沉淀现象，从而影响了涂料的质量。国内外的研究者为了提高灰钙粉涂料的贮存稳定性，采取对灰钙粉进行预处理的方法。即用能够水解成阳性胶体的电解质溶液处理灰钙粉13。一方面这类电解质溶液中阴离子与灰钙粉反应生成水不溶性物质;另一方面水解成的胶体吸附层中的电位离子和反离子都能水化，从而在胶粒周围形成水化层，阻止了氢氧化钙、碳酸钙等化合物的聚结，同时在一定程度上，形成了整个体系(灰钙粉与电解质溶液)的动态稳定性。因而阻止了灰钙粉涂料的增稠和沉淀现象。这类处理剂主要有明矾、食盐、硫酸铝或其他电解质类材料。这些方法都能使灰钙粉涂料的稳定性有所提高，但都未能根本上解决稳定性问题。本文基于传统采用无机电解质的方法难以解决灰钙粉涂料稳定性的问题，首次合成有机高分子灰钙粉稳定剂解决涂料的储存稳定性问题。并根据不同的合成条件合成出一系列不同分子量的稳定剂。此外，灰钙粉用作涂料的活性填料能显著提高涂料的耐擦洗性能，对此许多文献要不避而不谈，要么语焉不详。本项目详细研究涂料涂膜的成分和性能之间的关系，提出灰钙粉增强涂料性能的微观新机制。基于灰钙粉低廉的价格，并能显著降低合成树脂乳液的用量，其生产成本能降低5%10%左右。1原料主要原料见表1表1 实验主要原料名称代号规格灰钙粉工业级轻CaCO3工业级重CaCO3工业级膨润土工业级钛白粉工业级VAE乳液工业级流平剂2020分析纯消泡剂NXE分析纯分散剂5040分析纯润湿剂405分析纯增稠剂DR-72分析纯稳定剂自制 困扰灰钙粉乳胶漆最大的问题就是其稳定性、后增稠。采用自己合成的稳定剂能够解决灰钙粉涂料的稳定性问题，并且合成工艺成熟，用量少，成本低廉。2乳胶漆的制备2.1实验仪器表2 实验主要仪器名称规格型号产地恒温磁力搅拌器78HW-1型江苏省金坛市医疗仪器厂增力电动搅拌器DJ1C同上架盘药物天平JP-1000常熟市双杰测试仪器厂电子天平AB204-S同上搅拌机调速器JB系列上海标本模型厂剪切乳化搅拌机JRJ-300-I上海标本模型厂实验室砂磨机QSM天津伟达实验机厂电磁炉同上2.3乳胶漆的制备工艺 先将自制稳定剂、增稠剂、湿润分散剂、乙二醇和约一半配方量的消泡剂加入自来水中，再加入灰钙粉和填料,混合均匀, 磨细制成浆料。将VAE乳液加入磨细浆料中混合均匀。视物料中气泡的多少酌量加入预留的消泡剂,慢速搅拌消泡,得到配制好的灰钙粉内墙乳胶漆。2.5乳胶漆涂料的性能检测按照国家标准GB/T 97562001检验。3试验结果及讨论3.1VEA乳液用量对涂料耐洗刷性的影响保持涂料配方中各组分的用量(质量分数)不变,而改变VAE乳液的用量,得到的涂膜耐洗刷性试验结果如表所示。图1 VAE乳液用量对耐擦洗性能影响VAE乳液能够明显提高耐洗刷性。随着VAE乳液量的加大,涂膜耐洗刷性逐渐升高。加入4.5%时,可以满足一等品的500次的要求;加入5.5%时可以满足优等品的1 000次的要求。3.2灰钙粉用量对涂料对比率的影响灰钙粉作为活性填料,除了能够赋予涂料耐水性和耐洗刷性外,与重质碳酸钙这类惰性填料相比,还能够显著增大干涂膜的对比率(遮盖力)。当保持涂料其他组分不变时,灰钙粉用量不同时涂料的对比率如表所示。表中所设计的灰钙粉用量试验范围是考虑到灰钙粉可能在涂料中的用量范围这一实际情况出发而得。试验时,在灰钙粉用量增大的同时减少等量重质碳酸钙的用量,以保持涂料中颜料、填料的总用量为50%(质量分数)不变。从表中可以看出,当灰钙粉的用量从12%增加到25%(即用12%的灰钙粉代替等量的重质碳酸钙),可以使涂料的对比率从0.928提高到0.959。图2灰钙粉用量对涂料对比率的影响3.3自制稳定剂对涂料稳定性和耐擦洗性影响目前制约灰钙粉建筑涂料规模化生产的主要问题在于，正是由于灰钙粉的高活性使得涂料在贮存过程中会产生缓慢增稠和沉淀现象，从而影响了涂料的质量。我们用自制稳定剂很好的解决了涂料的储存稳定性问题。稳定剂用量越多涂料稳定性越好。当稳定剂用量在0.95以上涂料具有较好的储存稳定性。表5 稳定剂用量对涂料稳定性的影响稳定剂用量/% 0.8 0.85 0.95 1.2 1.5稳定性 差 差 好 好 好但是，我们也发现稳定及的用量增加涂料的耐擦性能却降低。可能是由于稳定剂的增加降低了涂料的成膜性能，导致耐擦洗性能降低。图3 稳定剂用量对涂料耐擦性能影响3.4放置时间对耐擦洗性能的影响灰钙粉是一种活性填料，灰钙粉中的Ca(OH)2能够与空气中的CO2反应,生成CaCO3,CaCO3与涂料的成膜物质一起形成网络结构或称为紧密网架防水层。随着时间的增加成膜物质越来越多，耐擦洗性能会越来越高，这是和一般的乳胶漆不同的地方，见下图。图4 放置时间对涂料耐擦洗性能的影响3.5灰钙粉提高涂料性能的原理分析乳胶漆中的灰钙粉有一部分被水溶解,并被进一步离解成Ca2+和OH-。涂料施工并干燥成膜后,有一部分Ca2+处于成膜物质(聚合物)的结构网络中,Ca2+和空气中的CO2反应,生成CaCO3的反应是在聚合物结构网络中“原位”反应,成为聚合物网络结构一部分,提高了聚合物网络的自身结构强度和对料、填料的粘结性能。有研究认为,在聚合物改性水泥材料中,丙烯酸酯共聚乳液可与水泥水化生成C(OH)2发生化学反应,生成以离子键结合的大分子络交织结构。这种作用机理也会存在于含VAE液的灰钙粉类涂料中。在这样低的VAE乳液用