不透明聚合物有应用及原理
摘要：介绍不透明聚合物乳液的特殊结构及其原理，在水性涂料中对CPVC、颜色的延展性、流平、遮盖、耐擦洗、成膜及涂膜耐候性的影响。
关键词：不透明聚合物、遮盖力、CPVC、粒径
导言：水性涂料在配方设计中达到较好的遮盖力时，通常有两种情况：一、提高颜料的含量，如：钛白、立德粉等，减少填料，增大粉料与周围介质的折射率之差。二、提高PVC，使乳胶漆的颜料体积浓度在临界颜料体积浓度（CPVC）之上，增加涂膜中空隙率。但由此而带来的涂膜中一系列物理性质的变化，如耐擦洗的降低、涂膜色彩明度的下降、透水率的增加等等。本文介绍一种可增强涂膜物理性能的不透明中空聚合物乳液及其它水性涂料中的应用。
一、不透明聚合物乳液的不透明技术原理及对涂膜的CPVC和遮盖力的影响
1、不透明聚合物乳液是一种硬而不成膜的苯乙烯和丙烯酸酯共聚物分散体系。由有中空芯的硬聚苯乙烯和丙烯酸酯壳，包覆着充满水的芯构成。当涂膜干燥时，壳中的水从共聚物壳中不可逆扩散而出，留下由空气取代水的芯加大入射光折射之差，当光透过合成树脂组成的壳穿过空气时，改变了入射光的折射角，从而产生折射效应，提高折射率，增加了漆膜的不透明性。
2、高遮盖的涂料体系中，粉体的粒径一般很小，如金红石钛白0.2微米左右、碳酸钙11微米等等，它们对光的反射很强，碳酸钙对光反射的最佳粒径是1.44微米，这时对光的散射效率最大化，这些粉体的细小粒径必然导致高的吸油量和对粒接剂的较大需求，因此CPVC肯定会提高。而不透明聚合物的单分散球形状态平均粒径为0.4微米，虽然中空的吸油量较高，但是密度较小，按照下列公式计算：
CPVC=1/（1+OA·δ/93. 5）OAV=OA·δ/93.5
所以加有相同体积不透明聚合物的涂膜CPVC高于相同粉体的CPVC
二、不透明聚合物对涂膜颜色延展性的影响
对二氧化钛展色的影响
金红石钛白是迄今为止外墙乳胶漆应用性能最好的耐候性光散射材料。金红石钛白粉折光指数大约是2.76，粒径为0.2微米左右,因此金红石钛白的分散或聚集对遮盖力产生很大的影响。而我们经常使用的超细粉体1250目的粒径大约是11微米,远远大于0.2微米的钛白粒径,金红石钛白得不到很好的展色,对涂膜和产品成本都是危害的。而不透明聚合物的平均粒径为0.4微米接近0.2微米，况且表面包裹着非离子表面活性剂，对于钛白的润湿、分散和抗聚集效应都是很好的，大大提高了钛白粉的展色性。
有机颜料色浆展色性的影响
有机颜料一般粒径较小、密度较低，做成水性色浆后表面的润湿、分散体系的HLB值也较低，所以在调漆过程中容易产生浮色、发花等现象。而不透明聚合物的表面亲油状和低HLB值，在一般情况下对有机水性色浆的兼容性较好，同时相对较小的密度，在施工中可以促进有机颜料在涂膜中的均匀分布，较好的避免了涂膜色调不一致现象。
例如：对比实验
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苯丙 |
40 |
杀菌 |
0.2 |
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金红石 |
25 |
成膜 |
2 |
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分散 |
0.5 |
60000纤维素 |
0.2 |
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润湿 |
0.2 |
流平增稠剂 |
0.2 |
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AMP-95 |
0.2 |
消泡剂 |
0.3 |
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增稠剂 |
0.3 |
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此配方加完水性酞菁兰色浆后粘度有些下降,搅拌后有颜色上浮现象.
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苯丙乳液 |
40 |
羟乙基纤维素(60000) |
0.1 |
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金红石钛白 |
3 |
杀菌剂 |
0.2 |
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不透明聚合物 |
0.5 |
消泡剂 |
0.3 |
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硅灰石 |
10 |
AMP-95 |
0.2 |
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重质碳酸钙 |
3 |
十二醇酯 |
2.5 |
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重晶石 |
7 |
增稠剂 |
0.3 |
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分散剂 |
0.4 |
流平增稠剂 |
0.3 |
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润湿剂 |
0.15 |
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此配方适宜深色乳胶漆,粘度90KU,加水性色浆后粘度有些下降,基本上不出现浮色、分水现象。
三、不透明聚合乳液对涂料增稠的影响
不透明聚合物乳液有较高的TG和较细的粒径，与树脂的相容性较好，使涂膜的缺陷降到很低，可以提高涂膜硬度和耐候性。但对涂膜光泽有一定影响。同时，不透明聚合物的球形状态和不吸水性，会增大配方中的自由水含量，当用纤维素做主增稠剂时，应适量加大用量。而使用缔合型增稠剂时，可能因不透明聚合物乳液的表面疏水状态和非离子乳化剂的吸附作用，增强了缔合作用，在降低协合型增稠剂用量的同时，改善流平性，提高了乳胶漆的贮存稳定性。
如：配方对比
配方一： 配方二
醋叔乳液40 醋叔乳液 40
金红石钛白:25 不透明聚合物:7.5
润湿剂0.1 金红石钛白25
分散剂:0.4 润湿剂:0.1
杀菌剂:0.2 分散剂:0.4
消泡剂:0.3 杀菌剂:0.2
成膜助剂:1.5 消泡剂:0.3
丙二醇:1.7 成膜助剂:1.5
增稠剂:0.4 丙二醇:1.7
增稠流平剂:0.4 增稠剂:0.4
AMP-95:0.2 增稠流平剂:0.4
AMP-95:0.2
结论（1）配方一对比率92以上，PVC=23，光泽60度的角是28.经2千瓦紫外光照射20小时后耐擦洗2000次微透底,3000次大量透底. 6转9000,60转2500，配方一7000次微透。
(2)加大不透光聚合乳液后,对比率93以上, PVC=30,光泽60度角20,经2千瓦紫外光照射线20小时后,耐擦洗2000次不透,3000次轻微透底.6转9000,60转2700，配方二不透。
四、低档配方经不透光聚合物优化后对涂膜的遮盖力和耐擦洗的影响。
配方一： 配方二：
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苯丙乳液 |
160 |
乳液 |
150 |
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立德粉 |
50 |
锐钛钛白粉 |
80 |
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锐钛钛白粉 |
100 |
280S |
50 |
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轻钙 |
150 |
立德粉 |
50 |
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高岭土 |
50 |
轻钙 |
150 |
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硅灰石 |
80 |
硅灰石 |
80 |
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滑石 |
50 |
高岭土 |
30 |
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分散剂 |
6 |
分散剂 |
5 |
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润湿剂 |
2 |
润湿剂 |
2 |
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杀菌剂 |
2 |
杀菌剂 |
2 |
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消泡剂 |
3 |
成膜助剂 |
10 |
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纤维素 |
1 |
消泡剂 |
3 |
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增稠剂 |
5 |
纤维素 |
1 |
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成膜助剂 |
10 |
增稠剂 |
4 |
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流平剂 |
1 |
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水 |
440 |
配方一： 配方二：
对比率92 对比率:92
耐擦洗:2000次左右 耐擦洗:3000次左右
粘度:95KU 黏度:93KU
触变指数:3.2 触变指数: 2.8
五、不透明聚合物乳液对成膜助剂用量的影响
不透明聚合物乳液是一种球形结构的乳化体系，在配方中可能会吸附成膜助剂，所以应在配方中加大成膜助剂的用量。同时应避免直接使用芳烃类的溶剂，醇醚类溶剂也会对其贮存和冻融循环产生影响，所以应避免直接接触。
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中空聚合物微球在涂料中的应用 |
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在涂料领域，早期利用中空结构微球的例子，多为中空无机粒子，例如，中空玻璃微球的使用。现在，随着中空聚合物微球合成技术的进步、成熟，其产品的商品化，他们在涂料中的应用也日益受到关注。中空聚合物微球可以在水性涂料中部分取代二氧化钛，在一些特种涂料中起到白色着色剂的作用，其绝热功能能够提高建筑涂料的绝热性，一些具有交联结构的中空聚合物微球，还可以作为防粘连剂使用。
由于中空聚合物微球内部空气/聚合物界面间折射率的不同，光通过时会发生散射，从而使这种聚合物微球具有了良好的光遮盖性。中空聚合微球对光的散射能力(遮盖性)与其中空部分的大小、微球的形状有很大关系。相关权威部门研究表明，随着壳包裹量的增加,中空聚合物微球的形态越来越规整，其遮盖力越好。
在水性建筑涂料中，中空聚合物微球可作为二氧化钛的替代品，赋予涂料一定的遮盖力。而且，在较高二氧化钛浓度的涂料中，二氧化钛可能会因为聚集效应而引起遮盖力的下降。添加的中空聚合物微球夹在二氧化钛粒子间，可以防止其互相接近，抑制聚集效应，进一步发挥二氧化钛的效果。如果按照体积取代计算，因为它比重小，用量较小，使用中空不透明聚合物微球，还具有较大的成本效益。将中空不透明聚合物微球用到涂料配方中，这种技术具有下列有点：不透明聚合物微球是着色颜料，可以直接为涂料提供遮盖力；通过增大钛白粉的空间占有率，提高了钛白粉的分散性和遮盖力；在此技术中，不透明聚合物微球只需要极少量的与之结合，减少了基料的用量，在较高的PVC下涂料各项性能不会下降。
目前，国内外已有大量的专利文献，查到利用无机中空球体,特别是利用中空玻璃球和中空陶瓷球，或利用泡沫粒子，来提高涂料的保温绝热性能。例如，通过添加空心玻璃微珠或小于100 μm的白色氧化硅的陶瓷微小中空球体，可形成冰箱外壳或外壳涂料液，制备了冰箱外壳隔热结构外墙保温涂料等。它们无一例外都是利用了空心球体中空部分的绝热作用。另外，也有具有中空结构的聚合物被用于保温涂料，具有对环境无污染，保温效果好，施工造价低；使用寿命长；施工简易的优点。
有一些涂料，例如汽车涂料，有着十分强烈的轻量化要求。早期的做法是添加无机中空体填料，但是由于其本身比重较大，而且在混练时易被破坏，降低自重不多，而且还导致了涂膜的耐低温碎落性下降。后来采用引入热塑性树脂发泡的方法，虽然其自重较轻，但是却存在发泡难于控制、强度降低等方面的缺点，而且其在混练是容易熔融变形，效果也不理想。引入交联型的中空聚合物微球，因其熔融温度高，耐压性优良，在各种树脂基体中的分散性良好，将有望成为一种有前途的树脂轻量化改性剂。
有一些专利文献表明，使用具有多孔特征的材料，可以制备具有吸音效果的特种涂料，例如漂珠、树脂发泡颗粒、开孔膨胀珍珠岩等。这些材料的微孔结构，使它们具有吸音的效果。中空聚合物微球应用到涂料中，应能起到同样的效果。 |
