水性塗料基礎知識

　　水性塗料，包括水性木器漆是以水為分散介質和稀釋劑的塗料。不常用的溶劑型塗料不同，其配方體系是一個更加複雜的體系。配方設計時，不僅要關注聚合物的類型、乳液及分散體的性能.還需要合理選擇各種助劑并考慮到各成分之間的相互影響進行合理匹配。，有時還要針對特殊要求選用一些特殊添加劑，最終形成适用的配方。

　　配方的基本組成

　　1)水性樹脂:這是成膜的基料，決定了漆膜的主要功能。

　　2)成膜助劑:在水揮發後，使乳液或分散體微粒形成均勻緻密的膜，并改善低溫條件下的成膜性。

　　3)抑泡劑和消泡劑:抑制生産過程中漆液中産生的氣泡并能使已産生的氣泡逸出液面并破泡。

　　4)流平劑:改善漆的施工性能，形成平整的、光潔的塗層。

　　5)潤濕劑:提高漆液對底材的潤濕性能，改進流平性，增加漆膜對底材的附着力。

　　6)分散劑:促進顔填料在漆液中的分散。

　　7)流變助劑:對漆料提供良好流動性和流平性，減少塗裝過程中的弊病

　　8)增稠劑:增加漆液的黏度，提高一次塗裝的濕膜厚度，并且對膩子和實色漆有防沉澱和防分層的作用。

　　9)防腐劑:防止漆液在貯存過程中黴變。

　　10)香精：使漆液具有愉快的氣味

　　11)着色劑：主要針對色漆而言，使得水性漆具有所需顔色。着色劑包括顔料和染料兩大類，顔料用于實色漆(不顯露木紋的塗裝)，染料用于透明色漆(顯露木紋的塗裝)。

　　12)填料：主要用于膩子和實色漆中，增加固體分并降低成本。

　　13) pH調節劑：調整漆液的pH值，使漆液穩定。

　　14)蠟乳液或蠟粉：提高漆膜的抗劃傷性和改善其手感。

　　15)特殊添加劑：針對水性漆的特殊要求添加的助劑，如防鏽劑(鐵罐包裝防止過早生鏽)、增硬劑(提高漆膜硬度)、消光劑(降低漆膜光澤)、抗劃傷劑、增滑劑(改善漆膜手感)、抗粘連劑(防止塗層疊壓粘連)、交聯劑(制成雙組分漆，提高綜合性能)、憎水劑(使塗層具有荷葉效應)、耐磨劑(增加塗層的耐磨性)、紫外線吸收劑(戶外用漆抗老化，防止發黃)等。

　　16)離子水：配方設計時往往還要添加少量的去離子水以便制漆。

　　水性樹脂

　　水性漆配方中，基料是形成漆膜并決定漆膜性能的關鍵組分。配方設計時應盡量提高水性樹脂的用量，占體積比的60-70%，使得漆液中的有效成膜物含量盡可能多，這樣才能保證制成的漆一道塗裝漆膜較厚，豐滿度高。

　　水性丙烯酸樹脂

　　丙烯酸乳液(acrylic emulsions)，由于其通用性，耐候性及多樣性，已在塗料行業的各個領域得到了廣泛應用。水性丙烯酸乳液由丙烯酸酯單體為主的乙烯基單體經乳液聚合而成。聚合過程中添加了乳化劑、穩定劑、pH調節劑等各種助劑，體系相當複雜。水性丙烯酸乳液制成的漆膜有良好的耐候性，不易黃發，硬度高，光澤好。近年來，随着水性丙烯酸乳液聚合技術的不斷發展，多相聚合，核殼技術，自交聯技術及高分子表面活性劑的應用，和核殼聚合等技術進一步改進和提高了水性丙烯酸乳液的性質,使得水性丙烯酸乳液的适應不同施工和使用條件的需要，用武之地得到不斷的擴大。現在，水性丙烯酸乳液的應用已擴展到性能要求更高的工業用途領域。

　　聚氨酯分散體

　　聚氨酯材料是分子結構中具有氨基甲酸酯結構的一類大分子化合物的總稱，通常由二異氰酸酯和多元醇經聚加成反應制成。聚氨酯高分子既具有使其形成物理性交聯的極性官能團，又具有非極性的及柔性的鍊段。使用得當，其極性管能團還可以進行進一步的化學交聯。這些分子特性使得聚氨酯材料具有高強度，韌性及抗溶劑的能力。聚氨酯作為一種強度高，耐候性好，附着力強的優質材料，已在塗料領域得到廣泛的應用。

　　根據制備聚氨酯所用的異氰酸酯類型，聚氨酯乳液和相應的漆可分為脂肪族型和芳香族型兩大類。脂肪族的漆膜有優異的耐候性和抗黃變性;芳香族水性聚氨酯多用來做室内裝飾漆。按聚合得到的粒子大小有聚氨酯乳液和聚氨酯分散體(Polyurethane Dispersions PUD)兩類。水性聚氨酯分散體，采用獨特的工藝将聚氨酯顆粒分散在水中，從而達到以水為載體的成膜作用。與其它乳液成膜機理相近，成膜的效果取決于顆粒間高分子相互滲透的能力。為增加滲透，一方面聚氨酯分子鍊要足夠柔軟，流動性好；另一方面，乳液顆粒要盡可能的小，這樣可以增加顆粒間的接觸面積，減少高分子的移動距離。水性聚氨酯分散體通常有納米級的粒徑，外觀半透明甚至完全透明，是最好的水性漆基料之一。水性聚氨酯分散體有時被稱為納米乳液，以區别于外觀呈白色的普通乳液。

　　水性丙烯酸乳液

　　水性丙烯酸乳液配方需要考慮的問題：水性丙烯酸樹脂組成

　　在調制水性漆配方時，乳液原料的選擇是工程師最重要的決定。塗料的主要性能是由樹脂決定的。由水性丙烯酸酯乳液，包括聚苯乙烯-丙烯酸酯乳液種類繁多，市場上魚目混雜。而不同的水性丙烯酸酯樹脂組成對其水性漆成膜性及成本的影響很大。這裡對幾個影響因素進行簡單讨論。

　　1)苯乙烯

　　聚丙烯酸酯乳液引入該單體的主要原因是其可提供較高的玻璃化轉發溫度(Tg),從而提高成膜的硬度；另一個原因是成本。苯乙烯在包裝工業上用量極大，是石油工業最重要的，成熟的下遊産品之一，價格低但受宏觀經濟影響大。然而引入苯乙烯，特别是其含量高于總單體量的15%以上時，也會給水性漆成膜性帶來許多負面影響。首先，含苯乙烯的聚合物鍊段缺乏柔韌性，宏觀上表現為水性漆成膜硬而不韌；還有苯乙烯所含的苯環，是紫外光的吸收體，該單體含量高時，紫外線通過相鄰苯環會對聚合物鍊有剪切反應，從而使水性漆漆膜發脆，光澤度下降，壽命降低；苯乙烯的結構也決定了它對很多有機溶劑有親和力，水性漆漆膜的耐溶劑性也不其它的樹脂有明顯差距。

　　2)丙烯酸酯類單體

　　丙烯酸酯類單體種類很多，性能及價格相差很大。國内最常用的是丙烯酸丁酯，改單體成本最低，是大多乳液廠家用于與苯乙烯配套，制造廉價牆漆的乳液的單體。其功用是提供水性漆漆膜的柔韌性。由于丙烯酸酯聚合物主鍊上不含除酯基以外的基團，主鍊及酯基側鍊柔韌性均好好，使水性漆漆膜缺乏硬度。這類聚丙烯酸酯乳液雖然是建築内外牆塗料的選擇，但作為對硬度及韌度要求都高的的木器漆來講，性能就不夠了。

　　3)甲基丙烯酸酯類單體

　　甲基丙烯酸酯類單體，比丙烯酸酯單體在性能上又上了一個台階。由于甲基丙烯酸酯類聚合物主鍊上多了甲基，使其主鍊的活動性受到限制，主鍊鋼性增強，同時酯基側鍊有提供了柔韌性，使得甲基丙烯酸酯類單體具有硬度和韌性的最佳平衡，比如聚甲基丙烯酸甲酯(甲甲酯)就是人們俗稱的有機玻璃；甲基丙烯酸酯類單體，由于不含苯環，使其比起苯乙烯類單體在抗紫外侵蝕，耐久性，及抗溶劑性方面都比苯乙烯有明顯優勢。

　　綜上所述，水性丙烯酸酯樹脂制造商對單體的選擇很多，不但可以變換其種類，又可變換相對比例和成分。水性塗料廠家在選擇水性丙烯酸酯乳液時，不能隻考慮“純丙”或“苯丙”這些空洞概念詞彙，應該以水性丙烯酸酯樹脂及其配方的實際性能為衡量标準。

　　在選擇水性丙烯酸酯乳液時，不能隻考慮“純丙”或“苯丙”這些空洞概念詞彙，應該以水性丙烯酸酯樹脂及其配方的實際性能為衡量标準！

　　成膜助劑

　　構成乳液或分散體的聚合物通常具有高于室溫的玻璃化溫度。為了使乳液粒子很好地融合成為均勻的漆膜，必須使用成膜助劑降低最低成膜溫度(MFFT)。成膜助劑是一類小分子有機化合物，存在于漆膜中的成膜助劑最終會逐漸逸出并揮發掉。

　　多數成膜助劑是塗料有機揮發物(VOC)的重要組成部分，因此成膜助劑該用得越少越好。選用成膜助劑要優先考慮不屬于VOC限制範圍，但揮發性不得太慢、成膜效率還要高的化合物。成膜助劑的量取決于配方中乳液或水分散體的用量和玻璃化溫度。乳液或水分散體用量大以及聚合物的Tg高，成膜助劑的用量也要大，反之用量少，配方設計時，首先考慮成膜助劑大約占乳液的或水分散體的3%-5%，或占乳液或分散體固體分的5 %～15%。但是，對Tg超過35℃的聚合物乳液可能要提高成膜助劑的用量才能保證低溫成膜的可靠性，這時應逐漸提高成膜助劑的用量，直至低溫(10℃左右或更低)塗裝能形成不開裂、不粉化的均勻漆膜為止，找出成膜助劑的最低用量。

　　成膜助劑的用量達乳液或分散體的15%或者更高是不可取的，應考慮更換其他成膜助劑再試。除降低最低成膜溫度和提高漆膜緻密度外，成膜助劑還能改善工性能，增加漆的流平性，延長開放時間，提高漆的貯存穩定，特别是低溫防凍性。

　　水性塗料的成膜助劑一般為醇醚類型的溶劑，最為常用的是二乙醇醚類、丙二醇醚類以及N-甲基吡咯烷酮等成膜助劑，并具有高低沸點之分。水性塗料在夏季施工時，水分揮發較快，即表幹相對過快，有部分水分可能會在未幹透之前封閉在塗膜内，導緻塗膜發白或是流平不好的弊端。因而，可通過添加少量适當而合适的高沸點溶劑來延緩塗膜的幹燥速度，延長塗膜的開放時間，改善其施工性能和塗膜外觀。在冬季裡，由于氣溫較低，水性塗料的幹燥速度較慢，也即水的揮發較慢，但成膜助劑相對比水揮發快一些，或許部分不水一起蒸發，使水性塗料不能形成緻密的塗層，導緻水性塗料的塗膜存在發白和開裂的現象。所以添加成膜助劑時，一定要考慮克服水性塗料在不同季節的施工性，同時還要考慮其盡可能幹燥速度快一些，這也是水性塗料最難的技術要點，尤其是Tg較高的丙烯酸分散體更是難解決的問題。因此，多種成膜助劑來搭配是最好的選擇。

　　成膜助劑有一個不樹脂體系的相容性問題，在一個體系中很好的成膜助劑在另一種水性木器漆中可能造成體系不穩定，或者起嚴重，或者重塗性不良。配方設計時要充分考慮到這一點，并且過試驗選取最佳成膜助劑及其用量。

　　消泡劑和抑泡劑

　　消泡劑是水性塗料中最難控制消泡不流平達到平衡的助劑之一。漆液在塗裝中因攪動會産生氣泡。存在于漆液中的氣泡如不及時消除，漆膜幹後，形成不可接受的瑕疵。漆液在生産過程中、泵送和灌裝時也會産生氣泡。

　　消泡是配方設計過程中不可忽略的因素，消泡劑的消泡機理是通過潤濕滲透到由體系産生的泡沫薄膜上且不斷要在薄膜上擴散，使泡沫薄膜的表面張力不平衡而破泡。

　　一般來說，消泡劑分為抑泡劑和破泡劑兩種，抑泡劑的作用是抑制水性塗料在外力的作用下泡沫産生，而破泡劑主要是在已生成泡沫膜的表面迅速散布，破壞氣泡的彈性膜，使之破裂，但常常兩種搭配使用效果比較好，否則至少要選擇一種有效的消泡劑。多數消泡劑，特别是機矽消泡劑，在用量過大時會使濕漆膜産生縮孔，因而消泡劑的用量以能基本消除氣泡為原則，不可過度追求消泡效果，以免出現縮孔等副作用。對于水性木器漆，礦物油類消泡劑比有機矽消泡劑的寬容性大，添加稍多不容易出現嚴重的縮孔，可以優先考慮選用。

　　目前市場上已有很多消泡劑，其選擇要非常謹慎，可以從幾個方面加以注意：

　　1.受控相容性，即是要達到消泡和表面效果的平衡，既要消泡，又要防止縮孔、流平性差等缺陷。

　　2.根據施工條件和方法進行消泡，例如刷塗、噴塗以及輥塗面臨不同的起泡程度，也意味着不同的消泡劑選擇。

　　3.抑泡和破泡的平衡，可根據不同加工和施工方式，合理搭配。

　　4.長效消泡性能。許多消泡劑在漆液貯存過程中會逐漸減弱其消泡性能，在設計配方時應使漆中的消泡劑含量偏高一些。

　　消泡劑的用量占整個配方的0.05%～0.5%，最好在0.1%左右，如果所用的消泡劑添加量超過0.5%才有好的消泡效果的話，應考慮更換消泡劑。不同的樹脂體系對消泡劑的敏感程度不同。水性消泡劑選定的類型和用量必須根據不同的體系，通過實驗來确定。

　　潤濕流平劑

　　潤濕流平劑能有效地降低體系的表面張力，顯著改善水性木器漆的施工效果。加入潤濕流平劑後漆對底材的潤濕性能和滲透性增加，漆液的流平性得到改善，有時還能克服縮邊(鏡框效應)問題。更重要的是流平劑能解決常見的縮孔問題，特别是過度使用消泡劑後引起的縮孔。過量的流平劑會抵消消泡劑的消泡作用，使得漆液在施工時産生氣泡，有的還有明顯的穩泡作用，所以應盡量選用流平性好、起泡性低、穩泡性小的潤濕流平劑。流平劑不消泡劑的配合，包括品種的選擇和用量的控制，是水性木器漆配方研究的重點.

　　理想的潤濕劑應當包含以下幾個方面：

　　1.有效降低體系的表面張力能力，改善其對基材的潤濕性和滲透性。

　　2.盡可能低起泡性、穩泡。

　　3.盡可能低的水敏感性。

　　4.不影響層間附着力。

　　5.良好的表面張力平衡，既能提高基材潤濕，又不因過度降低表面張力而影響流平或産生缺陷。

　　流平劑一般用量在0.1%～1.0%，最好控制在0.3%左右，當消泡劑超量時，為了克服縮孔，流平劑的用量甚至會超過1%。膩子配方中可不用流平劑。

　　流變助劑

　　流變助劑提供低剪切條件下的流平效果，使塗刷後的漆液能盡快流平，減少刷痕，避免飛濺，但是随着幹燥時間的推移這種流平作用減弱，漆膜固定，又可避免漆液在垂直面上産生流挂。

　　流變助劑從性能上可分為高、中、低三種剪切黏度的類型：低剪切黏度的流變助劑能夠提供罐内黏度，防止顔料沉降，并有效的控制漆液在立面作業時産生的流挂；提供中高剪黏度的流變助劑能很好的提高水性塗料的豐滿度和流平性，而與用提高高剪切黏度的流變助劑則幫助流平、防止飛濺以及提高輥、刷塗施工性能。所以，流變助劑的種類和用量必須根據施工的要求及體系來選定，一般根據施工方法的不同來選定流變助劑類型，往往通過三種剪切黏度的流變助劑來搭配才能達到所需施工效果。

　　聚氨酯締合型增稠劑是目前在水性塗料中應用最廣泛的，但是該類增稠劑在水性塗料體系中的選定不配方中其他成分有密切的聯系。如增稠效果不水性塗料中的聚合物顆粒大小和疏水性以及助溶劑有很大的關系，如果水性塗料中的聚合物顆粒越小，越疏水，以及助溶劑在聚合物中的分配系數越高，其增稠效率就高，否則該類增稠劑添加很大量都沒達到所需的黏度。同時，建議用水稀釋後，在合理的剪切力下加入，否則也有可能不體系發生絮凝，産生顆粒。

　　表面控制助劑

　　表面控制助劑的種類和作用包括：

　　1.改善流動和流平；

　　2.降低摩擦系數，增滑；

　　3.增強抗劃傷能力；

　　4.抗粘連；

　　5.增強啞粉等的排列；

　　6.特殊手感，如柔感等；

　　7.其他，如改善塗膜的耐水性、耐污性等。

　　它們一方面通過均衡幹燥過程的表面張力，實現均勻幹燥和流動，降低表面粗糙；另一方面在幹燥過程中集中在表面，形成光滑塗膜，增加滑度和其他特殊性能。

　　這類助劑主要有兩種：

　　1.有機矽：這類表面控制助劑，添加量很少就能征有效的提高塗膜的抗刮耐磨性等性能，一般與體系的相容性差，如果選擇不當，往往會影響塗膜的光澤度及塗膜層間的附着力。

　　2.蠟乳液，例如棕榈蠟和聚乙烯蠟：一定程度影響塗膜的光澤度，這不其的粒徑大小及分布有關。蠟乳液要加至配方總量的2%～8%才會有明顯的效果，過多的蠟乳液影響漆膜強度并降低層間附着力，推薦的最佳用量為3%～5%。膩子不用蠟乳液，除非有特殊的表面效果要求。一般實色漆中多不必加蠟乳液。有時蠟乳液可用蠟粉代替。

　　采用兩種類型的表面控制劑搭配效果更佳，但以下幾個方面要非常注意：

　　1.是否嚴重影響塗膜光澤度；

　　2.對層間的附着力的影響；

　　3.穩泡性評估；

　　4.體系的儲存穩定性。

　　消光劑

　　消光劑是用來調控水性塗膜光澤度的添加劑，以滿足當今市場啞光漆主流産品廣泛需求。消光劑的消光機理是能有序地排列在塗膜表面，使塗膜表面凹凸不平，造成照在塗膜表面的光線漫反射，從而達到消光的目的。

　　水性塗料中應用的樹脂固含量比較低，制成水性塗料的有效成分不高，加上是分散體系，因而水性塗料的消光比較容易，但不同水性樹脂體系的消光難易都不一，一般丙烯酸乳液比水性聚氨酯分散體相對較好消光，但在防沉降性能方面比水性聚氨酯分散體系好一些。所以消光粉的選定必須要考慮其在不同的體系和用途來評定。消光劑盡可能選定其的折射指數不水性樹脂的折射指數相近，減少對塗膜的透明度影響，同時，還要考慮其在體系中的消光效果、分散性、防沉性及手感。

　　防腐劑

　　水性塗料是水基體系，在生産過程中較易帶入細菌，在儲藏過程中都較易被微生物降解，因而，在配方設計時應适當添加防腐劑的類型和用量，防止體系和塗膜的腐敗。從環保的角度考慮，應使用較低毒的防腐劑，另外還要注意與體系的匹配性，以及在添加時必須用水稀釋後方可，否則，會與體系發生絮凝及不良的現象。

　　一般來說，對于異噻唑啉酮類防腐劑用量在0.1%已足能防止漆液在貯存過程中黴變。加0.1%的防腐劑後，密封貯存兩三年不成問題。

　　酸堿度調節劑

　　水性塗料有必要時還可能要調pH值。多數乳液或水分散體生産時已将pH值調為8～9，制漆時不必再用pH調節劑。如果pH值有偏差制漆過程中要加0.05%～0.1%的pH調節劑，将漆液的pH值調至7～9。許多水性木器漆隻有在中性至微堿性條件下才能穩定，當pH值過高或過低時，漆液可能會産生絮凝、沉澱、返粗、施工性能惡化等現象。

　　不同的體系的pH值的要求都不一樣，所以，水性塗料的pH值是根據體系的不同來調整，同時要考慮不配方中防腐劑的匹配。還要注意的是添加時必須用水以倍數來稀釋，以免引起體系産生顆粒。

　　顔料和填料

　　實色漆中，以白漆為例，钛白粉用量要能保證漆膜有足夠的遮蓋力，钛白粉的用量不應低于13%，但也不必高于22%，這種。情況不溶劑型白漆是一樣的。

　　填料可少加或不加。然而，水性膩子中必須加少量填料，如滑石粉、重鈣以及硬脂酸鋅等，總用量在15%～30%之間均可。填料越多，膩子的透明性越差，但填隙性越好。

　　着色劑包括顔料和染料兩大類，顔料用于實色漆(不顯露木紋的塗裝)，染料用于透明色漆(顯露木紋的塗裝)。

　　配方中有顔填料時要加入顔填料總量2%～10%的潤濕分散劑幫助顔填料的分散。

　　其他添加劑

　　1.香精：香精的用量隻要能起到改善漆液的氣味作用即可，用量0.05%左右已足夠，個别情況可高至0.1%，當然也可以不用。

　　2.紫外線吸收劑：室内用水性木器漆很少用紫外線吸收劑，對用TDI制的乳液或水分散體生産的清漆以及戶外用漆，特别是戶外用白漆最好添加紫外線吸收劑，以阻止光降解和降低光緻發色的速度。