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【轉(zhuǎn)載】高性能無機顏料在卷材面漆中的作用

分類：技術(shù)文檔 　　　 來源： 　　　發(fā)布時間：2022-03-31

高性能涂料的生產(chǎn)主要是為了滿足汽車涂料、工業(yè)涂料和卷材涂料的市場需求。對這些涂料來說，戶外耐久性是最重要的性能，因此，決定顏料選擇的關(guān)鍵在于綜合考慮顏料的色彩和性能。


如今，人們的期望越來越高，表面涂裝廠商正面臨嚴峻的挑戰(zhàn)。為了獲得盡可能多的利益，在競爭中把自己與其他眾多的供應商區(qū)別開來的創(chuàng)新能力尤其重要。


任何一個配方的顏料組分都能夠提高或降低具有保護作用的色漆涂層的綜合性能。顏料的耐化學品性能在堿性很強的水泥基涂料或硅酸鹽涂料中是極為重要的。在偽裝用途和不能承受熱量積累的底材例如： PVC 擠出物，乙烯基壁板和一些卷材涂料上，顏料的作用是決定性因素。如果需要盡可能減少保持在保護性涂層中的熱量，紅外反射涂料，如 Cl 顏料黑 30 ，是黑色涂料的顏料的首選。有越來多的特殊要求者希望顏料供應商提供既有功能性又有裝飾性的顏料，從而能提高涂層的耐久性。


本文討論顏料優(yōu)化高性能涂料的耐久性的作用，主要是針對卷材涂料，因為卷材涂料代表了這個具有很高特定要求的市場的一個快速成長的部分。文中討論了無機顏料的優(yōu)點，并推導了紫外線不透明度、加速老化與涂層使用壽命的直接關(guān)系。以藍色為例，特制了具有最佳的色彩、著色力、可見光和紫外線不透過性和耐候性的顏料。從而給涂料制造商提供了低成本、高性能的色彩解決方案。


為了保證表面涂裝廠商能夠滿足甚至超過日益增長的市場需求，顏料設(shè)計必須把功能而不是把色彩置于首要位置。


應用的要求

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需要高耐久性的涂料包括戶外磚石建筑涂料，卷材涂料，海洋涂料和“超耐久性”的粉末涂料。戶外涂料長期處在紫外光照射、潮氣和氧存在的環(huán)境中，易受高溫破壞。即使最穩(wěn)定的樹脂體系，這些因素結(jié)合起來也會引起基料的降解。沒有足夠的保護通常就會產(chǎn)生失光、褪色、涂層開裂、粉化、脫層等明顯的老化現(xiàn)象。


加工的要求

金屬氧化物無機顏料的內(nèi)在的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性，為涂料工程師提供了在需要高溫加工時的一種獨特的色彩解決方案。易分散性以及絮凝穩(wěn)定性，是影響無機顏料選擇的有利的特性。


基料體系的要求

無機顏料適應不同 pH 值的體系，例如，酸催化的涂料，高堿性的硅酸鹽磚石涂料，水泥漿和具有高反應活性的工程聚合物，如聚酰胺和一些共聚物。


基料的降解

大部分聚合物基料都具有內(nèi)在的不穩(wěn)定性，處在有潮氣、氧和紫外線的環(huán)境中會發(fā)生老化。紫外線在這種光催化鏈式反應中起引發(fā)劑的作用。如圖 1 所示。

顏料的正確選擇對增加或降低基料的穩(wěn)定性具有關(guān)鍵的作用。以白漆為例，鈦白的光活性實際上加速了這種降解過程；銳鈦的光活性遠遠高于金紅石型的光活性。

金紅石吸收能量大于 3.05 eV 的光子（ 415 nm ），銳鈦吸收能量大于 3.20 eV 的光子（ 385 nm ）。鈦白每吸收一個光子，產(chǎn)生一個電子 - 空穴對。電子進入導帶，并在價帶上留下一個空穴。通常電子會回落到價帶，并與空穴重新結(jié)合。然而，在有些例子中，質(zhì)子空穴會遷移到鈦白粉顆粒的表面，引發(fā)以下反應：

?  羥基氧化成羥基自由基。

?  Ti 4+ 還原成 Ti 3+ 陽離子。

?  氧還原成氧自由基

?  游離自由基與水發(fā)生反應，形成過氧化氫及羥基自由基。

?  自由基擴散到周圍的有機介質(zhì)中


顏料的選擇對基料穩(wěn)定性的影響

在研究具有內(nèi)在不穩(wěn)定性的體系的著色性時，其中在不穩(wěn)定的基料中已用鈦白著色時，顏料必須同時滿足色彩和功能的要求。例如，配制一種彩色涂料時，顏料應作為紫外線吸收劑或反射劑，從而阻止紫外線透射到基料中。因為透射到基料中的紫外線會引起基料降解（見圖 2 ）。


影響顏料選擇的因素

通常說來，高性能顏料包括無機顏料和有機顏料。無機顏料著色力相對較弱，但是不透明性和耐久性極好；有機顏料成本較高，能夠提供極好的著色力，但是不透明性較差。涂料工程師很難在色彩與著色力，長期性能與著色成本之間做出選擇。在所有的應用中，顏料的選擇都是視用途而定。



卷材涂料是涂裝技術(shù)快速發(fā)展的重要領(lǐng)域之一。因為這種涂裝方法提供了在便宜的金屬底材上著色的成本低廉的方法，涂裝過程的排放物少。人們通常要求卷材涂裝廠商提供 25 年的使用期保證。這使得涂料耐久性成為真正的難題。粉化、褪色、失光、開裂、脫層，這些都是已發(fā)生降解的明顯現(xiàn)象。尤其在建筑業(yè)中，這一問題倍受關(guān)注，因為貼面、屋頂、窗框的置換需要數(shù)目可觀的費用。



制造卷材涂料的樹脂有聚酯、聚氨酯、塑溶膠、聚偏氟乙烯 (PVDF) 。這些樹脂中， PVC 塑溶膠最不穩(wěn)定，需要添加穩(wěn)定劑。耐久性最好的卷材涂料是用 PVDF 配制而得的，它具有突出的耐候性。聚酯涂料在卷材中應用最多，占了歐洲卷材涂料市場的 60% ，美國卷材涂料市場的大部分。



考慮怎樣選擇顏料時，聚酯和 PVDF 樹脂是很好的例子。聚酯涂料在光催化下會發(fā)生降解，因此人們的努力主要集中在開發(fā)對紫外線穩(wěn)定的聚酯上。而 PVDF 能夠抵抗紫外線引發(fā)的自由基的侵害，然而它的附著力很差，因而必須用環(huán)氧樹脂做底漆，而這種底漆易受紫外線的破壞。在所有情況下，顏料將起關(guān)鍵作用。即，顏料必須能夠吸收紫外線，以保護基料體系。



圖 3 顯示了每一種卷材涂料的相對的穩(wěn)定性。它表明了基料的相對的穩(wěn)定性如下： PVDF> 硅酮聚酯 >PVC 塑溶膠。



顏料的選擇



如果考慮選擇無機顏料還是選擇有機顏料。以藍色為例，有機銅酞菁藍的著色力高，成本低，因而被看成是一種具有吸引力的顏料選擇。當然還需要考慮其他因素，包括加工的難易程度，性能和穩(wěn)定性（見表 1 ）。



為了能夠評價顏料對基料的保護效果，人們開發(fā)了一種針對有很高特性要求的 PVDF 卷材涂料體系的在室內(nèi)進行的薄膜紫外線透射試驗方法，以預測評價顏料體系的長期耐久性。圖 4 顯示，沒有顏料的基料中紫外線很容易透射，而有顏料的涂膜得到保護，從而顯示出更好的耐久性。進一步研究表明，近紫外區(qū)的紫外線能夠穿透群青藍和酞青藍著色的涂膜，而鈷藍著色的涂膜在紫外區(qū)顯示一條更為平直的線。



特制無機顏料的進展



鈷類顏料可以用“混合金屬氧化物”顏料這樣的化學術(shù)語來描述。這種高性能的著色劑具有極好的熱穩(wěn)定和化學穩(wěn)定性，并且與大多數(shù)樹脂體系具有良好的混溶性從而提供卓越的性能。因為這類顏料是通過金屬氧化物或鹽的高溫固相反應制得，所以能夠承受生產(chǎn)和應用過程中可能遇到的任何溫度。如圖 5 所示，混合金屬氧化物顏料作為紫外線遮光劑，能夠有效地把紫外線或可見光散射到涂膜表面以外。



為了增強對紫外線的吸收，人們已經(jīng)發(fā)展了新型的鈷藍和鈷綠顏料，它們能賦予底材長期的耐久性。這里稱為第二代顏料。鉻鋁酸鈷藍色或綠色顏料對紫外線的吸收最強，對紫外線的透射率不超過 0.1% （見圖 6 ）。



第二代鈷顏料極好的吸收特性，可以通過顏料的粒徑分布來解釋。這類顏料的超細、單分散的特性解釋了為什么可以通過尖端的加工技術(shù)來獲得能夠吸收紫外線和可見光的特制顏料，（見圖 7 ）紫外線的不透過性可以通過 PVDF 卷材涂料的薄膜紫外線透射實驗來預測。這種方法已經(jīng)通過紫外線加速耐候性試驗 QUV(A) 驗證（見圖 8~9 ）。



盡管鈷顏料的性能基本上是無可爭議的，然而它的著色成本比其他替代品高，因而獲得好的性能要以增加成本為代價。第二代顏料在提高了性能的同時又提高了著色力，從而降低了著色成本。這為涂料工程師提供了一個具有吸引力的顏料選擇。



結(jié)論



隨著市場逐漸轉(zhuǎn)向超耐久性涂料，顏料組分的重要作用不再局限于著色，而是要能夠提供保護性，使涂膜免受惡劣氣候條件的侵蝕。本文討論了基料的降解以及顏料對它提供保護作用的機理，闡述了無機顏料可以通過特制達到極好的耐久性，從而表面涂裝廠商可以更有信心地為行業(yè)提供長期的保證。



作者：劉　冰 王世榮 肖金秋


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