易久化工技术分享:水性蜡产品的进展及其在涂料中的应用

http://www.chem.hc360.com2019年08月02日11:38 来源:慧聪涂料网T|T

    慧聪化工网讯:摘要:介绍水性蜡产品近年来的技术进展及在涂料行业中的应用。

    关键字:水性蜡涂料

    随着涂料领域环保要求持续提高,水性涂料的应用和探索逐步深入。水性助剂的研发也随之深入。水性蜡助剂是水性涂料的重要助剂之一,为涂料提供防粘、抗摩擦、抗划伤、调整光泽、抗沉降、疏水、抛光等作用。水性蜡助剂的常用原材料包括石蜡、聚乙烯蜡、费托蜡、蒙旦蜡、棕榈蜡、微品蜡等。可以单独或者复配使用,性能各有差异,再加上乳化配方和工艺的变化,各种品牌、型号产品差异较大,在涂料助剂中显得比较特别。

    近年来,高性能原材料不断引进和国产化;国内厂家从单纯对国外产品模仿发展到针对市场需求的独立创新;新乳化技术包括界面乳化、低能乳化、微乳化等大量应用;高剪切乳化机、高压均质机等新型乳化设备研究推广。尤其是涂料行业不断扩大需求和提高要求,国产水性蜡产品取得不少进步。

    本文介绍水性蜡助剂尤其是国产产品的一些进步,及其在涂料行业中的应用发展方向。

    (一)、乳化法生产高熔点聚烯烃蜡水分散体

    聚烯烃蜡(聚乙烯蜡、聚丙烯蜡、费托蜡)可制造成4-10μm粒径的水分散体,在水性涂料中提高抗划伤性、抗磨性。一般的生产方式是利用研磨等物理手段先制备微粉化蜡,再利用分散剂等表面活性剂将微粉化蜡分散于水中。这种方式制成的蜡分散体,作为固体,聚烯烃蜡和表面活性剂没有相互组合。而且由于蜡的非极性,理想的浸润包覆也很难实现。蜡分散体加入涂料后表面活性剂被冲稀,分散作用下降,涂料储存和使用过程中很容易出现浮蜡现象。

    我们在近年来开发成功的乳化法生产蜡水分散体技术克服了在涂料中的分散问题,经高温熔融的蜡(油状)在乳化剂和设备的高剪切作用下形成合理粒径的分散粒子,冷却后转为固体粒子的悬乳液。其空间结构类似于乳液胶束,乳化剂亲油基溶于蜡粒子,亲水基与水相形成良好结合,从而大大提高了分散体的分散稳定性。

    乳化法生产蜡水分散体在显微镜下呈较均匀的球形分散,改变配方和工艺条件可实现在0.5μm-10μm的粒径调整。我们已经成功开发了聚乙烯蜡、聚丙烯蜡和费托蜡系列产品。

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一种较大粒径聚乙烯蜡水分散体电镜图片

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一种较小粒径的费托蜡水分散体电镜图片

    表1例举了一种乳液稳定性特别好的聚乙烯蜡水分散体的技术指标,该产品在用水开稀40倍后又加热到90度保持15分钟,简单摇匀后仍然能形成稳定乳液,没有聚结浮蜡现象。

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    (二)、防粘以及石蜡乳液的技术进步:

    水性单组份涂料受其成膜机理决定而普遍存在的问题是干燥速度慢,易发生粘连和回粘现象。蜡助剂在水性涂料中作为防粘助剂,其作用机理主要表现在以下几点:

    ①蜡粒子迁移到涂层表面,形成隔离,减少了膜之间的粘合力。

    ②蜡粒子在尺寸足够大的情况下在体系内作为骨架材料,减轻了面接触时产生的膜的压缩形变,因此减少了接触面,从而减轻了粘合性。

    ③蜡形成的隔离膜疏水性好,减少了因吸收水份变湿的概率,从而减少了回粘现象。

    由②推论的结果是大颗粒的PE、PP等聚烯烃硬蜡粒子,会作为良好的骨架在体系中应用,而适合①③要求的蜡其实是分子量更低,疏水性较好的非极性蜡—石蜡。

    石蜡分子量低、结晶性好,非极性强,易迁移到涂层表面形成薄膜,同时石蜡的疏水性在蜡里面是最好的,加上其物理性能呈惰性,对人体无害,成本低,所以石蜡乳液在水性涂料中有广泛的应用潜力。但传统石蜡乳液具有两大缺点:

    1、粒径偏大,除了对涂层光泽产生消光影响外,蜡超过熔点熔融后易产生相分离,造成蜡析出凝聚在表面,产生喷霜现象。

    2、为控制乳液粒径,乳化剂使用过度,造成蜡的极性和疏水性被破坏,涂料的防粘和疏水效果变差了。

    这两个缺点又相互制约,导致实际上水性石蜡乳液在涂料中应用面很窄。

    近年来由于蜡乳化技术的进步,聚合物乳化剂和高能乳化技术的推广,新一代石蜡乳液已可以克服以上缺点。

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    我们用上述石蜡乳液加入丙烯酸乳液外墙涂料,制片后在60度放置4小时,冷却后没有表面起霜现象。此类产品在建筑、纸品、纺织、木器等领域存在巨大的应用潜力。

    (三)、以聚合物蜡为基的复合材料

    蜡又可称为低分子量的高聚物,在保持高聚物性能的同时,可以采用乳化、粉碎、溶解等手段进行加工,而且粒径可以控制。我们可以利用蜡的易加工性能制备各种复合材料。

    1.不同蜡产品的搭配:

    1.1“双峰结构”即两种同类但粒子粒径差异较大的蜡助剂搭配使用,在粒径分布上出现两个峰值。其应用性能好于单独使用一种。

    实例1:利用双峰结构提高水性印刷上光油的抗磨性。

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    在其他组分不改变的情况下选用一种粒径为0.2微米的蜡乳液和一种粒径为5微米的蜡水分散体搭配使用,改变比例,分别评价耐摩擦和光泽度。

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    注:实验中制片采用涂膜制备:按GB1727-92,采用浸涂法;耐磨性测定:使用MCJ-01摩擦试验机,磨块为4磅,以400次后涂膜的划伤判定表示,平行进行三次;光泽度的测定,测量其60℃光泽度。

    光泽度的测定小粒径蜡粒子与大粒径粒子搭配,在抗摩擦实验中优于单独使用大粒子蜡。其主要原因应该是蜡层的致密度的提高,在漆膜形成中小粒子嵌于大粒子间隙,可在漆面形成更紧密的堆积,使蜡层密度提高。从而提高了漆膜的抗划伤、耐磨和防粘性。同时消光倾向随大粒径蜡用量的减少越来越轻。

    1.2“冰刀效应”指一种低熔点蜡和高熔点硬蜡搭配在受到摩擦时低熔点蜡接触摩擦部位因局部温度升高而熔融,对界面形成额外的润滑效果。如石蜡乳液搭配聚乙烯蜡乳液等。

    实例2:

    我们使用表3所示水性上光油为基,采用一种石蜡乳液(0.3μm)与一种聚乙烯蜡水分散体(5μm)搭配,测试结果见表5

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    石蜡硬度低,正常抗磨很差,但在20%的添加比例时耐磨效果优于全部使用聚乙烯蜡分散体,“冰刀效应”得到验证。使用其他低熔点蜡也有类似效果。

    2.蜡与其他材料构成复合材料

    以下的复合,不是指单独的物理复配。这里强调采用各种包覆方式,让蜡与无机化合物、硅氧烷等形成理想的微观空间结构,从而实现各种材料优势效果明显。其实所谓用蜡表面处理的消光粉就是用水性蜡对消光粉进行包覆的复合材料。这类消光剂在涂料行业应用很广泛了。

    专利CN201310441008.7公开了一种负载纳米二氧化硅的蜡水性分散体及其制备方法和用途,该发明采用纳米级的二氧化硅粒子通过硅烷偶联剂负载在微米级的蜡颗粒上形成的有机无机复合水性分散体,用作涂料、油墨、皮革涂饰,织物整理的助剂,起耐摩擦、耐沾污、耐磨损、消光、易擦洗等作用。也有关于光触媒、石墨烯等新型功能材料以蜡为载体的研究报道。

    我们正在开发使用硅氧烷低分子量聚烯烃的核壳结构的分散体,利用有机硅的润滑效果和蜡的硬度的性能结合,在涂料起到保护作用,并且提供了良好手感。

    作为环保健康的高分子材料,今后蜡助剂应该向多功能和复合材料方向发展,依靠蜡的加工便利开发更多的新型助剂,满足并协助涂料行业的水性化进程。

    参考文献:

    [1]张建雨,李慧慧,陈盛.蜡乳液在水性上光油中的应用[J]炼油技术与工程,2008,38(12):37-40。

    [2]张胜文,何立凡,李效玉.蜡助剂在水性木器涂料中的应用[J]涂料工业,2007(10):62-66。

    [3]于海阔.负载纳米二氧化硅的蜡水性分散体及其制备方法和用途[P].中国专利:CN103467829A,2013-12-25。

    [4]H·-D·克里斯蒂安;J·舒伯特;U·施梅尔.表面改性的沉淀二氧化硅[P].中国专利:CN102161845A,2011-08-24。

    作者简介:杨卫宁(1970-),1990年毕业于北京化工大学材料学院,高级工程师,拥有6项发明专利。

责任编辑:李翔1

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