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填料在涂料中的作用

發布時間:2016-03-14 09:19

 填充顏料(填料)從名稱上看可能使人聯想到:不具有大的重量要性,其價值僅是供膚淺的研究之用。但實際上,填料對大多數著色涂層的性能均有很大影響。因為填料類型多,性能差異極大,大多數涂料配方人員尚未徹底搞清其性能和最佳應用場合。這種情況提出了一個問題,就是利用專用型填料以提高涂料產品質量的可能性。
  白色填充顏料是折光指數相當低的礦物性物料,互相之間的區別在于組成、粒徑和粒形,在有光和半光涂料中呈現出很低的遮蓋性能,但在平光漆中卻能在低成本的基礎上賦予涂層一種"高干遮蓋"效應(空氣/顏料界面間)。因此,填料可用以調整涂料的光澤、質地、懸浮性、粘度等,填料的主要類型有碳酸鹽、硅酸鹽、硫酸鹽和氧化物。
  實用填料的粒徑范圍是0.01~44μm,形態有球形、針狀、纖維狀和片狀。填料粒子形態影響其包裝、涂膜的柔韌性和龜裂性等。粒徑和粒徑分布影響遮蓋力、粘度、涂膜孔隙度、介質和表面活性劑需求量、光澤和細度等。填料與涂料基料之間反應性是很重要的,它將影響涂膜的耐鹽霧、起泡、銹蝕和龜裂性能。
在用一種填料取代另一種以產生相當涂料性能方面已進行了大量工作,并發現當填料互相以 等重量或等體積進行替代時,會產生不同的涂料性能如:稠度、耐久性、滲透性、耐擦洗性、耐污染性、保光性等等。
  填料是通過研磨天然礦石,或通過化學沉淀后再加工精制和粒度分級而制得的,其分離過程 包括用濕法或干法篩分,浮選和離心分離。原料和加工工藝可能影響其顏料性能。
碳酸鈣或白土:CaCO3
  無論是內用或外用涂料中,這是一類最常用的填料,作用在于控制涂料的光澤、防霉、稠度和降低成本。碳酸鈣有天然和人工合成(沉淀法生產)兩種類型,粒徑范圍極廣,0.05~44 μm都可適用。
  天然碳酸鈣用量很大,因其價格便宜,在有些用途中是相當合適的。粒徑較粗的品種只限制用于膩子、嵌縫漿、金屬用底漆和其它高顏料份、要求流動和粗糙面的制品中。粗粒徑碳酸鈣消光能力很低。中等粒徑品種主要用于內用平光和半光涂料以及房屋用涂料。細粒徑品種大部份是通過沉淀法生產的,用于印刷油墨。通常是將兩種粒徑的碳酸鈣配合使用以獲得性能平衡。
  天然碳酸鈣填料的原料有石灰石、大理石、英國碳酸鈣。大多數品種CaCO3含量為95%~99 %。有些品種是干磨后再經浮選而制備的。較細的是用濕磨,隨后再通過沉淀或離心法分級。許多品牌之間的粒形、平均粒徑、粒徑分布和純度差別很大。
  天然碳酸鈣填料也廣泛地應用于戶外房屋用涂料,可單獨應用,也可與滑石粉配用。與滑石粉相比,天然碳酸鈣能降低粉化速率,改進保色性,提高抗污染性能。上述用途提出了對粒徑的特定要求。細粒徑品種,尤其是稱為"微細"級品種,能使涂層產生裂紋傾向。經過測試證明這類碳酸鈣填料粒徑應較大,介質需求量較低,活性也應較低。這類填料也適用于戶外房屋用乳膠漆以提高保色性能。
  碳酸鈣是堿性物質,在水基涂料中可起到緩沖劑作用,但不能與對堿敏感性彩色顏料一起共 用,如鐵藍和鉻綠;也不能用于可能遇有水溶性鐵鹽或銅鹽之場合。碳酸鈣不能用于酸性催化的三聚氰胺聚酯烘漆,因為會與催化劑發生中和反應。
  作為一種類型,沉淀或合成碳酸鈣填料的CaCO3含量為98%~99%,其粒徑小,粒徑分布狹窄,吸油量高,亮度高于天然產品。其中更好品牌的粒徑范圍為0.03~8μm,正屬于膠體范圍。有報道說,對于內用乳膠漆和紙張涂層遮蓋力來看,其最佳粒徑約為0.2μm。沉淀碳酸鈣最適用于需要最高干遮蓋力的場合。   有些品種經過松香或脂肪酸表面處理,進一步改進了其濕潤和分散性能,用于有光涂料中也無明顯失光傾向。在有些配方中能降低表面孔隙的滲透性,因而提高了頭道涂層的封閉作用。
硅酸鎂或滑石粉:2MgO•4SiO2•H2O
  這是一類貯量豐富的礦物,世界各地多有開采,其晶型和相關物理特征隨產地不同而有區別,通常是各種晶型的混合物。工業生產的滑石粉對涂料性能的影響受其結構類型或混合物類型、平均粒徑和粒徑分布的控制。因為大多數滑石粉產品基本是纖維狀或片狀,所以其分類也是以此為基礎的。纖維狀滑石粉戶外耐久性最好,但在涂料中流動性較差,涂膜平整度也不足。片狀滑石粉能賦予涂料優異的可刷性、流平性、涂膜平整度和保光性,也能賦予涂料或油墨一種"潤滑"性能。粒狀滑石粉數量很少,但具有最好的粘附性和可磨性,這就表明其適用于可打磨的封閉漆或表層涂料。
  許多品牌滑石粉是專為特殊用途或目的而設計和生產的,其粒徑從相當粗、吸油量很低的大粒徑到吸油量很高的"超細"級而變化,后者的Hegman細度值可高到7。市場上也有經過表面處理、吸油量很低、Hegman細度值只有6~7的滑石粉品種,這類品種適用于有光磁級。滑石粉的性能也隨要求不同而有區別。滑石粉的干粉亮度高,在水性和油性系統中的色相均較好。滑石粉在所有液體涂料中都容易濕潤和分散,如有機溶劑、清漆、醇酸和水性體系;分散過程中僅需要適度的攪拌。滑石粉在涂料中具有優異的懸浮性,也能有助于體系中其它顏料保持懸浮狀態。
  粒徑較粗的滑石粉適用于一些要求粗糙涂膜或"有齒紋"的涂膜,例如內墻用漆、底漆和縐紋漆。粒徑中等的品種(Hegman細度值大約為4)適用于房屋用漆,也可作一般填料使用。Hegman細度值為5~7的超細級滑石粉適用于控制半光涂料的光澤、稠度和流掛性能。滑石粉在膠泥、裂縫填充劑和膩子中用量很大。特殊產品根據要求不同決定選用粗粒徑或細粒徑滑石粉。
  滑石粉可應用于多種工業涂料中,尤其是底漆。鋼材結構用底漆可全部或部份用滑石粉,可改進涂料的沉淀性、涂膜的機械力以及再涂覆性。許多制品和閃烘底漆和運輸工具用漆優先選用滑石粉。包括滑石在內的片狀硅酸鎂因其能提高打磨和抗水性能,所以適用于金屬底漆,其中抗水性能可能源自片狀粒子延伸了濕氣通過涂膜的途徑。
硅酸鋁或瓷土、高嶺土:Al2O3•2SiO2•2H2O
  瓷土(高嶺土)類填料的組成基本是硅酸鋁,產于美國卡羅來納、佐治亞州以及英格蘭等地。最初,瓷土作為一種廉價的填充料消費于造紙工業,目前仍在大量應用。近年來,生產商正使瓷土向適用于涂料工業發展。原先生產中只是簡單地通過空氣干燥和浮選,現在已被水洗、嚴格地粒度控制、煅燒和表面處理所代替,從而提高了產品的檔次。在這些改革中,煅燒是最重要的工序,所以規模很大。
  瓷土粒子形態絕大部分是薄片狀,或六角形片狀物。用途最廣的品種粒徑大約10μm。所有品種的瓷土都具有不同程度的親水性,化學上都是中性,非煅燒品種的吸油量為25~44,煅燒品種為48~58。亮度為80%~92%反射值。瓷土填料每加侖體積大約重21.6磅,比碳酸鈣大約少1磅。由于其片狀體能增強涂膜機械力,所以瓷土能賦予涂膜柔軟性。如果用于房屋涂料,抗粉化性比滑石粉更強。瓷土已廣泛地應用于金屬底漆,以提高其打磨性能。煅燒瓷土在室內平光墻面漆和需要平整涂膜的涂料中用量不斷增加。這類品種的粒徑極細,用于彩色半光和有光涂料中能降低浮色和漂浮傾向。在溶劑型涂料中,有些品種瓷土容易沉底結塊,但經過煅燒和表面處理后的品種可克服上述弊端。
  由于瓷土親水,所以是水性涂料用的良好的填料,它們在水性涂料中具有很好的懸浮性能,容易分散,且賦予涂膜良好的刷涂和流平性。瓷土通常與其它填料一起配用。
硫酸鈣:CaSO4和CaSO4•2H2O
  這類填充顏料以兩種基本形態存在:無水石膏和石膏(或石膏粉)。在涂料工業中廣為應用的只有第一種形態。無水石膏可通過煅燒石膏而制得。無水石膏色澤明亮,在涂料中分散良好,可用于一些有光涂料以及要求其特殊性能的其它類型產品中。
  無水硫酸鈣稍溶于水并形成石膏,所以在乳膠漆中應用貯存時會形成細長狀結晶體。然而正是這種水溶性使其能與乳膠漆中某些組份反應,因而無水石膏粉的應用十分有限。
重晶石或硫酸鋇:BaSO4
  實用的硫酸鋇填充顏料有兩種形態:研磨后的重晶石粉以及沉淀硫酸鋇。在通過研磨和漂洗工藝生產重晶石粉過程中,近期的進展是改進色相和細度;而且有優異色相和更細粒徑的沉淀法硫酸鋇在涂料工業中尚未大量應用,因為前者已能滿足要求,且成本更低。硫酸鋇的主要用途是工業底漆,包括汽車底漆。因為吸油量低,密度大,粒狀或球形結構,所以具有良好的填充性能,有助于光澤并具有良好的保光性。硫酸鋇幾乎都用于頭道漆光澤很重要的這類涂料中。化學隋性使其在高酸性條件下應用的某引起需要抗化學性涂料中是大有價值的。
二氧化硅:SiO2
  實用的二氧化硅有三種不同類型:(1)將石英進行研磨和分級而制得的普通二氧化硅;(2)硅藻土;(3)合成二氧化硅;
  (1)石英型或結晶型二氧化硅:用途相當有限。這類填料分散困難,容易沉底結塊。由于不耐磨,所以在輥磨或球磨中研磨時會嚴重變色。它是木器填充劑中所用的主要填料,為此,它具有良好的綜合性能,吸油量低導致收縮性也低,與基料不起反應,涂膜粗糙度良好。
  (2)硅藻土或無定形二氧化硅:由于消光效果好,這類二氧化硅用途很廣。其二氧化硅含量大約為83%~95%。大多數產品是白色,少數是淺灰、淺粉或米色。表觀密度低,吸油量高,加上不規則的結構,這些綜合因素使其產生很高的消光效應、增稠能力和良好的懸浮性能。硅藻土廣泛地應用于內用平光墻面涂料。由于孔隙多,質地脆,所以對平光墻面涂料的去污和耐擦洗性能有負面影響,但比其它多數填料在磨擦和洗滌之后更能增亮光澤。這類二氧化硅也已用于戶外房屋涂料消光,有報道說有助于綜合耐久性,具體應用比例根據稠度、刷涂性和流動性結果而定。制漆中不用研磨只用高速攪拌或卵石磨進行簡短分散是有利的,否則,這種二氧化硅的脆性粒子可能被破壞,從而大大降低其消光能力和在涂料中的懸浮性能。由于在涂料生產中二氧化硅粒徑明顯降低是不現實的,所以仔細選擇硅藻土的品牌并用Hegman計測定細度是非常重要的。
  (3)合成二氧化硅:這也是一種無定形二氧化硅,通過合成法生產,消光能力很強,適用于硝基噴漆、清漆和磁漆以降低光澤。
云母:K2O•3Al2O3•6SiO2•2H2O
  云母中包含有組成和性質各不相同的幾種礦物,由上式表示的白云母是云母粉填料常用的原料。云母以象書本一樣多層晶狀薄片體形式存大于自然界。當礦石在壓縮空氣作用下剝離成碎片,再經過濕磨和干粉便制得云母填料。濕磨后品種用途最廣,粒徑相當大,約為325目( 43μm)。也有粒徑僅為5~10μm的品種。
  云母具有獨特的片狀結構,這是其賦予涂膜特殊性能的根本原因,包括增強涂膜的機械力,增加水份或濕氣滲透過涂膜所必須通過的路徑的長度。在油性房屋用漆中加入少量云母粉可防止產生裂紋;在墻用乳膠漆中也具有防裂和改進洗刷性功能。云母粉在涂料中的用量比例一般很低,只有顏填料總量的5%。少量云母可作為一些美國聯邦規格結構鋼材底漆的一種特殊組分,能提高耐鹽霧性和耐久性。在戶外涂料中,云母通過反映光線而賦予涂膜亮光,這對于有些產品是很重要的。
硅酸鈣:CaSiO3
  由硅灰石制得的硅酸鈣具有針狀結構,良好的亮度和很低的吸油量,適用于油性房屋涂料,平光或半光內用涂料和乳膠涂料。其pH約為9.9,在堿性條件下的乳膠漆中能起到緩沖作用。
  合成硅酸鈣是一種水合硅酸硅酸鈣,由硅藻土和石灰經水熱反應制得。粒形可由"園形"到針狀而變化。所有品種的平均粒徑都為1.6~3.8μm,屬于膠體范圍。其較好的品種為白色。這類填料性能比硅藻土優越,其極高的吸油量意味著具有很強的消光能力和高干遮蓋效應。在涂料中應用比例不大,只有填料總量的10%。其吸水量特高,生產商推薦用于乳膠漆。
 

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