硅酸盐填料在无机外墙涂料中的应用

徐永华 江西广源集团

近年来,无机涂料作为一种环境友好型和防火阻燃涂料,具有低VOC、低致敏性、防火、防霉防潮、耐候性好等显著优点,越来越受到人们的青睐。

2018年,随着强制性国家标准GB 50222—2017《建筑内部装修设计防火规范》的出台,无机涂料由于其优异的防火阻燃性能而在内墙中应用得到极大优势。此外,无机涂料由于拥有较好的户外耐候性及附着力,因此在欧美等国家被广泛应用于外墙中。与内墙不同,外墙长期受到风吹日晒和雨水的冲刷,因此漆膜的耐水性、抗开裂以及耐沾污等性能要求明显高于内墙涂料。

目前关于无机外墙涂料的耐沾污性、耐水性以及抗开裂等性能的影响因素研究主要侧重于硅酸钾乳液助剂等领域,而对于配方体系中占比超过40%的填料的影响研究较少。

硅酸盐作为地壳中分布极广的一种材料,由于其特殊的结构和表面性能,常常作为一种补强性材料应用于建筑涂料领域中,常见的硅酸盐填料有:高岭土滑石粉硅灰石云母等,各类硅酸盐填料由于晶体结构及理化性能的不同,其所起到的补强效果也不尽相同。

笔者选取几种常见的硅酸盐填料将其应用在无机外墙涂料中,通过测试涂料的稳定性、耐水性、耐沾污性能、抗开裂以及耐洗刷等指标评估不同硅酸盐填料在无机外墙涂料中的应用情况。

表1  无机外墙涂料测试配方

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表2  不同硅酸盐填料基础指标检测结果

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由表2可以看出,建筑涂料中常用的4种硅酸盐填料的粒径相差较大,这与其在配方体系中所要求的性能有关。

煅烧高岭土作为钛白粉的最佳延展剂之一,在体系中主要是对钛白粉进行延展,保障钛白粉在体系中的充分分散,最大程度地发挥钛白粉的遮盖能力,同时高岭土本身还能提供一定程度的干遮盖力,因此其粒径一般较细,一般多为4000目产品。

云母和硅灰石作为典型的异构型硅酸盐填料,在乳胶漆体系中主要是提高产品的抗开裂、耐洗刷等性能,如选用的产品细度太细,云母的径厚比和硅灰石的长径比一般会受机械研磨的破坏而降低,从而影响其补强效果,因此一般粒径不宜过细。

而滑石粉由于其堆积密度小、硬度低以及本身的“润滑性”在乳胶漆中主要改善产品的施工性能,提供一定的悬浮效果,因此一般粒径满足刮板细度要求的40~60μm即可,过细产品吸油量高,降低了涂料的CPVC

将上述4种硅酸盐填料分别按照表1所示配方进行制备,对比不同硅酸盐填料在无机外墙涂料中的应用性能,同时与重钙进行横向对比。

表3  不同硅酸盐填料热贮稳定性比较

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由表3可以看出,4种硅酸盐填料制备的无机外墙涂料热贮30 d后黏度增加均小于10KU,稳定性均符合产品的使用要求,其中硅灰石GY-1250和云母GM-5的稳定性更优,热贮30d黏度增加均小于2KU,高岭土JYCK-96的黏度变化最大。

表4  不同硅酸盐填料与重钙漆膜性能比较

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由表4可以看出:在无机外墙涂料配方中添加硅酸盐填料可提高漆膜的耐水性。这主要是由于硅酸盐填料表面羟基含量较多,在漆膜失水干燥的过程中会与硅酸钾进行反应,提高漆膜的交联密度,从而提高了漆膜的耐水性,而碳酸钙表面的羟基含量低,在干燥过程中无法与硅酸钾进行反应提高漆膜的交联密度,因此耐水性较差。

从耐洗刷性能上看,热储前硅灰石和云母的耐洗刷性能优异,均超过10000次,滑石粉和高岭土的耐洗刷性能较差,热储后滑石粉、高岭土和云母的耐洗刷性能下降幅度较大,均超过50%,而硅灰石的下降幅度在40%左右。

从抗开裂性能上来看,在同等情况下,硅灰石和绢云母的漆膜开裂厚度最大,分别为1900μm和1600μm,远超高岭土、重钙和滑石粉,这主要是由于硅灰石和云母是典型的异构型填料,在漆膜干燥的过程中,可以显著降低漆膜的体积收缩,提高了漆膜的抗开裂性能。

从耐沾污性能上看,硅灰石和高岭土的耐沾污性能较差,硅灰石主要是由于其针状结构容易造成漆膜表面相对粗糙,而高岭土则主要是由于其吸油量大的原因,在乳液含量不变的情况下,耐沾污性能会受到影响。

不同细度硅灰石性能比较

针对上述不同硅酸盐填料的性能比较,从耐洗刷、抗开裂、耐水性以及耐沾污等指标考察,GY-1250硅灰石的综合性能最优。因此,选用高纯度硅灰石为原矿,采用环辊磨(800~2000目)和湿法搅拌磨(4000~6000目)生产成不同细度硅灰石产品,分别应用在表1所示配方,对不同细度的硅灰石进行性能比较,如表5所示。

表5  不同细度硅灰石物理指标

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图1 :不同细度针状硅灰石电镜照片

由表5可以看出,随着硅灰石细度的提升,产品的磁性物质含量呈现明显的上升趋势,这主要是由于硅灰石本身的硬度较高(莫氏硬度4.5~5.5),在研磨过程中对研磨介质和研磨腔体存在不同程度的磨损,粒径越小的产品所需要的研磨时间越长,对研磨研磨介质和研磨腔体的磨损程度越大,因此磁性物质含量越高。

表6  不同细度硅灰石热贮稳定性比较

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由表6可以看出,选用相同原矿生产的不同细度硅灰石在无机外墙涂料中的热稳定性存在较大差异,越细的硅灰石产品的贮存稳定性相对越差,这主要是由于随着研磨时间的延长,生产过程中对设备的磨损越大,成品中的氧化铁等磁性物质含量越高,而多价的金属铁对无机涂料的稳定性影响较大。

表7  不同细度硅灰石漆膜性能比较

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由表7可以看出,不同细度硅灰石应用在无机外墙涂料中时,随着硅灰石细度的提升,产品的耐洗刷及抗开裂性能均呈现下降趋势。

抗开裂性能下降主要是因为随着硅灰石细度的提升,其本身的针状结构由于生产过程中研磨时间的延长而受到更大程度的破坏,产品的长径比变小,在漆膜干燥的过程中对于体积收缩由此所产生的内应力的消除能力变小,因此产品的抗开裂性能呈现下降趋势;

漆膜的耐沾污性能随着细度的提升呈现一定程度的上升趋势,但是并不明显,随着硅灰石细度的提升,漆膜表面的粗糙程度下降,因此耐沾污性能得到一定程度的提升;

抗分水效果随着细度的提升得到明显改善,主要时由于填料越细本身的假比重越小,在相同情况下越不容易沉淀。综合各项性能来看,在以上几款产品中,1250目的硅灰石最适合在无机外墙涂料体系中应用。

结语

硅酸盐填料由于其不同的晶体结构及表面性能,应用在无机外墙涂料中具有一定的补强效果,可显著提高漆膜的耐水性、抗开裂、耐洗刷等性能,但是不同的硅酸盐填料对其性能的补强效果不尽相同,综合抗开裂、耐洗刷、耐水性以及耐沾污等各项性能,硅灰石的综合性能最好,在不同细度的硅灰石产品中其中以1250目的性能为最优。



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