第51卷第5期2021年5月
PAINT &COATINGS INDUSTRY
Vol. 51 No. 5
May 2021
刘青青1二，张文静〃，张月微U2，徐建中h2，霍莉”，2
(1.河北大学化学与环境科学学院，河北保定071000;
2.河北省阻燃材料与加工技术工程技术研究中心，河北保定071000)
摘要：针对硅酸钾-苯丙乳液涂料存在乳液不稳定和漆膜易开裂的缺陷，本文主要研究了硅酸钾和苯丙乳液配比、颜料体积浓度(PVC)、分散剂、涂料黏度对乳液及其成膜性能的影响。结果表明：硅酸钾-苯丙乳液外墙涂料最佳工艺为硅酸钾用量30%、苯丙乳液10%、PVC55%~60%(钛白粉用量 为16%、重钙用 量14%、滑石粉用量为8%)，此时漆膜抗开裂性最佳；使用静电稳定型分散剂，涂料稳定性较好。涂料性能符合jG/T26—2002《外墙无机建筑涂料》的指标要求。 关键词：无机涂料；硅酸钾；苯丙乳液；稳定性；抗开裂
中图分类号:TQ635.51 文献标识码：A文章编号:0253-4312(2021 )05-0073-05
doi：10. 12020/j.issn.0253-4312. 2021. 5.73
Study on Stability and Cracking Resistance of Potassium Silicate-
Styrene/Acrylate Latex Paint
Liu Qingqing1'2,Zhang Wenjing1'2,Zhang Yuewei12,Xu Jianzhong1,2,Huo Li1 "
(1.C o lleg e o f C h em istry a n d E nvironm ental S c ie n c e,H ebei U n iv e rsity,B a o d in g,H ebei071002, C h in a;
2.E n g in eerin g T ech n ology R esearch C enter f o r F la m e R e ta rd a n t M a teria ls a n d P rocessin g
T ech n ology o f H ebei P ro v in c e,B a o d in g,H ebei071002, C h in a)
A b s tra c t:In view of the instability of potassium silicate-styrene/acrylic latex and the
coatings based on it was easy to crack，the influence of the amount of potassium silicate and styrene-acrylic latex,pigment volume concentration (P V C),dispersants and viscosity of coatings on the latex and film-forming properties of coatings was investigated to find that when optimized formulation of potassium silicate-styrene/acrylic latex coatings was as follows：potassium silicate30%，styrene—acrylic latex10%and PVC55%—60%(titanium dioxide 16%,ground calcium carbonate 14%,talc 8%),the cracking resistance of the coatings was the best.And good stability could be provided by using charge repulsion type dispersant.The performance of the coatings met the requirements of JG/T26—2002 standard“Inorganic Architectural Coatings for exterior walls”.
Key w ords：inorganic coatings;potassium silicate;styrene-acrylic latex;stability;crack resistance *
涂料分散机[基金项目]保定市科技计划项目（1911Q002)；河北省高等学校科学技术研究重点项目（ZD2019022)；河北省重点研发计划项目 (19211205D)
*通信联系人
硅酸钾-苯丙乳液涂料常被称为无机建筑涂料，目前国内外无机硅酸钾-苯丙乳液涂料可分为两类: 一类是以硅酸钾为主要粘结剂，辅以苯丙乳液的硅 酸钾乳液涂料；另一类是以硅溶胶和硅酸钾为主要 粘结剂，辅以有机苯丙乳液的硅溶胶硅酸钾涂料。在国外高端市场中硅溶胶硅酸钾涂料作为环保型涂 料使用较多，但是成本偏高，国内使用并不广泛；硅 酸盐乳液涂料具有能耗低、生产成本低、生产工艺简 单、环保无毒、低VOC、与无机水泥层粘接强度高等 优点在国内无机涂料市场有很大发展空间。但 硅酸钾-苯丙乳液涂料为无机-有机复合型成膜的方 式，二者形成Si—0—Si空间网状漆膜，易导致有机- 无机两相分层以及涂料中粉料下沉等现象，致使涂 料贮存稳定性差；另外硅酸盐成膜有硬而脆的特点，对基层微型形变适应力差，且硅酸盐水溶液的固含 量偏低，成膜过程中水分的挥发使涂层收缩较大，易导致涂层表面开裂[3_51。乳液稳定和漆膜抗开裂问题 成为国内外建筑涂料企业研究热点16-91，田和保等|61阐 述了硅溶胶硅酸钾（钠)涂料稳定性与原材料的化学 成分、胶体二氧化桂粒径大小和分布等有关；加人稳 定剂可以延长涂料的贮存时间。杨川等M讨论了胶 体二氧化硅和改性硅酸钾的种类、不同增稠剂、颜填 料等对其热贮存稳定性的影响，实际上仍都属于硅 溶胶和硅酸钾体系。
本文重点研究了硅酸钾辅以苯丙乳液的硅酸钾 乳液涂料体系问题，通过考察其体系苯丙乳液和硅 酸钾的配比，颜填料体积浓度(PVC)及分散剂等对涂 料性能的影响。探讨了涂料稳定性和漆膜抗开裂性 能的最佳工艺，以促进无机涂料的应用。
1实验部分
1.1主要原料
硅酸钾水溶液：MOS-1010型，T-4*杯黏度为10~ 12 s,PH= 12.8~ 14. 2，质量固含 24%~26%，液体相对 密度1. 13~1.22g/cm3，成膜后的固体硅酸钾密度为 1.55 g/cm3，Si02含量 27_ 9%~30%，K20含量 8%~9%，模数4，厦门培藤材料科技有限公司；苯丙乳液 (6511)：保立佳；纤维素醚（HEC)：阿克苏诺贝尔；分 散剂（P586、LOPONPO、407)：澳汉；润湿剂（288)：澳 汉；成膜助剂（醇酯十二）：陶氏；防冻剂（乙二醇）：润泰；碱溶胀增稠剂（TT-80)：泰达；金红石钛白粉 (7〇6)：杜邦；滑石粉：1 000目，合山；重钙：1 〇〇〇目，蕉岭金鹏。
1.2主要仪器
高速分散机（GFJ-0. 4)、四面湿膜制备器(SZQ)：杭州齐威仪器有限公司；斯托默黏度仪(STM-IV)：上海平轩科学仪器有限公司；耐擦洗测 试仪（BGD526)：广州标格达实验器材有限公司；初 期干燥抗裂性试验机（QKL)：北京维欣仪奥科技发 展有限公司。
1.3硅酸钾-苯丙乳液涂料的制备过程
1.3.1硅酸钾-苯丙乳液涂料的制备
制备涂料的参考配方如表1所示。
材料架表1涂料参考配方
Table 1Basic formula of coating 原料W/%原料w/%I 水19.0金红石型钛白粉16.0
纤维素醚0•3滑石粉8.0
分散剂0.5重钙14.0
润湿剂0.2苯丙乳液10.0
成膜助剂0.8碱溶胀增稠剂0.2
防冻剂 1.0硅酸钾30.0
制备过程：按表i配方，首先将水投人分散釜中，将纤维素醚投入后启动分散机，在500~700 r/min下 搅拌3 min，然后依次投入分散剂、润湿剂、成膜助剂、防冻剂继续分散5 min，接着将重钙、滑石粉、钛白粉 投人分散釜内，将转速调至1 500-2000 r/min，分散 20 min至细度<60 |xm，然后依次加人苯丙乳液、碱溶 胀增稠剂、桂酸钾溶液，1 000 r/min分散10~15 min后 使用80目滤网过滤包装即可。
1.3. 2 测试样板的制备
按照G B^T9779—2015《复层建筑涂料》涂膜初期 干燥开裂样板制备规定，将无机涂料涂覆于无石棉 纤维水泥平板上，厚度为200 jim，每组至少3块 样板。
1.4性能测试
参照JG/T26—2002《外墙无机建筑涂料》中相关 性能的测试方法，分别测试涂料的热贮存稳定性(30 d)、低温稳定性(3次循环）、对比率、漆膜的耐碱 性、表干时间、耐擦洗性、耐老化性等。漆膜抗开裂 性按照GB/T9779—2015《复层建筑涂料》6.10初期 干燥抗裂性的规定进行操作及评价。
2结果与讨论
2.1漆膜抗开裂性研究
2. 1. 1苯丙乳液和娃酸钾配比对漆膜抗开裂
性的影响
硅酸钾水溶液固含量一般不高，成膜过程收缩 率大导致漆膜易开裂，同时硅酸钾成膜后硬而脆对 基层微型形变适应力差，加人一定量的苯丙乳液能 极大地改善硅酸钾成膜的脆性，减少开裂，同时也 能加强漆膜的耐水性。但硅酸钾水溶液为强碱性，pH—般在12~14，而苯丙乳液的PH—般在7〜9，所以要
求苯丙乳液耐碱性要强且与硅酸钾溶液相容性要好。苯丙乳液漆膜本身柔韧性好，相对固含量 较高，与硅酸钾复合使用，在干燥成膜过程中，苯丙 乳液能填充在一Si—0_Si_网状结构的间隙中，包裹涂层中的K+和0H_，避免其遇水溶解，提升漆 膜的耐水性|3_61，同时可以抵消一部分硅酸钾收缩应力，有助于减少漆膜微裂，有效提高漆膜整体的柔韧性。
当硅酸钾和苯丙乳液恒定为配方总质量40%时，根据表1配方，只改变苯丙乳液和硅酸钾配比制 备涂料和测试样板，漆膜的抗开裂性和耐水、耐碱性 如表2所示。
表2苯丙乳液和硅酸钾配比对漆膜性能的影响
Table 2 The influence of the ratio of styrene-acrylic emulsion and potassium silicate on properties of coating
1而日
//I (苯丙乳液）：w (5圭酸钾）
4:366:348:3210:3012:28
漆膜抗开裂性(401)开裂较严重轻微裂纹无裂纹无裂纹无裂纹耐水性（168 h)粉化粉化无变化无变化无变化耐碱性（168 h)粉化粉化无变化无变化无变化由表2可以看出，当苯丙乳液的比例提高时，无机
涂料漆膜成膜开裂现象和漆膜的耐水耐碱性有很大的
改善。当苯丙乳液占配方总量的8%~10%时漆膜不开
裂，施工效果较好。
2. 1.2 P V C对漆膜抗开裂性的影响
颜料体积浓度(PVC)对漆膜抗开裂性影响很大，
全自动文具盒
当PVC过低即漆膜中粉料固体含量不足导致涂料成
膜过程收缩应力变大，漆膜容易开裂；当PVC达到一
定值时颜填料与有机乳液相互作用，在一定程度上
可以抵消体积收缩，有效避免成膜过程的收缩开
裂|7]。根据颜料体积浓度的临界极值(CPVC)计算公
式[7]：当配方为表1时，体系的CPV062. 25%。表3
为不同PVC对漆膜抗开裂性的影响。
表3 PVC对漆膜性能的影响
Table 3 The influence of PVC on the performance
of coating
而日PVC/%
丄W日
4045505560漆膜抗漆膜漆膜有无无无开裂性(40 X：)有开裂轻微裂纹开裂幵裂开裂漆膜硬度B B H B H B HB 由表3可以看出，当硅酸钾与苯丙乳液总体积保持一定时，提高涂料PVC，漆膜成膜性明显改善，当PVC大于50时颜填料在涂料中的填充和支撑作用可 以抵消硅酸钾成膜时的收缩应力，从而减少漆膜开 裂，同时PVC提高可以使漆膜更致密，漆膜表面硬度 也会提升。当PVC为50%〜60%时漆膜无开裂现象。
2.2涂料稳定性研究
2. 2. 1颜填料分散对涂料稳定性的影响
颜填料分散181是涂料稳定性的主要影响因素，可 采用添加分散剂来改善涂料的稳定性。分散剂的分 散机理主要有以下3种：（1)静电稳定型。该类型分 散剂为离子型分散剂，颜填料微粒吸附的分散剂带 相同电性的电荷，微粒表面形成电层，相互排斥不絮 凝。（2)空间位阻稳定型。空间位阻型分散剂具有颜 填料亲和基团以及与基料混溶的链段，可形成空间 位阻阻止涂料絮凝。（3)电荷-位阻稳定型。分散剂 兼具静电稳定性和空间位阻稳定性。
保持涂料中其他原材料的用量不变，相同添加量 不同类型的分散剂对无机涂料稳定性影响如表4所示。由表4可知，添加静电稳定型分散剂（L0P0NP0)的无机涂料初始黏度和隔夜黏度最低，说明该类型分 散剂分散效果最佳，并且使用该类型分散剂热贮存 30 d后，涂料状态良好，无粉料沉淀现象；相比较而
言，空间位阻型分散剂（P586)稳定性最差，涂料初始 黏度和隔夜黏度都偏高，耐高温性较差，热贮存14 d 后分散性下降，粉料出现絮凝沉淀。
表4不同类型分散剂对涂料稳定性的影响 Table 4 Influence of different types of dispersants
on the dispersion stability of coating 2. 2. 2涂料黏度对热P&存稳定性的影响
无机涂料由于硅酸钾水溶液与苯丙乳液不易相 溶，易发生离析现象。为解决该问题，常采用增加混 合
体系黏度改善其贮存稳定性，延长产品的贮存时 间。本文使用静电稳定型分散剂LOPONPO，添加不 同用量的增稠剂（纤维素醚配合碱溶胀增稠剂）获得
项目
分散剂不同黏度的无机涂料，表5是不同黏度涂料50丈热贮LOPONPO P586407存30d的结果。由表5可以看出，当黏度低于60 KU
类型
静电
稳定型
空间位阻
稳定型
电荷-位阻
稳定型
时，涂料热I t存稳定性差；随着黏度的升高，涂料热贮
存稳定性得到改善，当黏度在75~90 KU范围内时涂冶炼炉
初始黏度/KU859293料热贮存稳定性最佳，无分层离析现象。但是随着黏隔夜黏度/KU879596度增加，热贮存后出现较为严重的后增稠现象，这是
热贮存30 d 涂料状态
粉料无
下沉现象
粉料有
下沉现象
粉料有轻微
下沉现象
ext前端框架
由于增稠剂添加量过多，在后续存放过程中增稠剂进
一步反应导致涂料体系后增稠失去流动性。
Table 5
表5不同黏度无机涂料热贮存稳定
Stable thermal storage of coatings with different viscosities
I帀日初始黏度/KU
1=1
456075 90 105
热贮存30 d搅拌后黏度/KU496377 94 后增稠严重无法测试
热贮存30 d涂料状态乳液与水
两相奋层乳液与水
两相分层
状态正常，与热状态正常，与 后增稠严重，
贮存前无变化热贮存前无变化失去流动性
3硅酸钾-苯丙乳液无机涂料的性能
参照表1基本配方和生产工艺流程，按照上述 研究优化配方：添加10%的保立佳6511乳液、PVC 调至58. 74%、使用静电稳定型分散剂，涂料初始黏 度调至85 KU，依据JG/T26—2002对涂料相关性能 进行检测，结果如表6所示。由测试结果可知，该涂 料各项性能符合标准要求。
表6无机涂料基本性能参数
Table 6 Basic performance parameters of inorganic coatings
|项目JG/T 26—2002 要求测试结果
容器中的状态搅拌后无结块，呈均匀状态搅拌后无结块，呈均匀状态
施工性涂刷2道无障碍涂刷2道无障碍
漆膜外观正常正常
对比率（白）>0.950.985
热贮存稳定性(30 d)无结块、凝聚、霉变现象无结块、凝聚、霉变现象
低温稳定性(3次循环）无结块、凝聚现象无结块、凝聚现象
表干时间/h<11.2
铝合金橱柜柜体
耐洗涮性/次>\ 00011 323
耐碱性（168 h)无起泡、裂纹、剥落、允许轻微掉粉无起泡、裂纹、剥落、1 卓粉
耐水性（168 h)无起泡、裂纹、剥落、允许轻微掉粉无起泡、裂纹、剥落、掉粉
耐温变性（10次）无起泡、裂纹、剥落、允许轻微掉粉无起泡、裂纹、剥落、掉粉
耐人工老化（白、1 800 h)无起泡、裂纹、剥落无起泡、裂纹、脱落
耐沾污性/%«2015
(下转第82页)
苏纳等：常用涂层制备工具与漆膜厚度关系的探讨
间隙深度的比值依次增大；工作面结构相同的间隙 涂布器，当间隙深度增加时，其制备的样品的湿膜厚 度与间隙深度的比值也随之增大。
(3)
缠绕钢丝型线棒涂布器同间隙式涂布器基
本类似，当钢丝直径增大时，其制备样品的湿膜厚 度与绕线钢丝直径的比值也随之增大，直至接近
100%。
(4) 精密机械加工型线棒涂布器所制得的湿膜
厚度与凹槽结构，即波峰深度、相邻波峰距离有关， 当凹槽波峰、峰距增大时，湿膜厚度随之增大，但湿 膜厚度小于同型号的缠绕钢丝型线棒涂布器制备 的样品。
(5)
对于同一种样品，干膜厚度与湿膜厚度的比
值并不是固定值，而是随制备间隙的增大而变小，因 此直接用干/湿膜厚比计算样品的体积固体含量并不 可靠。
参考文献
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(上接第76页）
4
结语
通过提高苯丙乳液的含量增加漆膜柔韧性，改
变无机涂料硬而脆的缺点；提高体系PVC 能有效抵 消漆膜在成膜过程中的收缩力，进而解决漆膜易开 裂问题。适当配比静电稳定型分散剂能有效调整涂 料黏度，提高涂料贮存稳定性。硅酸钾-苯丙乳液外 墙涂料最佳工艺：硅酸钾用量为30%、苯丙乳液为 10%、钛白粉用量为16%、重钙用量为14%、滑石粉用 量为8%)，使用静电稳定型分散剂L 0P 0NP 0(多元 酸共聚物），涂料黏度75~90KU ，漆膜性能符合国家 外墙无机建筑涂料标准要求。有望满足国内市场高 性能、低价格的无机建筑涂料需求。
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收稿日期2021-04-16(修改稿）
收稿日期2021-04-15 (修改稿）
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