水性多彩涂料的研究与制备

中国新型涂料网讯： 

涂料基料中悬浮有和漆料不相容的色彩不同，大小与形状各异的珠状物质即形成多彩涂料(multicolor coating)。多彩涂料通常包含有两种或两种以上的基料。形成的色彩图案多样，可以随意选择。采用以喷涂为主的施工方法。一次喷涂即能得到深浅层次不同的多彩花纹，并能适应砂浆、灰浆、混凝土、石膏板、木材、FC板、塑料等多种建筑材料，也可用于钢材等金属表面的涂装，使用后能收到显著的装饰效果，并保持长时间(如10～15年)不变色。本文主要关注用于墙面装饰的多彩涂料，得到的涂层光泽优雅，优于壁纸。通过添加适当的助剂，可使饰面具有防水、防潮、防油、防火、防化学品等性能．能够用水洗刷，适于宾馆、饭店、商业楼、办公用楼以及一般居室的内外墙装饰。

1．多彩涂料的种类

多彩涂料由连续相或称分散介质，以及分散相组成，连续相低浓度、低粘度；分散相则高浓度，高粘度，并且含有着色颜料。在搅拌作用下，不同颜色的分散相分别被分散到连续相中形成肉眼可见的细小的粒条或粒滴，然后进行混合。也可一次性将不同颜色的着色基料分散到介质中形成多彩涂料。根据两相的性质。多彩涂料可以分为四类：

1） 水包油型(0／W)

水包油型多彩涂料是一种把各种颜色的磁漆，均匀、稳定地分散在含有保护胶成分的水溶液中，形成复杂的油和水互混的二相体系。连续相为水相，系合成树脂乳液，甲基保护胶体水溶液等；分散相为油相，含溶剂和硝基保护胶体、甲基苯乙烯／丁二烯共聚物，改性醇酸树脂等成膜物质，加入填料、颜料等助剂。它既具有油漆的高光泽，良好的耐水、耐碱、耐洗擦等优良性能、又具有水性建筑涂料附着力强、透气性好等特点，使得多彩涂料的性能指标、质量要求不同于一般涂料。

2） 油包水型(w／0)

油包水型多彩涂料的连续相为油相，分散相为水相，在连续的油相中加入耐碱性的氯乙烯树脂漆、丙烯酸树脂漆；在分散的水相中加入高粘度的各种合成树脂漆而制成。这类涂料的遮盖力很大，具有很强的表面粘接能力，耐碱性强，有较好的花纹饰面，但价格高，溶剂有严重的危害和污染。

3） 油包油型(0／0)

连续相和分散相均为油相，但溶剂互不相溶，主要适用于金属的涂装，且文献报道很少。具有溶剂型涂料的缺点。

4） 水包水型(w／W)

即水性涂料，这是在水性乳胶漆中加入可凝胶化的水溶性涂料分散而成。通常把两相简称为A组分和B组分，通常它们带有相反的电荷，两组分混合时即在粒子的接触表面产生凝胶化。但也有的并不需要特殊的阳离子物质，而是使用蒙脱土和Na₃P0₄等无机盐。

如果按照多彩涂料的干燥成膜温度，可分室温干燥型和烘烤型两大类别。前者主要靠加入催干剂让溶剂或水分在室温下挥发促进成膜，绝大多数多彩涂料都是这种类型。而后者则必需加热到较高温度成膜，涂层非常牢固，用于金属表面装饰。

2.  W／W型多彩涂料的基本原理

W／W型多彩涂料，实际上是～种以水性乳胶涂料的小液滴构成涂料的分散相，保护胶水溶液构成连续相的多相悬浮体。要得到均匀、稳定的这种悬浮体，就必须实行把水性乳胶涂料滴加到保护胶水溶液中这一过程。同时在这一过程中不发生保护胶水溶液对水性乳胶涂料的稀释，乳胶涂料的凝结以及颜料向保护胶溶液中渗透等。

W／W型多彩涂料是以具有原乳胶涂料配比物的小滴分散其中，形成保护胶水溶液连续相包裹着乳胶涂料小滴的悬浮体。要实现这种“水包水"的悬浮体，就必须在把水性乳胶涂料分散于保护胶水溶液中的瞬问，在涂料滴的表面形成一层不溶于水的柔性膜，这层柔性膜除了能够阻止膜内涂料组份及膜外的保护胶液组份互相扩散外，还防止颜料滴之间发生聚集、凝结。喷涂施工后，起先湿膜中的涂料滴仍保护在水相中的悬浮状态，随着涂膜中水分的挥发，涂料滴相互堆砌、融合，最终形成牢固的多彩花纹涂膜。

               图l  W／W型多彩涂料及其成膜过程

3. 多彩涂料的发展趋势

目前，多彩涂料活跃的研究课题及发展趋势有以下几个方面：

(1)大力开展W／W型无毒无味多彩涂料的研究，克服0／W型多彩涂料使用有毒芳烃溶剂的这一缺点，但保持0／W型多彩涂料的华丽外观优点。

(2)积极研究和发展耐候性好，性能优异而美观的外墙用多彩涂料，扩大多彩涂料的使用范围。

(3)发展可刷涂、可滚涂的多彩涂料，克服目前施工只能采用喷涂且机具复杂，对家庭装饰造成一定限制的缺点。

(4)发展功能性多彩涂料，如高阻燃型、防霉型、抗静电型等多彩涂料。

实验研究

1.  实验装置与设备

电子天平；

高速分散机；

精密定时电动搅拌器；

斯托默粘度计；旋转粘度计；

电位仪；

可调压喷枪；

空气压缩机；

2. 实验方法

1） 多彩涂料的制备工艺

颜料组份由保护胶体、颜填料、分散剂、氨水和水组成。

分散相是在颜料组份中再加入乳液、成膜助剂、消泡剂和增粘剂水溶液。

图2-1多彩涂料生产工艺简图

3. 粘度的测量

（1） QNZ型斯托默粘度的测量

    斯托默粘度计是在定转速200r／min的情况下，测量所需砝码的重量，其所对应的Ku值即为斯托然粘度值。试验中需用它来测量分散介质、颜料组份和分散相随时间变化及原料种类和用量变化的粘度值。

（2） NDJ-1旋转粘度的测量

① 配制增粘剂悬浊液并测量其粘度

    分别把钙基增粘剂和钠基增粘剂加入水中分散为3％的悬浊液。用旋转粘度计分别测量悬浊液在不同时间和剪切速率条件下的粘度。

② 配制加入多聚磷酸盐的增粘剂悬浊液并测量其粘度

    把钠基增粘剂加入水中分散为3％的悬浊液，并同时加入一定量的多聚磷酸盐。用旋转粘度计分别测量悬浊液在剪切速率为60r／min的条件下粘度，并测量粘度随多聚磷酸盐用量的改变产生的变化。

4. 常规性能的测试

（1）耐水性测试

按GB／T 1733．1993甲法规定进行。试板投试前除封边外，还需封背。将三块试板侵入GB／T 6682规定的三级水中，如三块试板中有两块未出现起泡、掉粉、明显变色等涂膜病态现象，可评定为“无异常"。如出现以上涂膜病态现象，按GB／T1766进行描述。试验温度：23±2℃，浸泡板的三分之二，马口铁板的尺寸为120×25×（0.2～0.3）mm³

（2） 耐碱性测试

按GB／T 9265规定进行。如三块试板中有两块未出现起泡、掉粉、明显变色等涂膜病态现象，可评定为“无异常"，如出现以上涂膜病态现象，按GB／T 1766进行描述。碱性溶液为在100mL水中加入O．129氢氧化钙，充分搅拌，pH值应达到12～13。石棉水泥板的尺寸为150x70x3 mm³

（3） 储存稳定性测试

① 热储存稳定性测试

    把涂料装入密封容器，在60℃的烘箱中储存十五天，然后开盖观察其状态。

② 常温储存稳定性测试

    在常温下封闭储存一定时间，然后观察其状态变化并测量其性能。

5.  Zeta电位和粒径的测量

Zeta电位表征的是颗粒表面的带电性，可通过Zeta电位的变化来判断粒子的稳定性。粒径可直接得到体系中粒子的平均大小。在实验中取适量增粘剂悬浊液和加入多聚磷酸盐的增粘剂悬浊液，分别稀释十倍，用以测量Zeta电位和粒径。

分散介质体系的研究

在本文的多彩涂料体系中，由增粘剂、无机盐和水组成的分散介质对形成彩色粒子起重要作用。

增粘剂是一种层状硅酸盐，其结构片层是纳米尺度的，整个结构片层厚约lnm，长宽约100nm。由于它结构的这种特点，使它具有粘结性、吸附性、催化性、触变性、悬浮性以及阳离子交换性等许多特殊性能，因此广泛用于冶金、石油、铸造、食品、化工、环保及其他工业部门。增粘剂用于多彩涂料中成粒的研究还很少，所以对成粒的作用机理尚不清楚。本文在多彩涂料的研制过程中，对其

机理也进行了初步探讨。

无机盐通过使增粘剂颗粒在水中的分散，粒径减小，降低颗粒间的相互作用，明显降低粘度，提高其流动性的效果。促使分散相与分散介质有较大的粘度差，利于成粒。所以首先针对分散介质中的主要组成增粘剂和无机盐对成粒及体系粘度的影响进行研究。

1. 影响分散介质成粒的因素

1） 增粘剂对成粒的影响

    增粘剂是帮助多彩涂料成粒主要物质，在多彩涂料的制备过程中起着至关重要的作用，所以首先来研究增粘剂对成粒的影响。

①   增粘剂的种类对成粒的影响

由于增粘剂中包含有三个亚层，在两个硅氧四面体亚层中间加含一个铝氧八面体亚层，而铝氧八面体亚层中的部分铝原子容易被低价原子取代，使片层带有负电荷，过剩的负电荷靠游离于层间的Na⁺、Ca²⁺等阳离子平衡。增粘剂的层间阳离子种类决定增粘剂的类型，层间阳离子为Na+时称钠基增粘剂；层间阳离子为Ca²⁺时称钙基增粘剂；层间阳离子为有机阳离子时称有机增粘剂(主要用于有机体系，以提高其相容性)。

表3-1增粘剂的种类对成粒的影响

从上表可以看出，钠基增粘剂可以有效成粒，而且钙基增粘剂则基本不能成粒。虽然它们只是游离于片层间的阳离子不同，但钠基增粘剂的很多性能都明显优于钙基增粘剂，比如吸水性、膨胀倍数、在水中分散性、阳离子交换能力、悬浮液、触变性和粘度热稳定性方面。因此，在多彩涂料的研究中，必需选择钠基增粘剂。

 对已有的三种钠基增粘剂继续实验，其结果如下表所示：

    表3_2钠基增粘剂对成粒的影响

    通过实验说明，Inor l、Inor 4比Lap D所成的色粒更稳定，并且综合考虑价格和用量的关系，选择Inor 1用于多彩涂料的进一步研究中。

②  增粘剂的用量对成粒的影晌

    以增粘剂lnor 1为例，对增粘剂在分散介质中的用量进行调节。由于增粘剂不但对成粒有作用，而且能使体系增稠，所以从这两方面对增粘剂的作用效果进行考察。

    表3—3钠基增粘剂的用量对成粒的影响

粘度情况为多彩涂料制备当大的粘度，由于有色粒的存在，体系的粘度不宜用粘度计测量。多彩涂料粘度分级：非常稀(Ku≈60)，很稀(Ku≈70)，较稀(Ku≈80)，较稠(Ku≈90)，很稠(Ku≈100)，非常稠(Ku≈110)。

从上表可以看出，增粘剂的用量在5%～10％之间都能够很好的成粒。由于发现增粘剂用量较高时，体系的粘度会随着时间的增加而增加，所以没再进行增粘剂更高含量的实验，而进行了下面多彩涂料的粘度随时间变化的考察。

2）多聚磷酸盐对成粒的影响

由于前面选择的是钠基增粘剂，为了不引入其它阳离子，多聚磷酸盐选择的是三聚磷酸钠、焦磷酸钠和六偏磷酸钠，它们都是常用的无机盐分散剂。

            表3-4多聚磷酸盐的种类对成粒的影响

从上表可以看出，六偏磷酸钠的成粒能力最差；三聚磷酸钠和焦磷酸钠都能够形成较好的色粒。这可能由于六偏磷酸钠水溶液呈酸性反应，而三聚磷酸钠和焦磷酸钠的水溶液均呈碱性反应，所以六偏磷酸钠的分散能力没有前两者好，没能有效的降低体系的粘度。

3）分散介质存放时间对成粒的影响

表3-5分散介质存放时间对成粒的影响

分散介质放置的时间太长或太短都不利于形成较大的色粒。为便于操作和进行实验对比，本实验一般把分散介质放置24小时后使用。

2.  影响分散介质粘度的因素

如前所述，多彩涂料的制备需要分散相与分散介质有较大的粘度差，即分散相是高粘度的，分散介质是低粘度的。所以对多彩涂料各组份的粘度要求以及制备过程中各组份黏度的控制都是非常必要的。

1） 增粘剂对粘度的影响

由于增粘剂有明显的增稠效果，而且还有一定的后增稠作用，所以对于添加增粘剂体系的粘度，以及粘度随时间等因素的变化都是研究的重点。

①    存放时间对增粘剂悬浊液粘度的影响

图3—1 时间对增粘剂悬浊液粘度的影响

增粘剂在水分散体系中的粘度是考察此体系的一项重要指标，下面对增粘剂悬浊液的粘度随时间的变化情况进行研究。图3-1是增粘剂悬浊液(浓度为3％)在108天的时间内，粘度随时间改变的情况。从图中可以看出，钠基增粘剂悬浊液随时间的增加粘度波动较大，而钙基增粘剂悬浊液随时问的增加粘度波动较小；但从平均粘度来看钠基的粘度值要大大高于钙基，也就是说在相同用量的情况下钠基增粘剂的增稠效果明显高于钙基增粘剂。而且增粘剂悬浊液的粘度基本不随时间的增加而变化。由于纯的增粘剂悬浊液的粘度很大，3％的浓度已经是可以流动的最大值，所以下面的实验也均已3％的浓度进行对比。

② 剪切速率对增粘剂悬浊液粘度的影响

增粘剂不仅具有明显增稠效果，而且它同时具有较大的触变性。这可以使涂料在存放期保持较粘稠的状态，不容易分层或使颜填料沉降；而在涂料的使用时由于其触变性的影响，涂料在力的作用下粘度迅速下降，流动性更佳，从而更有利于涂料的保存和使用。

            图3-2剪切速率对钠基增粘剂悬浊液的影响

图3-3剪切速率对钙基增粘剂悬浊液的影响

    增粘剂悬浊液的触变性，也可通过其粘度随剪切速率的增加而降低程度来考察。从图3—2和3—3中可以看出，钠基增粘剂和钙基增粘剂都同样具有这种趋势。但在剪切速率变化相同的情况下，粘度的变化率却不同：钠基增粘剂的粘度由16500mPa·S降低到1500mPa·S，降低了十倍；而同时钙基增粘剂的粘度由135mPa·s降低到42．5mPa．s，只降低了三倍，这说明钠基增粘剂的触变性比钙基增粘剂的触变性大得多。因此在水性分散体系中，钠基增粘剂不仅能在静止时提供比钙基增粘剂更大增稠效果，而且在使用时也存在更强的触变性能。

③    增粘剂对多彩涂料体系粘度的影响

分散介质中增粘剂具有触变性，其用量直接影响多彩涂料体系粘度，而多彩涂料体系的粘度对于多彩涂料的粒子稳定性，体系的稳定和喷涂施工都有很大的影响；因而分别就不同的用量增粘剂制备的多彩涂料粘度随放置时间的变化进行了研究。

增粘剂本身可作为增稠剂使用，所以它对体系的粘度影响很大，尤其是在含量较高时。而且它的触变性很强，并且由于多聚磷酸盐的作用，它的粘度会在涂料制备之后，也就是涂料的储存阶段不断显现出来。

表3-6存放时间对多彩涂料粘度的影响

从上表中可以看出，膨润土含量为10％时，多彩涂料在放置一周后就几乎失去流动性，而膨润土含量为5％的多彩涂料，历时六个月其流动性仍良好。原因可能是由于10％的膨润土过量，过量的膨润土会吸附体系中多余的水份，因此它的粘度会在涂料制备之后的储存阶段不断显现出来。

2） 多聚磷酸盐对粘度的影响

①  多聚磷酸盐种类对分散介质粘度的影响

    多聚磷酸盐是涂料中常用的无机分散剂，虽然它们的添加量都很少，它能够有效降低分散介质体系的粘度，所以在此将就多聚磷酸盐对增粘剂悬浊液粘度的影响进一步讨论。

表3-8多聚磷酸盐的种类对增粘剂悬浊液粘度的影响

从上表可以看到由于多聚磷酸盐的加入，增粘剂悬浊液的粘度迅速降低，这是由于多聚磷酸盐的使用会抑制增粘剂的水化润胀，从而降低悬浊液的粘度。因为多聚磷酸盐水解后的P0₄^3-易与增粘剂端面的正电性边缘吸附，形成负电性边缘，晶片面、端均为负电性，晶片问相互排斥，在水介质中变为低粘、高分散的稳定悬浮体，因此粘度锐减。

实验中焦磷酸钠和三聚磷酸钠能显著降低钠基增粘剂悬浊液的粘度，但六偏磷酸钠对粘度的降低幅度没有前两者大。这是由于前两者的水溶液呈碱性，对增粘剂悬浊液的分散作用更强。无机盐分散剂对钙基增粘剂悬浊液的粘度改变不明显。

②    多聚磷酸盐的用量对分散介质粘度的影响

    下面以三聚磷酸钠为例，讨论多聚磷酸盐的用量对体系粘度的影响。由于相同浓度时钙基增粘剂悬浊液的粘度已经很低，而且钙基增粘剂的成粒效果也不好，在前面只作为参考进行对比，所以下文省略对钙基增粘剂的考察，仅以钠基增粘剂为例进行研究。

图3-4多聚磷酸盐的用量对增粘剂悬浊液粘度的影响

从上图可以看出，三聚磷酸钠(B)对增粘剂悬浊液粘度的降低效果非常显著。三聚磷酸钠的浓度从0～0.2wt％时，粘度从4600mPa·S迅速降低到16．5mPa·s；而浓度从0．2wt％一1．Owt％时，粘度仅从16．5mPa·S降低到4．5mPa·S。这说明三聚磷酸钠的用量超过0．2wt％后，能够完全降低增粘剂悬浊液(浓度为3wt％)粘度。而六偏磷酸钠(C)对增粘剂悬浊液粘度的降低较三聚磷酸钠缓慢。浓度从0～1．Owt％的变化过程中，粘度从4600mPa·S逐渐降低到190mPa·S，使分散介质仍然有一定粘度。

③  多聚磷酸盐对多彩涂料体系粘度的影响

    从上面多聚磷酸盐种类的选择中可以看到，三聚磷酸钠和焦磷酸钠都是可选的，下面改变它们的用量继续进行实验，以期发现它们的区别。

       表3-7多聚磷酸盐的用量对多彩涂料粘度的影响

    首先，通过三聚磷酸钠和焦磷酸钠之间的比较可以看出，焦磷酸钠比三聚磷酸钠对分散介质粘度降低的更明显，说明焦磷酸钠对这个体系的分散效果更佳。再观察粘度随用量的变化可以发现，随着三聚磷酸钠用量的增加分散介质的粘度逐渐降低，这说明三聚磷酸钠的用量还不足够，不足以分散介质的粘度降到最低；而随着焦磷酸钠用量的增加分散介质的粘度略有增加，这说明焦磷酸钠的用量已经过量，已经过了分散介质粘度的最低值。这是由于多聚磷酸盐与增粘剂的协同作用，会出现一个粘度最低值，此时无论是多聚磷酸盐的增加还是减少，分散介质的粘度都会增加。最后，再仔细观察它们粘度变化的范围可以看出，三聚磷酸钠的变化比焦磷酸钠的变化更快；这说明焦磷酸钠比三聚磷酸钠的有效范围更宽，也就是说在更宽的用量范围内焦磷酸钠能使分散介质的粘度保持在较低水平。

3）  存放时间对分散介质粘度的影响

    由于此方法制备的多彩涂料后增稠效果明显，所以为了更好的控制最终产品的粘度，需要对其前期每一组份的粘度变化情况进行了解，而且这也是制备工艺中需要控制的重要因素。

    用Inorl制备分散介质一1，用Inor4制备分散介质一2，它们的粘度随时间的变化见图3-5。

图3-5存放时间对分散介质粘度的影响

    上图是用斯托默粘度计测量的分散介质的粘度值，B为分散介质-1，C为分散介质．2。为使分散介质与分散相之间有较大的粘度差以利于成粒，规定分散介质的Ku≤60。由于斯托默粘度计的测量范围Ku∈[53，141]，而所测数据的Ku值有时小于53，所以上表用Ku值对应的负荷来表示分散介质的粘度，其中Ku=60时负荷为95g。

    从上图可以看出，分散介质的粘度随时间的变化不显著，一个月内都能保持在规定的粘度范围中，而且两周后粘度还略有下降的趋势。

3.  多聚磷酸盐对分散介质Zeta电位和粒径的影响

    以上分析可以看出，钠基增粘剂的增稠效果及触变性都要比钙基增粘剂强，但多聚磷酸盐的少量添加就能充分降低钠基增粘剂悬浊液的粘度，所以下面将以钠基增粘剂为例，考察在多聚磷酸盐的作用下，增粘剂悬浊液Zeta电位和粒径的变化。

     表3-9多聚磷酸盐对钠基增粘剂悬浊液Zeta电位和粒径的影响

通过上面的实验可以看到，随着三聚磷酸钠用量的增加，悬浊液中的颗粒粒径急剧下降，由30微米最终减小到170纳米。这说明三聚磷酸钠使钠基增粘剂悬浊液中较大的聚集体进一步分散，也就是破坏了增粘剂片晶间的相互吸引作用，降低了溶胀而产生的胶凝，从而减少了增稠的效果。因此，从微观粒径的的角度更加印证了前面宏观粘度实验的结论：钠基增粘剂悬浊液中加入多聚磷酸盐分散剂，通过使增粘剂的粒径急剧减小而使悬浊液的粘度也迅速降低。

    增粘剂在水中分散时，其中的金属离子从晶片往外扩散，随着水合作用的进行，它发生溶胀，到最后片晶完全分离，其结果形成阴离子层状结构片晶和金属离子的透明胶体悬浮液。在这种情况下，片晶带有表面负电荷，它的边角由于出现晶格断裂面而带有少量的正电荷。在稀溶液中，其表面的负电荷比边角的正电荷大，粒子之间发生相互排斥，这时不会产生增稠作用。随着电解质的加入和浓度增加，溶液中离子浓度的增加，片晶表面电荷减少。这时，主要的相互作用由片晶间的排斥力转变为片晶表面的负电荷与边角正电荷之间的吸引力，平行的片晶相互垂直地交联在一起形成所谓“纸盒式间格”的结构，引起溶胀产生胶凝从而使粘度增加。离子浓度进一步加大又会破坏结构发生絮凝导致降低稠度。

分散相体系的研究

1.  影响分散相成粒的因素

分散相是多彩涂料中构成色粒的组份．它的稳定性和平衡性将直接影响色粒的各种性能，所以下面将对分散相中影响成粒的主要因素进行一一讨论。

1） 保护胶体对成粒的影响

保护胶体在颜料组份中，主要起提高粘度的作用，对成粒也有一定的帮助。因此选用了离子型保护胶体和非离子型保护胶体两种比较常用的保护胶体，它们的对比如下表所示：

        表4-1  保护胶体的性能对比

    因此，本实验选用非离子型保护胶体，它对颜料还有较好的包覆作用。通过对比实验也显示出现保护胶体对于成粒有较大的作用。对比实验是把颜料组份直接加入到分散介质中．不用颜料组份再制各分散相。也就是使色粒中不含有增粘剂，对成粒有帮助的成份仅含有保护肢体，以此来观察保护胶体对成粒的具体作用。

图4一l保护胶体对成粒影响：(A)保护胶体和增粘剂复合成粒；(B)仅用保护胶体成粒

    表4—2    保护胶体对成粒影响

仅以保护胶体成粒，所得到的色粒成丝状或条状，色粒之间的界线不明显，而且色粒较柔软，与制备成分散相再加入分散介质中而成的多彩涂料色粒截然不同。这说明保护胶体在色粒的形成过程中起了一定的作用，但它还不能单独形成清晰的色粒。在储存的过程中，体系的粘度变化也较小，这可能是由于没有制备分散相，体系的组成较简单，互相干扰的成分较少。

2）  颜料对成粒的影响

    由于多彩涂料需要同时使用几种颜料，而不同颜料相同质量下的体积差异很大，这就需要根据临界颜料体积浓度选择颜料的合理用量。临界颜料体积浓度高的颜料可以多加一些，临界颜料体积浓度低的颜料则不能加入过多，否则聚合物就不能将颜料粒子间的空隙完全充满，这些未被填充的空隙就潜藏在涂膜中，使涂膜的物性急剧下降。表现在色粒上就是色粒容易破碎，并逐渐粉化。这就需要针对每一种颜料，确定其最佳用量。下面是以铁黄颜料为例所做的实验：

表4-3    颜料种类对成粒的影响

表4-4    铁黄对成粒的影响

3）  填料对成粒的影响

    不同的颜料一般情况下密度也是不同的，这会直接影响到这种颜色的色粒在多彩涂料体系中的浮沉状态。因此选用了碳酸钙作为填料，主要是为了通过碳酸钙的添加改变不同颜料所成色粒的浮沉状态，使其达到一致，并且碳酸钙的使用有助于提高涂料的流平性及涂膜的抗研磨性，还有一定的干遮盖力。对重质碳酸钙和轻质碳酸钙的实验情况见下表：

      表4-5  碳酸钙对成粒的影响  

    通过上表可以看出，轻钙在稳定性方面明显优于重钙，所以选择轻钙作为填料对色粒的浮沉状态进行调节。

4）  增粘剂对成粒的影响

    为了更好的提高色粒的强度，需要在分散相中也加入少量膨润土。下面对分散相中加入膨润土的种类和用量进行讨论。

①    增粘剂的种类对成粒的影响

    在分散相中还需加入少量的膨润土，虽然加入的量很少但对成粒也有一定的影响。首先考察当分散相中的膨润土与分散介质中的膨润土不同时，对多彩涂料成粒的影响：

      表4-6分散相中增粘剂的种类对成粒的影响

从上表可以看出，这几种增粘剂对成粒效果没明显的区别。这可能是由于这三种增粘剂都是钠基增粘剂，虽然它们的牌号不同但主要成份还是相同的；又由于它们在分散相中的加入量很少，所以它们的改变对体系没有明显的影响。

②   增粘剂的用量对成粒的影响

由于增粘剂对分散相的影响不容易直接观察出来，所以还是通过制成多彩涂料，观察其色的变化予以研究。下表为分散相中增粘剂对成粒的影响：

    表4—7分散相中增粘剂的用母对成粒的影响

图4-4分散相中增粘剂的用量对成柱的影响：(A)实验一；(B)实验二

    本实验说明分散相中的lnorl溶液虽然加入量很小，但对成粒的影响却很大。Inorl溶液的加入能提高色粒的大小和色粒边界的清晰度。Inorl溶液的浓度也会影响成粒及涂料的状态：在lnorl用量相同的情况下，溶液越浓越利于形成较大的色粒，但加入量过多也会影响色粒的稳定性和对颜料的包裹。

2.  影响分散相粘度的因素

    分散相是先制备颜料组份，再由颜料组份制各分散相，所以要控制分散相的粘度先要从控制颜料组份的粘度开始。下面对影响分散相粘度的各种因素进行的讨论。

1） 保护胶体对颜料组份粘度的影响

    保护胶体对颜料组份粘度的影响，基本是随着用量的增加而成线性的增加趋势如下图所示：

图4-5保护胶体的用量对颜料组份的粘度的影响

    因此，可以按照要求的适宜粘度选择合适的保护胶体用量。还需要注意，相同用量的情况下保护胶体分子量越大，颜料组份的粘度也将越大。

2） 存放时间对颜料组份粘度的影响

虽然颜料组份的粘度主要由非离子型保护胶体来调节，但颜料对粘度也有一定的影响，因为本实验的这种多彩涂料使用了增粘剂和保护胶体两种增稠剂，所以整个体系的粘度控制对研制此种多彩涂料是一个非常关键的环节。

颜料红组份是以铁红为颜料的颜料组份，它的粘度随时间的变化如下图所示：可以看出，颜料组份的粘度随时间变化不明显，说明颜料组份的稳定性较好，可以较长时间的存放备用。

图4—6存放时间对颜料红的粘度对影响

3）  存放时间对分散相粘度的影响

    颜料红分散相是在颜料红组份中加入乳液和增粘剂制备而成的，下面以颜料红分散相为例，测量分散相粘度随时间的变化：

         图4—7存放时间对分散相粘度的影响

    从上表可以看出，颜料红分散相随着时间的变化粘度从Ku=95迅速下降到Ku=65，二十天以后粘度基本趋于平稳。这说明分散相是多彩涂料体系中粘度变化最迅速的部分。它的使用时间需要严格控制，才能保证多彩涂料的有效成粒和整个体系的稳定。是多彩涂料制备中最重要的一环，因为它直接关系着多彩涂料中最重要的色粒的状态和性能。

3.  对多彩涂料各组份粘度的要求

    根据前面对于多彩涂料各组份粘度的研究，为了在以下的实验中有更明确的标准，对其粘度进行准确的控制，对制备过程中使用的各组份规定了下面的粘度要求。(使用QNZ型斯托默粘度计，测量范围Ku∈[53，141]。)

    为保持分散相与分散介质之间有较大的粘度差，以便于色粒的形成；又由于颜料组份的粘度直接影响分散相的粘度，为使分散相达到较高的粘度必须控制颜料组份达到更高的粘度；规定粘度范围如下：

颜料组份    Ku∈[120，130]

分散相       Ku∈[90，lOO]

分散介质     Ku<60

    通过图4-3的数据分析，又考虑到斯托默粘度计的工作原理是在200r／min的条件下测得的粘度，每次测量都对颜料组份有搅拌再分散的作用，为了保证颜料组份严格在规定的粘度下被使用，因此保守的把颜料组份的储存期限规定为两周。

由于图4-5中反映出分散相粘度随时间迅速降低的趋势，和为了满足粘度梯度对分散相的粘度要求Ku∈[90，100]，所以分散相仅前三天的粘度为可用范围。又由于分散相基本为一个涂料组份，而涂料一般制备出来放置24小时后达到比较稳定的状态，因此规定分散相制备出来放置一天后使用，以保持其最佳的成粒效果。

从图3-1可以看出，虽然分散介质的粘度波动较大，但其粘度都远远低于Ku=60(负荷为95g)时的粘度，甚至低于此粘度计的测量范围Ku=53，说明这两种分散介质都能满足对它们的粘度要求。

其它因素对多彩涂料的影响

1.  助剂对多彩涂料的影响

    水性涂料体系需要加入一些必要的助剂，以提高其流变性、分散性、抗菌性等各种性能。其中，消泡剂和增塑剂对色粒形状和稳定性均有影响。

    1）  消泡剂对多彩涂料的影响

    乳液在搅拌过程中容易产生气泡，而分散相的粘度又较高使气泡形成后不容易消失，因此需要在分散相的制各过程中添加一定量的消泡剂。

    本文比较了两种常用的消泡剂N和磷酸三丁酯．实验表明：加入磷酸三丁酯会使多彩涂料体系的粘度迅速增加。涂料中的色粒的第二天即产生粘结，第三天涂料已不能流动，并且分层色粒在上面。消泡剂N没有这样迅速增稠的表现，所以选用N为此多彩涂料体系消泡。

    通过对消泡剂N不同加入量(在分散相的质量分数分别为0．5％、1%、2.0%、3.5％、和5％)的比较发现：消泡剂N能够消泡但并不完全，而且随着消泡剂用量的增加消泡的效果也彻底的改善。考虑到消泡剂添加较多时，对涂料的成膜也有不利的影响，因此本实验把消泡剂N的用量确定在1．O％。再通过比如剪切速率的控制，尽量消除色粒中可能存在的气泡缺陷，多彩涂料达到良好的消泡状态。

图5-1 消泡剂对多彩涂料的影响：(A)不添加消泡剂；(B)添加适量消泡剂

2）增塑剂对多彩涂料的影响

    增塑剂的主要作用是削弱聚合物分子之间的次价健，即范德华力，从而增加了聚合物分子链的移动性，降低了聚合物分子链的结晶性，即增加了聚合物的塑性，表现为聚合物的硬度、模量、软化温度和脆化温度下降，而伸长率、曲挠性和柔韧性提高。因此，加入增塑剂可以提高色粒的弹性，使色粒在分散介质中容易变形，有利于多彩涂料的施工和成膜。

2.   清漆的加入对多彩涂料的影响

    多彩涂料的基本配方中，也就是分散介质部分是没有成膜物质的。为了制备出多彩涂料的成品，需要在色粒制各后，在基本配方中加入一定量的清漆或色漆作为分散相的成膜物质，而且可以为多彩涂料提供需要的底色。为了方便研究，在此以清漆为例进行讨论。

1）  清漆的种类对多彩涂料的影响

    清漆是由乳液和少量的成膜助剂、消泡剂组成的。由于它的主要组份是乳液，所以下主要对乳液进行讨论。

    纯丙乳液与自制的聚丙烯酸酯一硅溶胶复合乳液的对比实验如下：

            表5-1乳液对成粒的影响

    从上表可以看出，由于不同种类的乳液密度很可能是不同的，所以在使用时应根据所选择的不同乳液，来调节颜料组份中颜填料的用量，以期使色粒在体系中达到均匀分布的状态，从而得到更好的开罐效应。而且不同种类的乳液对体系粘度的影响也可能是不同的，下面以纯丙乳液为例研究解决这一问题的办法。

2） 清漆的用量对多彩涂料的影响

    乳液如果直接与色粒组份相混，体系粘度会迅速增加，在加水也很难完全稀释开，甚至会破坏色粒。因此，需要先把乳液加入助剂混合均匀制备成清漆，再取适量清漆用一定量的水稀释后，才能与色粒组份混合。下面足按不同比例作的一组实验：

表  5-2乳液对牯度的影响

从上表可以很容易的看出，髓着水加入量的增加体系的粘结速度越来越慢。但乳液关系到涂料成膜的性能，色粒的用量关系到多彩涂料喷涂后的直观效果，需要根据具体的要求，权衡备组份的影响，才能确定最后的配方。

本实验选用的是水性涂料中常用的纯丙烯酸乳液，由于它优异而全面的性能能够满足本实验的要求。它耐水性好，遇碱不易水解，具有高的原始光泽，优良的保光、保色性及户外耐久性，良好的抗污性、耐碱性及耐擦洗性。

3.  工艺条件对多彩涂料的影响

1） 剪切速率对多彩涂料的影响

    依靠搅拌器的剪切力，把各种颜色的分散相在分散介质中剪切成各种颜色粒子，因此随着剪切速率的提高，色粒会被分散的越来越小。因此对剪切速率的控制是非常重要的，它直接影响色粒的大小。而且不同的搅拌桨形状会产生不同的剪切方式，由此形成的色粒形状也发生改变。

   图5-2剪切速率对多彩涂料的影响：A)是高剪切速率下的色粒；(B)是低剪切速率下的色粒

    图5-3剪切方式对多彩涂料的影响：(A)使用分散机制备的色粒；(B)使用搅拌器制备的色粒

2)搅拌时间对色粒的影响

    搅拌的时间过长会使一些色粒分散的太小，逐渐溶于分散介质中而出现渗色现象。一般在实验室条件下，一公斤之内的样品，乳液全部加入后分散五分钟即可。效果类似于剪切速率的影响。

4  多彩涂料的性能的检测

表5-3多彩涂料的性能指标  

结论

    通过以上对影响多彩涂料性能的各种因素的分析，得到如下结论：

    1．利用保护胶体和增粘剂复配使用，提高了多彩涂料中色粒的清晰度和稳定性，对色粒的大小、形状、强度等性能都能够进行有效的调控。因此，增加了多彩涂料的涂刷效果，扩大了多彩涂料的使用范围。

    2．在分散介质中，选用钠基增粘剂能起到好的成粒效果。选用焦磷酸钠能最有效的降低分散介质的粘度；它作为无机分散剂，是通过降低增粘剂在水中的粒径，从而起到降低分散介质粘度的作用。焦磷酸钠用量可改变的范围也是最宽的，这更有助于在制备中准确调节色粒的大小等性能。

    3．在分散相中，非离子保护胶体有利于颜料组份的稳定和对其粘度的提高。颜填料的选用需要根据种类的不同，选择其在分散相中的不同用量，以达到最佳效果。其中有机颜料对多彩涂料的增稠效果明显高于无机颜料。

    4．为了便于生产工艺的控制，规定了多彩涂料制备过程中各组份的粘度范围如下：颜料组份为Ku∈[120，130]，分散相为Ku∈[90，100]，分散介质为Ku<60。以上各组份在制备后至使用前均需满足规定的粘度范围。

    5．剪切速率高、搅拌时间长会使色粒减小，反之产生可大色粒；由搅拌器的不同而引起剪切方式的改变，可改变色粒的形状。助剂对多彩涂料体系也有影响：增塑剂可色粒的弹性，消泡剂种类的不同对体系的粘度也有显著的影响。

    6．多彩涂料的最佳配比：分散相占35％，分散介质占35％，清漆／色漆占30％。其中分散相的用量可在0-40％之间调节，分散介质和漆料做出相应调节。