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涂料用矿物填料的功能和应用特性总结

放大字体  缩小字体 发布日期:2017-07-20  来源:粉体技术网  浏览次数:3234
 史上最全的涂料用矿物填料的功能和应用特性总结
1、概述
       涂料是一种呈现流动状态或可液化之固体粉末状态或厚浆状态的,能均匀涂覆并且能牢固地附着在被涂物体表面,并对被涂物体起到装饰作用、保护作用及特殊作用,或几种作用兼而有之的成膜物质。
       涂料产品除油漆之外,还包括了利用各种合成树脂、乳液等为主要原料生产的溶剂型涂料、乳胶型涂料、水溶性涂料、粉末状涂料等。
       涂料中的无机填料又称体质颜料,有时也称颜料增量剂,可分为非功能性填料和功能性填料。前者主要起增量作用,以降低涂料的原材料成本;后者除具有增量作用外,还具有改进涂料或涂膜的某些性能的功能,如控制流变性、改进附着力、控制光泽、提高遮盖力、防止腐蚀和优化颜料积浓度等。
       涂料是无机填料的主要用户之一,目前世界上涂料产量约2300万吨/年,共消费填料约600万吨/年。我国已成为世界上的涂料生产大国之一,目前生产的涂料约300万吨/年,大约消耗无机填料80万~100万吨/年。

2、填料在涂料中的功能和要求
       涂料中的填料(体质颜料),通常是白色或稍带颜色的,折射率小于1.7的一类颜料。它具有涂料用颜料的基本物理和化学性能,但由于折射率与成膜物质相近,因而在涂料中是透明的,不具有着色颜料的着色力和遮盖能力,是涂料中不可缺少的一种颜料。由于填料绝大多数来自天然矿石加工产品,其化学稳定、耐磨、耐水等特性好,且价格低廉,在涂料中起骨架作用。通过填充增加涂膜的厚度,改善涂膜力学性能,并能起耐久、防腐蚀、隔热、消光等作用。另一方面把它作为降低涂料制造成本的一种途径,利用其价廉、价格远远低于彩颜料,在满足漆膜遮盖力的前提下,适当添加体质颜料来补充彩色颜料在漆中应有的体积。
       涂料中使用填料,降低成本不是唯一作用。填料所起的主要作用与功能是:
       1)在涂料中起骨架、填充作用,增加漆膜厚度,使漆膜丰满坚实;
       2)调节涂料的流变性能,如增稠、防沉淀等;
       3)改善漆膜的机械强度,如提高耐磨性和耐久性;
       4)调节涂料的光学性能,改变涂膜的外观,如消光等;
       5)成膜物质发生化学反应,使之成一个整体,使涂膜能有效地阻挡光线的穿透,提高其耐水性和耐候性,延长涂膜的使用寿命;
       6)作为涂料中的填充剂,减少树脂用量,降低生产成本;
       7)对涂膜的化学性能起辅助作用,如增强防锈、抗湿、阻燃性等。
       8)不同的涂料品种和等级对填料的技术要求是不一样的,但对涂料用填料的一般要求如下。
       9)白度应高,特别是在对涂膜颜色要求很高的涂料中,白度一般要求在90%以上。
       10)易分散,这不仅有利于降低涂料生产时研磨分散的能耗和时间,更重要的是有利于涂料性能的发挥,因为填料和颜料的分散好坏,对涂膜性能(光泽、颜色、耐久性等)有直接的影响。
       11)要有较低的吸油性,吸油值低才能提高涂料的临界颜料体积浓度(CPVC),节约树脂基料,才能适应符合环保要求的现代高固体分涂料的要求,才能制备出含量更高的预分散填料浆,才能与吸油值日趋降低的颜料(特别是钛白粉)相配套。涂料常用非金属矿物填料的吸油值如表1.1所示。
表1.1涂料常用非金属矿物填料的吸油值/(g/100g)
       12)应当有确定的粒度和窄的粒度分布,筛余物应尽可能低,现在涂料要求填料在许多应用领域里具有微细化甚至超细化的粒径,这样才能发挥它在涂料中的空间位隔作用,使涂膜中的颜料粒子均匀分布,从而最大限度地发挥颜料的遮盖(如钛白粉)、着色(如彩色颜料)和防锈(如防锈颜料)等潜力,起到部分替代颜料的作用。
       13)能使涂料具有良好的流变性(流动性、流平性、悬浮性、增稠性等),使涂料在储存时不沉淀,便于施工成膜,形成光滑平整的涂膜。
       14)应与涂料中的基料、颜料和其他添加剂有良好的相容性但同时也应有一定的惰性,不与上述成分发生化学反应。
       15)具有适宜的比表面积,因为它影响着涂料的黏度、流变性、分散稳定性、沉降性和吸油量等。
       16)具有确定的粒子形状和晶体形态,使涂料具有确定的折射率等光学性能和保证填料在涂料中应有的功能。

3、涂料中常用的填料类型
    涂料中常用的填料有碳酸钙(重钙、轻钙)、重晶石粉(硫酸钡)、滑石粉、高岭土(瓷土地)、多孔粉石英(二氧化硅)、白碳黑、沉淀硫酸钡、云母粉、硅灰石、膨润土等。
1)碳酸钙
        碳酸钙是涂料用最主要的填料(体质颜料)
涂料用碳酸钙的分类
       按特性分类涂料用碳酸钙按特性主要分轻质碳酸钙和重质碳酸钙。轻质碳酸钙和重质碳酸钙。轻质碳酸钙(沉淀碳酸钙)分普通沉淀碳酸钙、微细碳酸钙、超细碳酸钙、活性碳酸钙;重质碳酸钙(天然产品)分重质碳酸钙、重质微细碳酸钙、重质活性碳酸钙。
       按结晶形态分类沉淀碳酸钙改变工艺、控制结晶,可以得到立方晶系、针状结晶、纺锤形结晶、链状结晶等微细碳酸钙晶体。
       按晶体颗粒大小分类沉淀碳酸钙按晶体大小可以分为:微粒碳酸钙(平均粒径44~60um);中粒碳酸钙(平均粒径15~44um);微细碳酸钙(平均粒径1~15um);超细碳酸钙(0.1~1um);超微碳酸钙(<0.1um)。
       重质碳酸钙产品按粉末细度粒级分为单飞粉(细度粒级200目)、双飞粉(细度粒级325目)和四飞粉(细度粒级400目);超细碳酸钙(细度粒级1250目)。
碳酸钙在涂料中的应用
       碳酸钙是涂料生产中重要的填充剂。碳酸钙在漆膜中起骨架和底材(钢板、木质)的填平作用,增强漆膜沉积性和渗透性。尤其用于金属防锈底漆中,它与金属表面形成氢键,增加其漆膜附着力,并可吸收氢离子以阻止金属形成微电池的腐蚀倾向。另外,碳酸钙的面朝候性好,具有耐磨损、低电解液含量、PH值稳定效应、可提高耐腐蚀性能和涂料的流变性等。粗级别碳酸钙限用于腻子、填孔化合物、金属的底漆及其他产物,它们需要高颜料量、流动性及粗的表面;中等粒级的碳酸钙用在建筑涂料及室内无光或半光漆上;细粒级的碳酸钙主要是沉淀碳酸钙,用于印刷油墨。
       重钙可用于各种内用、外用涂料中,最适宜在水性涂料中应用,由于耐酸性差,妨碍了它在外用涂料中的应用。在一般涂料中,重钙的加入量为10%~35%,在各种浮雕化涂料中含量高达50%。
       涂料工业采用重钙除用于增量外,主要用于部分取代钛白粉(一般为10%~20%,量大时为30%)和彩色颜料,取代轻钙和沉淀硫酸钡,防腐蚀以及部分取代防锈颜料。
       重钙用于室内建筑漆时,可单独使用或滑石粉并用。与滑石粉相比,碳酸钙可降低粉化速率,改善浅色漆的保色性和增加抗霉菌性。
       和重钙相比,轻钙具有小的粒径和窄的粒径分布范围、高的吸油量和亮度,轻钙可用在需求最大消光效果的地方。在半光、无光油漆和无光乳胶漆中较普遍将轻钙和重钙混合使用。

2)滑石粉
       滑石粉是溶剂型涂料中一种通用型填料,由于更细粒级别的滑石粉问世,使它进入了水性系统。目前在各种底漆、中间涂料、路标漆、工业涂料以及内外用建筑涂料中应用。由于滑石粉质地柔软和磨蚀性低,有良好的悬浮性和分散性,因而在我国涂料工业消费滑石粉填料的比重较大。
       片状结构的滑石粉具有优良的涂刷性、涂膜的流动性和平滑性、耐水性及磁漆珠不渗入性,主要用于底漆和中间涂料。纤维状滑石粉吸油量更高些,并且具有良好的流变性,可改善涂料的诸多性能,如防储存时沉降和涂刷时流挂、改进施工性能等。
       涂料工业用滑石粉有许多级别的产品,如普通粒度的滑石粉(-325目)、微细级(-20um和-10um)滑石粉、超细微级滑石粉(-5um)、化学预处理的滑石粉等,分别适用于各种特定的用途和目的。
       较粗粒级的滑石粉用于某些需要粗糙的漆膜中,如内墙底漆中间层和斑纹漆;超细级滑石粉用在控制半光磁漆的光泽、稠度和流挂;微细级和超微细级滑石粉除了能改进涂膜性能外,还具有空间位隔能力,可部分取代TiO2等颜料;化学预处理的滑石粉也可取代TiO2颜料。
       滑石粉的一个缺点是吸油量偏高,因此在需要低吸油量的场合,它必须与吸油量低的填料和重晶石粉配合。另外,滑石粉的耐磨性不高,在需要高耐磨性的场合,要加入其他的填料加以弥补。含有其他非金属矿物的滑石粉,因杂质矿物易与酸(如酸雨)反应,故不适合于要求高耐候性的外用涂料中。工业滑石粉因含有有色杂质而白度下降,因而对填料明度要求很高的场合,一般不用滑石粉作填料。滑石粉具有消光性,故它一般不用于高光泽涂料中。

3)高岭土
       高岭土是国外涂料工业广泛采用的填料之一。以美国用量为最大,近年为30万吨/年左右,其中煅烧高岭土为10万吨/年以上。
       常见用于涂料的高岭土包括超细高岭土、煅烧高岭土、活性高岭土(经表面改性处理)等。高岭土可用于各种涂料中,但以水性建筑涂料为主,特别是内用乳胶漆,由于高岭土在水基性涂料中具有较好的遮盖力,从而能部分替代钛白粉颜料。超细高岭土可部分替代钛白粉,约代用钛白粉量的10%左右,可降低漆的成本,而对漆的光泽、遮盖力,储存稳定性影响不大。煅烧高岭土折射率由原来1.56提高到1.62,弥补了原遮盖力和白度的不足。另外煅烧高岭土能提高涂料的不透明性和涂膜的牢固性,比未煅烧土更具有耐洗刷性和抗粉化性。煅烧高岭土代替部分钛白粉在公路标线漆、粉末涂料、建筑外用乳胶漆等得到了一定应用。在外墙涂料中超细高岭土和煅烧高岭土可代替15%~20%的钛白粉。在溶剂稀释漆中某些高岭土表现出较差的悬浮性,但经表面改性处理过的煅烧高岭土可克服这些缺点。

4)二氧化硅
       多孔粉石英(主要成份SiO2)
       多孔粉石英属于一种火山灰沉积岩。该产品自然粒径细(0.5μm左右),颗粒分布均匀,比表面积大(8.3m2/g),外形结构近似球型无棱角状。以电子显微镜图象看,其表面全是纳米级的介孔,平均孔径约为8.8nm(纳米)。
       多孔粉石英表面含有一定数量的羟基(-OH)-硅醇。作为极性官能团,用于粉末涂料中有助于提高产品的附着力和粘结性。另一方面,由于羟基的存在,更容易通过偶联剂表面处理,增加其交联、补强的作用,增加产品的物理力学性能又可提高涂膜的拉伸强度。
       多孔粉石英中含有Zro2,二氧化锆性质稳定,硬度高,加上多孔粉石英的多孔结构使得涂料有较好的硬度表现,和抗冲击的性能。
       多孔粉石英属于二氧化硅体系一种,使用的安全性被认可,已广泛用于粉末涂料、建筑外墙涂料,厚质拉毛涂料、防火涂料、防水涂料、环保涂料、防腐涂料等,廉价的多孔粉石英可以降低粉末涂料的成本,同时替代硫酸钡以减少产品中可溶性钡的含量,达到环保要求。
       天然多孔粉石英在涂料中主要起增量和半补强作用,可用于各种涂料和建筑涂料,特别是底漆和中间涂料,细粒晶体SiO2在环氧和聚酚粉末涂料中可取代高达50%的TiO2。
       天然多孔粉石英由于它是多孔、高孔隙率的结构,具有各种不同的粒子形状和结构特征,再加有有极好的吸油量(19~25g/100g),不规则的结构和吸油量的结合产生非常好的消光效果、高的增稠能力和好的颜料悬浮性,涂料中用它作为消光剂。主要用于平光乳胶漆和清漆、底漆及某些混凝土涂料中,它还在涂料中作增加遮盖性颜料遮盖力的填料。
       白炭黑(或称轻质二氧化硅)由于比表面积大,热稳定性好可防止颜料沉淀,尤其在乳胶漆中使用,调整漆的有效黏度,改善漆膜流挂并起消光作用,对漆膜耐热稳定性好。
    气相二氧化硅是一种多功能体质颜料,又是性能优良的涂料流变控制剂。在液体涂料中,它的流变控制功能包括:增稠、触变、防流挂、覆盖边缘;在固体粉末涂料体系中,增进粉末的自由流动,防止结块和流体化。

5)硫酸钡
       用作涂料体质颜料的硫酸钡有天然和合成两种,天然产品称重晶石粉,合成产品称沉淀硫酸钡。
       硫酸钡外观为致密的白色粉末,是惰性物质,密度为4.5g/cm3,在体质颜料中最重,化学性质稳定,几乎不溶于水、乙醇和酸,在热硫酸中能溶,耐碱、耐光。杂质含量少的呈玻璃光泽,解理面呈珍珠光泽。重晶石粉的吸油量极低(6g/100g)。沉淀硫酸钡拥有优越的颜色及细的粒子。
    重晶石粉填料主要用于要求高涂膜强度、高填充力和高化学惰性的工业底漆和汽车中间涂料,也用于需要较高光泽的面漆中。在乳胶漆中,由于重晶石折射率高(1.637),微细重晶石粉可具有半透明性白色颜料的功能,可在涂料中取代部分钛白粉。

6)硅灰石
        硅灰石主要成分为偏硅酸钙(CaSiO3),具有似针状结构,且有好的亮度、折射率(1.62)和相对低的吸油量(20~26g/100g)。
        硅灰石在涂料中可作为体质颜料和代替部分白色颜料,起遮盖、增量作用,降低漆的成本。使白漆保持长久明亮的色调。
       针状结构的硅灰石(长径比为10:1~20:1),在涂料中可起平光剂的作用,改进涂膜机械强度,有时在增强性涂料中代替有害的石棉。涂料中一般多用较细粒级(如325目)和微细级(10um)硅灰石粉,因为有利于涂料遮盖力的发挥。可用于油性建筑涂料、吸声(隔声)涂料、路标漆、聚乙酸乙烯乳胶漆等。表面处理的硅灰石可用于工业醇酸、环氧等防腐蚀涂料中,提高金属底漆的防腐蚀性,并部分取代活性防锈颜料。

7)云母粉
       涂料中主要应用白云母,也可少量应用金云母。主要利用它的高径厚比的片状结构、良好的耐热性、耐候性、透明性、耐化学性、紫外屏蔽性等性能,在防腐蚀涂料、功能性涂料中作填料。在涂料配方中主要用于一些特种油性和水性涂料,其加量从工业涂料的大约20%到浮雕花纹建筑涂料大约40%不等。
       湿磨云母粉的一个重要应用领域,是用作钛珠光颜料的载体原料。涂料、油墨、塑料等行业都需要不同规格系列的云母钛珠光颜料。

8)石墨
       天然石墨因具有片状结构和良好的遮盖率,可用于钢结构维护涂料中;它的良好导电性和黑颜色,使它可用于电子计算机电屏蔽涂料中,这种涂料可含高达75%的石墨。另一种用途是防静电地板涂料。它可用于耐热涂料、底漆、封闭涂料以及耐水涂料,由于耐光性好,可用于汽车油漆中,作为一种效应颜料。
 
 
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