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【轉(zhuǎn)載】高性能無(wú)機(jī)顏料在卷材面漆中的作用

分類(lèi)：技術(shù)文檔 　　　 來(lái)源： 　　　發(fā)布時(shí)間：2022-03-31

高性能涂料的生產(chǎn)主要是為了滿(mǎn)足汽車(chē)涂料、工業(yè)涂料和卷材涂料的市場(chǎng)需求。對(duì)這些涂料來(lái)說(shuō)，戶(hù)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(lái)越高，表面涂裝廠商正面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。為了獲得盡可能多的利益，在競(jìng)爭(zhēng)中把自己與其他眾多的供應(yīng)商區(qū)別開(kāi)來(lái)的創(chuàng)新能力尤其重要。


任何一個(gè)配方的顏料組分都能夠提高或降低具有保護(hù)作用的色漆涂層的綜合性能。顏料的耐化學(xué)品性能在堿性很強(qiáng)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(hù)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(lái)多的特殊要求者希望顏料供應(yīng)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(duì)卷材涂料，因?yàn)榫聿耐苛洗砹诉@個(gè)具有很高特定要求的市場(chǎng)的一個(gè)快速成長(zhǎng)的部分。文中討論了無(wú)機(jī)顏料的優(yōu)點(diǎn)，并推導(dǎo)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(lán)色為例，特制了具有最佳的色彩、著色力、可見(jiàn)光和紫外線不透過(guò)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(mǎn)足甚至超過(guò)日益增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求，顏料設(shè)計(jì)必須把功能而不是把色彩置于首要位置。


應(yīng)用的要求

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需要高耐久性的涂料包括戶(hù)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(hù)外涂料長(zhǎng)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(shù)脂體系，這些因素結(jié)合起來(lái)也會(huì)引起基料的降解。沒(méi)有足夠的保護(hù)通常就會(huì)產(chǎn)生失光、褪色、涂層開(kāi)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(wú)機(jī)顏料的內(nèi)在的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，為涂料工程師提供了在需要高溫加工時(shí)的一種獨(dú)特的色彩解決方案。易分散性以及絮凝穩(wěn)定性，是影響無(wú)機(jī)顏料選擇的有利的特性。


基料體系的要求

無(wú)機(jī)顏料適應(yīng)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(yīng)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(huì)發(fā)生老化。紫外線在這種光催化鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中起引發(fā)劑的作用。如圖 1 所示。

顏料的正確選擇對(duì)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(shí)際上加速了這種降解過(guò)程；銳鈦的光活性遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(gè)光子，產(chǎn)生一個(gè)電子 - 空穴對(duì)。電子進(jìn)入導(dǎo)帶，并在價(jià)帶上留下一個(gè)空穴。通常電子會(huì)回落到價(jià)帶，并與空穴重新結(jié)合。然而，在有些例子中，質(zhì)子空穴會(huì)遷移到鈦白粉顆粒的表面，引發(fā)以下反應(yīng)：

?  羥基氧化成羥基自由基。

?  Ti 4+ 還原成 Ti 3+ 陽(yáng)離子。

?  氧還原成氧自由基

?  游離自由基與水發(fā)生反應(yīng)，形成過(guò)氧化氫及羥基自由基。

?  自由基擴(kuò)散到周?chē)挠袡C(jī)介質(zhì)中


顏料的選擇對(duì)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(shí)，其中在不穩(wěn)定的基料中已用鈦白著色時(shí)，顏料必須同時(shí)滿(mǎn)足色彩和功能的要求。例如，配制一種彩色涂料時(shí)，顏料應(yīng)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?yàn)橥干涞交现械淖贤饩€會(huì)引起基料降解（見(jiàn)圖 2 ）。


影響顏料選擇的因素

通常說(shuō)來(lái)，高性能顏料包括無(wú)機(jī)顏料和有機(jī)顏料。無(wú)機(jī)顏料著色力相對(duì)較弱，但是不透明性和耐久性極好；有機(jī)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(zhǎng)期性能與著色成本之間做出選擇。在所有的應(yīng)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?yàn)檫@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(guò)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(kāi)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(wèn)題倍受關(guān)注，因?yàn)橘N面、屋頂、窗框的置換需要數(shù)目可觀的費(fèi)用。



制造卷材涂料的樹(shù)脂有聚酯、聚氨酯、塑溶膠、聚偏氟乙烯 (PVDF) 。這些樹(shù)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(yīng)用最多，占了歐洲卷材涂料市場(chǎng)的 60% ，美國(guó)卷材涂料市場(chǎng)的大部分。



考慮怎樣選擇顏料時(shí)，聚酯和 PVDF 樹(shù)脂是很好的例子。聚酯涂料在光催化下會(huì)發(fā)生降解，因此人們的努力主要集中在開(kāi)發(fā)對(duì)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(shù)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(hù)基料體系。



圖 3 顯示了每一種卷材涂料的相對(duì)的穩(wěn)定性。它表明了基料的相對(duì)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(wú)機(jī)顏料還是選擇有機(jī)顏料。以藍(lán)色為例，有機(jī)銅酞菁藍(lán)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(dāng)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(jiàn)表 1 ）。



為了能夠評(píng)價(jià)顏料對(duì)基料的保護(hù)效果，人們開(kāi)發(fā)了一種針對(duì)有很高特性要求的 PVDF 卷材涂料體系的在室內(nèi)進(jìn)行的薄膜紫外線透射試驗(yàn)方法，以預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)顏料體系的長(zhǎng)期耐久性。圖 4 顯示，沒(méi)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(hù)，從而顯示出更好的耐久性。進(jìn)一步研究表明，近紫外區(qū)的紫外線能夠穿透群青藍(lán)和酞青藍(lán)著色的涂膜，而鈷藍(lán)著色的涂膜在紫外區(qū)顯示一條更為平直的線。



特制無(wú)機(jī)顏料的進(jìn)展



鈷類(lèi)顏料可以用“混合金屬氧化物”顏料這樣的化學(xué)術(shù)語(yǔ)來(lái)描述。這種高性能的著色劑具有極好的熱穩(wěn)定和化學(xué)穩(wěn)定性，并且與大多數(shù)樹(shù)脂體系具有良好的混溶性從而提供卓越的性能。因?yàn)檫@類(lèi)顏料是通過(guò)金屬氧化物或鹽的高溫固相反應(yīng)制得，所以能夠承受生產(chǎn)和應(yīng)用過(guò)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(jiàn)光散射到涂膜表面以外。



為了增強(qiáng)對(duì)紫外線的吸收，人們已經(jīng)發(fā)展了新型的鈷藍(lán)和鈷綠顏料，它們能賦予底材長(zhǎng)期的耐久性。這里稱(chēng)為第二代顏料。鉻鋁酸鈷藍(lán)色或綠色顏料對(duì)紫外線的吸收最強(qiáng)，對(duì)紫外線的透射率不超過(guò) 0.1% （見(jiàn)圖 6 ）。



第二代鈷顏料極好的吸收特性，可以通過(guò)顏料的粒徑分布來(lái)解釋。這類(lèi)顏料的超細(xì)、單分散的特性解釋了為什么可以通過(guò)尖端的加工技術(shù)來(lái)獲得能夠吸收紫外線和可見(jiàn)光的特制顏料，（見(jiàn)圖 7 ）紫外線的不透過(guò)性可以通過(guò) PVDF 卷材涂料的薄膜紫外線透射實(shí)驗(yàn)來(lái)預(yù)測(cè)。這種方法已經(jīng)通過(guò)紫外線加速耐候性試驗(yàn) QUV(A) 驗(yàn)證（見(jiàn)圖 8~9 ）。



盡管鈷顏料的性能基本上是無(wú)可爭(zhēng)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(jià)。第二代顏料在提高了性能的同時(shí)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(gè)具有吸引力的顏料選擇。



結(jié)論



隨著市場(chǎng)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(hù)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(duì)它提供保護(hù)作用的機(jī)理，闡述了無(wú)機(jī)顏料可以通過(guò)特制達(dá)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(zhǎng)期的保證。



作者：劉　冰 王世榮 肖金秋


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