采用完全匹配的原材料生产高性能水性涂料

Gregor Apitz，Alberdingk Boley

涂料配方一般由10～20种单一组分构成，在开发新型涂料配方过程中，要对所有组分的化学、物理和表面相互作用进行控制几乎是不可能的，也会造成劳动力和时间的浪费。开发了一系列完美匹配的模 块化原材料，作为半成品中间体，可提高 涂料生产效率。本文介绍了按此方法生产 高品质涂料的实例。

目前，许多涂料原材料的设计在很大 程度上受到以下参数的影响：

> 市场和产品的要求

> 法规的要求

> 生产制造技术的要求

生产技术决定了原材料的设计

近几十年中，终端用户对现有生产技 术和涂料性能的要求刺激和推动了涂料用 原材料的进一步发展。由于法规（VOC指 南、REACH法规、EcoLabel-生态标志、Blue Angel-蓝色天使标志）要求原材料供应商 淘汰配方中的有毒和危险物质，这种影响 已变得愈发明显。同时，水性涂料的现有 生产技术在过去几十年中基本未发生显著 变化：对于大多数固体原材料的分散来 说，分散罐仍必不可少。涂料生产中要使 用分散罐自然需要设计开发新的原材料， 使其适用于现有生产技术。

以分散剂的开发和优化为例，最重 要的目标是尽可能将在分散装置中的分散 时间降至最短。因此，该因素也是开发新 型分散剂的经济驱动力。将阴离子基团植 入到分散剂聚合物中，就可以加快分散过 程。但是，这些极性官能团也会对成品涂 料的耐化学性（水、咖啡、红葡萄酒等） 造成负面影响。同样，水性基料的胶体稳 定体系已不断地改性提高，以适应现有分 散装置的技术要求。涂料制造商需要快速、高效的生产工艺，所以必须要开发出 强力的水性聚合物稳定体系。这里，关键 在于使用较高浓度的极性稳定剂，包括乳 化剂和保护胶体，使得聚合物粒子表面聚 集更多的电荷。结果就能实现相当快速的 涂料生产过程，但最终涂膜的水敏感性也 会较高。

对配方设计师来说，最重要的是要 具有化学基础

必须对聚合物分散体进行稳定化处理。但大多数情况下，配方设计师并不熟 悉基本化学的方方面面。这样在涂料开发 过程中，会带来一系列问题，例如聚合物分散体的黏度是与稳定化的化学机理有 关。 图1展示了三种所选的水性丙烯酸基料 的流动曲线，基料配方中使用了0.1%的缔 合型增稠剂Byk Optiflo H 7500 VF。这些丙 烯酸基料采用同一种聚合物（具有相同的 玻璃化转变温度和最低成膜温度）和相同的粒径（约80 nm）。但使用的稳定体系 各不相同。

红色和黑色曲线表示的聚合物分散体 的稳定化是采用共聚羧酸（如丙烯酸、甲 基丙烯酸或衣康酸）与阴离子和非离子乳 化剂的组合，通过传统的静电-空间位阻稳 定化机理实现的。相反，灰色曲线的分散 体稳定体系不含乳化剂，并仅以静电稳定 机理为基础。在低剪切速率区，与其他基 料相比，图1中的灰色曲线的配方黏度更 低。这是由于分散体稳定化系统与缔合型 增稠剂之间的相互作用达到了完美匹配。 因此，该配方呈现优异的流平性。

标准配方：多种交互作用、零控制

用一个细木工件面漆的配方举例说 明，根据所需功能要求，要选用多种原材 料，这也是多年不断研究开发和改进的结 果。不同的原材料组合产生大量的化学和 物理交互作用（见图2）。

将来自不同供应商的多种原材料组合 在一起，可能使涂料配方变得复杂，因为 几乎不可能控制各组分之间的化学、物理 和表面交互作用。只有详细了解这些性能 和原理，才能有效配制高性能涂料。

不利的交互作用会导致产生絮凝

用蓝色色浆着色是一种非常简单的检 验复杂配方潜在不稳定性的方法。考虑一 个所用原材料的表面化学性能完全未知的 配方。由于基料的稳定系统、表面处理过 得颜料或填料和分散剂之间的不利交互作 用，制备后几小时内就观察到完全絮凝的 现象（见图3）。

更好的性能和更有效的生产

在由Alberdingk-Boley，Byk-Chemie， Alpha Calcit，Kronos，International和 Hemmelrath Technologies等公司联合组成 的模块化原材料网络内部，一直在开展合 作研发工作，详细了解产品的化学和物理 性能以及交互作用，开发出的模块化原材 料不但匹配完美，而且还能提供更优异的 性能。

这些模块化原材料称为"水性中间 体"，具有十分良好的表面效果，能确保用。12个月后的户外耐候试验结果（如图4 所示）表明性能方面存在较大差异：样板3 有水泡形成，样板4发生开裂。以上实例说 明匹配良好的原材料是可以提高性能的。

模块化多用途有光涂料

多用途水性涂料的最高光泽仍稍低于 溶剂型涂料体系，这是由水性涂料是由粒 子聚集成膜的特性决定的。为达到最大光泽，必须要尽可能降低 表面粗糙度。除聚合物、颜料和填料的粒 径外，成膜机理也起着至关重要的作用。 颜料、填料和聚合物粒子之间不恰当的化 学交互作用会阻碍成膜过程，从而形成低 光泽的粗糙表面［1］。

模块化技术方法旨在开发出原材料模 块，其中，聚合物、颜料和填料之间的化 学交互作用能够很好地匹配，完美成膜。 水性基料模块是采用了专门开发的粒径特 别小、自交联多相丙烯酸分散体。

对基料聚合物和粒子稳定化体系进 行了改性，以便能与模块中的其他组分及 颜料模块的组分发生协同作用。为了能在 无须添加其他成膜助剂的情况下制备零 VOC、无气味的多用途涂料，需要将多相 聚合物的最低成膜温度调至0 °C。为了使 户外耐候性优异，颜料模块应使用稳定性 高的钛白粉，且与基料模块之间具有最佳 的相容性也同样重要。

助剂组合包的选择至关重要，应与 基料模块中的助剂相匹配，从而确保聚合 物性能达到最佳。这不仅避免耐化学性问 题，同时还确保高光泽［2］。此外，还应设 计好颜料模块，具有优异的存储和分散稳 定性，适合长期使用，而不会出现凝结和 沉淀。如果需要较低光泽，还应确保与消 光剂（如Alpha Calcit水性中间体2106）之 间的相容性。

按照以上方法配制的多用途涂料的60° 光泽可达到80。通过加入含有10%消光剂 中间体的颜料中间体，可将60°光泽调至 56～80之间（见图5）。使用该模块化系 统，配方设计师能通过简单将模块进行混 合就可获得各种光泽。根据EN12720，在三 聚氰胺面板和山毛榉木板上进行多用途涂 料的耐化学性测试。表2所示的结果可以看 出，模块化多功能涂料的综合耐化学性良 好。

模块化直接涂装金属漆

为了防止室内外金属表面免受腐蚀和 闪锈，涂料需要满足各种不同要求［3］。因此，基于以下目标，开发出适用于金属漆 的高性能聚合物中间体：

> 用于高端直接涂装于金属的油漆防 护体系的基料；

> 可能获得符合生态标志的防护体系；

> 最低成膜温度低（成膜助剂用量 低）和抗粘连性高（低沾污性）；

> 卓越的耐水性；

> 在不同基材表面都具有极佳的附着 力；

> 粒径很小；

>流变性控制简便。

为实现上述目标，新型聚合物中间体 的实验室开发应以表3中所示的系统方案为 基础。为满足金属漆的特定要求，开发了 一种基于疏水型多相丙烯酸聚合物的基料 模块。该聚合物各种官能团与其他模块组 成的化学和物理特性相匹配，在防腐性、 防闪锈、不同金属基材上的附着力和耐水 性等方面都能达到要求，并能以最佳方 式很容易实现模块设计。与乳胶漆体系一 样，颜料模块的助剂组合必须与基料模块 中的助剂相溶并具有协同效果。颜料模块 中的助剂组合以及合理选择钛白粉能确保 基料和助剂的防腐性能优异。

从表1可看到该配方的简易性，表4给 出了最初测试结果。通过添加10% Alpha Calcit水性中间体2106，可获得更高的PVC。 从表4和图6所给出的结果可以看出，模块 化金属漆具有优异的防腐性能。

控制相互作用可实现配方的简化

当前，传统产品开发方法面临着一种 处境，即开发过程中产品创新和经济效益 之间越来越难达到平衡。现有的涂料配方 （如水性彩色细木工件面漆）包含多种不 同的原材料，原材料间存在各种化学和物 理交互作用。协同作用和对抗作用都会影 响涂料的生产、施工和最终性能。唯有详 细了解原材料的化学结构特性，才能准确 控制物理和化学的交互作用，可大幅提高 涂料性能。

通过模块化直接涂装金属漆实例可以发 现，将原材料网所有成员公司的专业知识结 合起来，就能开发出具有极具匹配的化学性 能的模块化原材料组成，达到优异的性能。 因此，涂料配方设计师与原材料网之间的共 同开发不仅更有效、开发周期更短，还能配 置出品质非凡的涂料。 

结果一览

 水性涂料原材料的选择和配制由生 产技术决定。原材料通常来自多个 供应商，可能导致大量未知和不可 控的相互作用。

 称为"水性中间体"的模块化原材 料之间完美匹配，能实现高效生产 高性能水性涂料。

 水性中间产体中的原材料彼此之间 具有最佳的相互作用，只要用少数 的水性中间体产品，就能制得最终 涂料配方。下文提供的实例（细木 工件面漆、多功能涂料和DTM涂料） 表明这些配方配制的产品性能良好。

致谢

在此， 感谢Simon Jonas、Markus Dimmers（Alberdingk Boley公司）、 Uwe Wilkenhöner (Kronos公司)、Rüdiger Schmidt（Alpha Calcit公司）、Frank Kother （Hemmelrath Technologies公司）和 Carsten Nagel (Byk公司)的支持与合作。

参考文献

[1] Baumstark R., Schwartz M., "Dispersionen für Bautenfarben", Vincentz Verlag 2001, pp 220-222.

[2] Dörr H., Holzinger F., Kronos Titandioxid in Dispersionsfarben, Kronos Titan GmbH, pp 32ff.

[3] Apitz G., Dimmers M., Weniger Rost, mehr Umweltschutz, Farbe und Lack, 2010, Vol. 116, No. 6, pp 20-27.