水性多彩涂料的發(fā)展概況及常見問題解決方法

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    0 前言

水性多彩涂料是一種應(yīng)用創(chuàng)新的膠體技術(shù)和全新的色彩理念制備的新型環(huán)保型建筑涂料。與普通乳膠漆的生產(chǎn)技術(shù)有所不同，水性多彩涂料的生產(chǎn)技術(shù)包括“設(shè)計(jì)”和“制備”2個(gè)部分，其中的“設(shè)計(jì)”又包括了花紋圖案設(shè)計(jì)和涂料配方設(shè)計(jì)2 個(gè)方面：花紋圖案設(shè)計(jì)可以為個(gè)性化設(shè)計(jì)，也可以對天然花崗石、大理石等花紋和色彩進(jìn)行模仿，完全突破了涂料傳統(tǒng)的調(diào)色理念，引入了繪畫和攝影對色彩的處理效果，運(yùn)用色彩間的浸潤效果、色彩的深淺反差效果及半透明的景深效果，得到一個(gè)抽象畫面的創(chuàng)作空間，可以與裝飾建筑物的創(chuàng)意主題相匹配，充分發(fā)揮其裝飾藝術(shù)效果；而生產(chǎn)配方的設(shè)計(jì)必須依據(jù)花紋圖案的設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行不同色彩、不同大小和不同用量的配比設(shè)計(jì)和工藝技術(shù)路線設(shè)計(jì)。

按設(shè)計(jì)要求制備的水性多彩涂料具有穩(wěn)固、大小不同的色粒組合形態(tài)，經(jīng)一次噴涂于乳膠色漆或真石漆表面，即可獲得外觀極具藝術(shù)感的多彩花紋涂層，或具有仿天然花崗石、壁紙等高檔裝飾材料高雅大氣的紋理和色彩，或具有超越自然和回歸自然的個(gè)性化圖案，可適應(yīng)和滿足建筑設(shè)計(jì)個(gè)性化發(fā)展的需要，近年來水性多彩涂料獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。尤其是與天然石材和飾面磚相比，因其具有質(zhì)輕、施工方便和性價(jià)比高等特點(diǎn)，非常適合用作外墻外保溫系統(tǒng)的飾面材料。

1 多彩涂料的組成及分類

多彩涂料通常由分散相和連續(xù)相（分散介質(zhì)）組成，其中連續(xù)相的黏度較低，干燥后呈透明狀，而分散相中含有著色顏料等，黏度較高。在攪拌作用下，不同色彩的分散相分別被分散到連續(xù)相中形成珠�；蚣�(xì)小條粒，然后按比例混合形成多彩涂料。也可一次性將不同顏色的分散相分散到連續(xù)相中形成多彩涂料。根據(jù)兩相不同的組成結(jié)構(gòu)，多彩涂料可以分為以下4 類：

（1）水包油型（O/W）

連續(xù)相為水相，系合成樹脂乳液、甲基纖維素水溶液等；分散相為油相，成膜物質(zhì)為硝基纖維素、改性醇酸樹脂等，加入顏填料及助劑，含較多有機(jī)溶劑。

（2）油包水型（W/O）

連續(xù)相為油相，為耐堿性的氯乙烯樹脂漆、丙烯酸樹脂漆等；分散相為水相，由高黏度的各種合成樹脂漆制成。

（3）油包油型（O/O）

連續(xù)相和分散相均為油相，但溶劑互不相溶，主要適用于金屬的涂裝，存在溶劑型涂料不安全、不環(huán)保的缺點(diǎn)。

（4）水包水型（W/W）

水包水型多彩涂料即水性多彩涂料，是在水性乳膠漆（分散介質(zhì)）中加入可凝膠化的水性彩色基礎(chǔ)乳膠漆（分散相）分散而成。兩相混合時(shí)即在粒子的接觸表面產(chǎn)生凝膠化，形成一層不溶于水的柔性膜。

水包油（O/W）及油包水（W/O）型多彩涂料曾在20 世紀(jì)80 年代風(fēng)靡一時(shí)，但因其使用較多有機(jī)溶劑而存在環(huán)保及安全隱患問題，并且還存在凝膠粒子只能為球狀、粒子尺寸小（直徑不大于2 mm）以及貯存穩(wěn)定性差等問題，已逐漸淡出市場。而水性多彩建筑涂料以其環(huán)保性及高裝飾性越來越受到廣大消費(fèi)者的青睞，現(xiàn)已成為多彩涂料發(fā)展的主流，也是本文探討的重點(diǎn)。

2 水性多彩涂料的基本原理和生產(chǎn)工藝流程

2.1 基本原理

水性多彩涂料是由分散介質(zhì)包裹著水性乳膠涂料（即分散相）小滴所形成的多相懸浮體系。“小滴”指的是將分散相加入分散介質(zhì)時(shí)通過攪拌剪切作用而得到的凝膠彩粒。要實(shí)現(xiàn)這種“水包水”（W/W）的懸浮體，就必須在把水性乳膠涂料分散于保護(hù)膠水溶液中的瞬間，在涂料滴的表面形成一層不溶于水的柔性膜，這層柔性膜除了能阻止膜內(nèi)涂料組份及膜外的保護(hù)膠液組份間互相擴(kuò)散外，還防止顏料滴之間發(fā)生聚集、凝結(jié)。這層柔性膜的形成原理如圖1 所示。

水性多彩涂料噴涂施工后，起先濕膜中的涂料滴仍保持在水相中的懸浮狀態(tài)，隨著涂膜中水分的揮發(fā)，涂料滴相互堆砌、融合，最終形成牢固的多彩花紋涂膜。

2.2 生產(chǎn)工藝流程

水性多彩涂料是一種W/W 型多相懸浮體，它是在彩色基礎(chǔ)乳膠漆（分散相）加入水性凝膠體中（連續(xù)相）的瞬間，在基礎(chǔ)漆液滴表面產(chǎn)生凝膠化，形成一層不溶于水的柔性膜，成為互相隔離的彩粒懸浮體，將幾種彩色粒子懸浮體加入水性彈性清漆中經(jīng)低速混合均勻，即成為水性多彩涂料。其生產(chǎn)工藝流程見圖2。

3 水性多彩涂料的國內(nèi)外研究進(jìn)展

3.1 國外研究進(jìn)展

20 世紀(jì)60 年代，多彩涂料發(fā)展較快，這應(yīng)歸功于ZolaJohn C 的工作，他對多彩涂料制備方法及原理進(jìn)行了深入的研究，并申請了多項(xiàng)專利。含有親水膠體的顏料與不溶性介質(zhì)反應(yīng)制得不溶于周圍分散介質(zhì)的彩色水合凝膠狀沉淀物，在不溶介質(zhì)中含的不溶性試劑如Ca、Al 陽離子、硼酸鹽等，具有非膠態(tài)性。這種反應(yīng)物制得的彩色凝膠在涂膜強(qiáng)度方面存在著局限性，不適應(yīng)滾涂和刷涂，并且組份中水含量超過臨界值時(shí)，會帶來穩(wěn)定性問題。1983 年Zola John C 又在專利（US4376654）中公開了利用相反電荷的2 種離子膠體反應(yīng)制備彩色凝膠沉淀物，形成條紋狀幾何形狀的多彩涂料，這種方法制備的彩色凝膠沉淀物雖然可以滾涂或刷涂，但穩(wěn)定性比利用金屬陽離子的方法制備的彩色凝膠沉淀物更加難控制。

20世紀(jì)90年代，隨著研究的深入，CERVELLATI GIANFRANCO和MEAZZA ANGELO LUIGI在Zola John C 的基礎(chǔ)上，利用改性后的成膜物制備了水性多彩涂料，能滿足滾涂和刷涂要求，但仍存在離子含量低的情況下穩(wěn)定性差的問題。Rossetti Edoardo 申請了多項(xiàng)專利，公開了利用彩色膠體與Al離子反應(yīng)制備水性多彩涂料的方法，制備的水性多彩涂料具有較好的穩(wěn)定性，并適用于刷涂。通過控制Al 離子濃度能獲得大量且膠體較為堅(jiān)硬的非水合彩色沉淀物，受到擠壓仍能保持適宜的狀態(tài)。這種方法制備的多彩涂料在光滑表面上易流掛，因而不能直接在底材上使用。Bolloni Germano在1994 年公開的專利（US5340389）中詳細(xì)介紹了多彩涂料用保護(hù)膠的制備過程和在多彩涂料中的應(yīng)用，用其方法制備的保護(hù)膠，膠體更加穩(wěn)定，花紋效果更好。LYNCH JAMES F 和PREDKELISJOHN在1994 年和1996 年分別公開了專利US5314535 和US5480480，以聚氨酯為基體制備水包水多彩涂料的方法，其中連續(xù)相是利用聚氨酯聚合物、膠體黏土和水制備。利用膠體黏土制備水性多彩涂料又為多彩涂料的制備提供了一種新的方法。

至21 世紀(jì)，水性多彩涂料的研究仍然方興未艾，目標(biāo)多為具有一定功能性的水性多彩涂料，如Saito Yoshikatsu 申請了多項(xiàng)專利，公開了利用金屬氧化物包覆片狀硅制備多彩涂料，具有良好的耐候性和耐熱性能。此后，為了得到具有良好環(huán)境效果，GARUTI JR JOHNCALVO LOUIS于2011 年在專利（US2011229727）中公開了具有低VOC 的多彩涂料。日本關(guān)西涂料公司、SK公司也有多彩涂料方面的研究，公開了不少專利，更加注重提高涂料的花紋穩(wěn)定性、注重施工、環(huán)保等性能。

3.2 國內(nèi)研究進(jìn)展

國內(nèi)對水性多彩建筑涂料的研究始于20 世紀(jì)90 年代。要使水性多彩涂料成為“水包水”的多相懸浮體，就必須在水性乳膠涂料分散到保護(hù)膠水溶液中的瞬間，在涂料滴的表面形成一層不溶于水的柔性膜。關(guān)于如何獲得該層柔性膜的報(bào)道很多，在早期的配方中一般都引用少量高沸點(diǎn)有機(jī)溶劑。后來有的采用硼砂使粒子表面凝膠化，但不容易得到小的分散粒子。也有采用完全由帶不同電荷的A、B 2 個(gè)組份構(gòu)成。一種組份為陰離子型乳液，另一組份為陽離子型，陽離子的引入主要通過加入水溶性陽離子高分子物質(zhì)，如陽離子淀粉、陽離子型纖維素、陽離子型胍膠、特殊改性聚酰亞胺、陽離子化聚丙烯酰胺、聚乙烯基吡咯烷酮等，或者使用陽離子乳化劑穩(wěn)定的乳液。

吳自強(qiáng)采用2 種帶不同電荷的水性組成物相混合制備凝膠粒子，其中在帶陽離子的水性組成物中加入顏料調(diào)配不同的顏色，再將其加入到帶陰離子的水性組成物中，制得水性多彩涂料。馬利等要求所選擇的保護(hù)膜物要與水介質(zhì)中涂料液滴（彩粒）表面的電性相反，使其能吸附在彩粒表面，形成極性基朝向彩粒表面，非極性基朝向分散介質(zhì)（連續(xù)相）的定向排列保護(hù)膜。王惠明和錢懷研究發(fā)現(xiàn)，水性多彩涂料制備成功的關(guān)鍵在于尋找一對物質(zhì)，它們能使含有顏料、成膜物質(zhì)等的水性分散相與相應(yīng)的水性分散介質(zhì)互不混溶，即這一對物質(zhì)構(gòu)成所謂的不溶體系。這個(gè)不溶體系中，在分散相中的物質(zhì)通常稱之為“親水凝膠”，在連續(xù)相中的物質(zhì)稱為不溶劑。何聲太和羅作球闡述了多彩涂料中交聯(lián)劑和分散劑的選擇和使用調(diào)整，保證涂料色粒均勻穩(wěn)定。其中交聯(lián)劑選用鋁鹽，分散劑用六偏磷酸鈉和多聚磷酸鈉等。

進(jìn)入21世紀(jì)后，許多相關(guān)機(jī)構(gòu)和科研人員對水性多彩建筑涂料的研究進(jìn)一步深入，生產(chǎn)和應(yīng)用技術(shù)不斷完善，市場份額不斷擴(kuò)大。上海涂料有限公司采用創(chuàng)新的膠體技術(shù)和全新的色彩理念開發(fā)出了一種既具有高品質(zhì)乳膠涂料的優(yōu)點(diǎn)，又具有大理石和花崗石等材質(zhì)高雅大氣的裝飾效果且施工方便的全水性多彩外墻涂料。該產(chǎn)品具有高耐候性、高彈性抗裂紋、高抗沾污、高耐洗刷、高自潔效果和高性價(jià)比，能夠模仿天然花崗石，制作的0.5 m2樣板與天然花崗石放在一起，在3m 外觀察已難辨真假。其部分產(chǎn)品的施工效果見圖3。

胡群義等根據(jù)高分子材料的凝膠特性，在已分散的色漆顆粒表面形成一層柔軟的保護(hù)膜，從而阻止其二次凝聚，解決了彩粒在水性多彩藝術(shù)涂料中的穩(wěn)定性問題。通過選擇合適的助劑和控制分散相的合理工藝參數(shù)，使水性多彩藝術(shù)涂料施工性和圖案設(shè)計(jì)達(dá)到完美的統(tǒng)一。唐瑛和劉琳對水性多彩涂料在實(shí)際應(yīng)用中的運(yùn)輸穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。張道銀等以丙烯酸彈性乳液和硅丙乳液為基料，通過對保護(hù)膠及降黏劑的選擇使用，分析了不同保護(hù)膠、降黏劑所制備的分散介質(zhì)對水包水多彩涂料的影響。當(dāng)使用鈉基蒙脫石作保護(hù)膠、三聚磷酸鈉作降黏劑，添加量分別為5%、0.5%配制分散介質(zhì)時(shí)，所得的水包水多彩涂料具有良好的穩(wěn)定性。施君等選用氟硅乳液作為仿花崗巖水性多彩涂料為基料，通過選擇合適的保護(hù)膠體和潤濕劑來控制分散相的合理工藝參數(shù)，解決了仿花崗巖水包水多彩涂料研制過程中的各種彩色粒子的滲色和分散穩(wěn)定性，解決了貯存過程中的后增稠現(xiàn)象，制備的水性多彩涂料具有優(yōu)良的耐候性和耐沾污性。

近年來，中國專利中有關(guān)水性多彩涂料的申請量越來越多，其中包括不少外國公司在中國申請的專利，如日本SK 化研株式會社石田芳一等[20]申請的專利。將含有水性樹脂、顏料和水的水性涂料混合在水存在下可反應(yīng)的反應(yīng)性化合物而使水性涂料凝膠化，該凝膠物分散在透明涂料中制得扁平的著色粒子。

中國專利中更多的是國內(nèi)涂料生產(chǎn)企業(yè)和科研單位申請的相關(guān)專利，如上海市涂料研究所申請的2 項(xiàng)專利，分別采用不同的方法制得全水性多彩內(nèi)外墻涂料，如采用帶不同電荷的2 種組份與親水膠體一起形成多彩凝膠粒子，或者在涂料中引入多糖衍生物，通過與表面活性劑發(fā)生親油締合和電荷相互作用，從而形成花紋大小不一、色彩各異、性能優(yōu)良的多彩涂料。

4 存在問題及解決方法

雖然目前水性多彩涂料的應(yīng)用已經(jīng)較為廣泛，但是從產(chǎn)品的成熟度來評價(jià)還存在一定差距。由于水性多彩涂料為水包水型（W/W）多相懸浮體系，制備方法精細(xì)、復(fù)雜、周期長，涉及溶膠、凝膠、懸浮、觸變、穩(wěn)定等多領(lǐng)域理論，及色漿、乳膠漆、凝膠液、彩粒懸浮體、彈性清漆、多彩涂料合成等多道生產(chǎn)配方和生產(chǎn)工藝。因此制備難度較大，每個(gè)環(huán)節(jié)的控制要求比較嚴(yán)格，否則，多彩涂料在生產(chǎn)、貯存、施工過程中容易出現(xiàn)很多問題，難以保證不同批次間的穩(wěn)定性、重復(fù)性，影響施工效果的，因此，產(chǎn)品的穩(wěn)定性至關(guān)重要。水性多彩涂料生產(chǎn)和應(yīng)用過程中的常見問題及其解決方法如下：

（1）多彩粒子滲色，分散相粒子膠連成團(tuán)，不再呈分散狀態(tài)。多彩粒子的滲色造成分散相中顏料越過保護(hù)膜進(jìn)入到連續(xù)相中，連續(xù)相變混濁，施工后不同顏色粒子之間邊緣不再清晰，底色顏色改變，多彩裝飾效果大受影響。分散相粒子不穩(wěn)定，自身有相互聚合的趨勢，貯存一段時(shí)間后聚結(jié)成團(tuán)，粒子相互分離互不相溶的狀態(tài)發(fā)生改變。造成這種現(xiàn)象的原因一般在于粒子保護(hù)膜太柔軟，強(qiáng)度不夠，或者保護(hù)膜的制備方法不合適，顏料易于從保護(hù)膜中滲出。為了使一定形狀與大小的彩粒在涂料體系中保持長期穩(wěn)定，達(dá)到不粘連、不破碎、不混色，保護(hù)膠的種類和凝膠溶液的濃度對多彩涂料的穩(wěn)定性至關(guān)重要，必須選用與涂料體系相匹配的保護(hù)膠種類及濃度。在相同的剪切速率下，當(dāng)凝膠濃度低時(shí)，形成的彩粒比較小，也比較軟；反之，當(dāng)凝膠濃度較高時(shí)，形成的彩粒比較大，也比較硬，貯存穩(wěn)定性更好。但凝膠濃度也不能太高，否則粒子表面過硬，噴涂成膜明顯凹凸不平，手感粗燥。應(yīng)該選擇適宜的凝膠濃度，以克服滲色與混濁現(xiàn)象。

（2）多彩粒子浮層或沉底。分散相與連續(xù)相的密度、黏度相差太大，若分散相密度過大，粒子容易下沉；若分散相密度過小，粒子容易上浮，形成分散相與連續(xù)相分層現(xiàn)象。應(yīng)根據(jù)分散相與連續(xù)相的密度及之間的差值進(jìn)行控制，同時(shí)也可以在連續(xù)相中添加無機(jī)或有機(jī)的增稠劑，提高連續(xù)相對多彩粒子的承載能力。

（3）多彩粒子變小，被擠壓破碎。粒子在貯存運(yùn)輸過程中互相擠壓，首先使粒子發(fā)生變形，變形到一定程度后突破粒子的表面張力，粒子就會破碎變成細(xì)散末狀小點(diǎn)，或者因?yàn)榱Ｗ又�間的擠壓力加速了粒子之問相互滲透，造成粒子的邊緣逐漸模糊，粒子之間串漿。這種問題與粒子的強(qiáng)度有關(guān)系，分散相內(nèi)部各元素如果能夠較強(qiáng)地交聯(lián)在一起，就不會輕易被外力打散開或打碎。出現(xiàn)這種問題時(shí)應(yīng)該找出分散相中交聯(lián)比較弱的因素并加以改進(jìn)。

（4）多彩粒子過大，影響施工及涂膜外觀。粒子交聯(lián)凝膠度過大，缺乏黏彈性，無法噴涂施工，且施工成膜后表面過分凸起，粗糙不平。解決方法在于控制粒子的交聯(lián)度及粒子強(qiáng)度。

（5）涂層光澤低。水性多彩涂料往往涂膜光澤比較低，原因是多彩涂料大多使用纖維素類的增稠劑，此類增稠劑具有明顯的消光作用，如果不涂裝罩面清漆，表面的光澤較低。在光澤要求較高時(shí)，可以將增稠劑作表面處理，或者用聚合物增稠劑替代部分纖維素增稠劑，可以使光澤度有所提高。

解決上述問題須采用系統(tǒng)性、綜合性解決方案，按照色漿是前提、色漆是基礎(chǔ)、凝膠是關(guān)鍵、工藝是條件、施工是保證的宗旨，層層把關(guān)、科學(xué)選材、精細(xì)加工、綜合治理，才能克服水性多彩涂料產(chǎn)品的各個(gè)批次間存在有色顆粒顏色偏差較大，造粒均勻度、一致性較差，噴涂均勻度差等不穩(wěn)定的現(xiàn)象。張道銀和陳燕等研究了分散相和分散介質(zhì)對水性多彩涂料穩(wěn)定性的影響。通過對保護(hù)膠及降黏劑的選擇使用，分析了不同保護(hù)膠、降黏劑所制備的分散介質(zhì)對水包水多彩涂料的影響。當(dāng)使用鈉基蒙脫石作保護(hù)膠，三聚磷酸鈉作降黏劑，添加量分別為5%、0.5%配制分散介質(zhì)時(shí)，所得的水包水多彩涂料具有良好的穩(wěn)定性[18]。運(yùn)用控制變量法，分析了分散相中HEC、保護(hù)膠溶液、增稠劑等不同摻量對水性多彩涂料凝膠彩粒成粒效果的影響，結(jié)果表明，當(dāng)選用彈性乳液，纖維素?fù)搅?/font>1%，保護(hù)膠溶液摻量3%配制分散相時(shí)，制備所得的水性多彩涂料的凝膠彩粒有良好的穩(wěn)定性，不易滲色。