沈卓梅 杨孝坤 钱银巍 谢建民

浙江曼得丽涂料有限公司

1 引言

将水性石灰基材料开发成膏状艺术涂料，是结合其生态优势与现代装饰需求的必然趋势。然而，目前市场上对这两类体系——即成熟的水性合成树脂基膏状艺术漆与新兴的水性石灰基膏状艺术漆——在综合性能上的系统性对比研究尚不充分。因此，开展水性膏状艺术漆与水性石灰基膏状艺术漆的性能对比研究，具有重要的理论意义与应用价值。本研究旨在通过科学的实验设计与系统的性能表征，对两类涂料的关键性能进行平行对比与分析，主要包括：施工性（如刮涂手感、可塑时间）、基础物理性能（如粘结强度、耐水性）、功能特性（如透气性、调湿性、抗菌性、燃烧性能）以及艺术表现力（如纹理成型能力、色彩保真度、质感饱满度）。通过对比，不仅能够明确两类产品的性能优势与局限性，为不同应用场景（如高湿度空间、历史建筑改造、现代艺术墙面）的选材提供科学依据，更能为水性石灰基膏状艺术涂料的配方优化与性能提升指明方向，推动其在高档装饰领域实现更广泛、更成熟的应用，促进艺术涂料行业的绿色多元化发展 。

在水性石灰基膏状艺术漆的研究中，石灰材料在水性介质中的分散和改性是关键环节，直接影响涂料的性能。如前所述，石灰材料的特殊效应能提升涂层性能，但石灰材料易团聚的问题亟待解决。为制备出性能优良的水性石灰基膏状涂料，本章将开展一系列实验。通过筛选粘结剂剂，研究不同因素对石灰基膏状材料稳定性的影响，并借助试验法确定最佳添加量，最后对分散和稳定性效果进行评价，为后续水性石灰基膏状艺术漆的研制提供有力支撑。

乳液是石灰基体系中最关键的功能性改性剂，其选择直接决定了漆膜的物理性能、施工体验和最终效果。筛选绝非随意，必须进行系统化评估。

2 石灰材料的润湿分散及机理

2.1 石灰材料在水性介质中的润湿分散

2.1.1 石灰材料的分散

石灰基膏体的润湿分散是水相介质取代粉体颗粒表面空气，使固相颗粒均匀被液相包裹的过程，主要分为表面润湿与孔隙润湿两个阶段。石灰基粉体（如石灰石粉、消石灰）表面富含羟基基团，与水分子具有良好的亲和性，理论上属于亲水性粉体，水在其表面的接触角通常小于90°。但在实际制备膏体时，粉体经机械研磨后产生的超细颗粒会因范德华力、氢键作用形成二次团聚体，团聚体内部存在大量封闭孔隙，阻碍水相介质的渗透，导致润湿过程受阻。同时，膏体中的填料与助剂会改变润湿动力学：片状粉颗粒因比表面积大，润湿速率较慢；而碳酸钙填料表面极性较弱，需借助润湿剂降低水的表面张力，才能实现快速润湿分散。

（1）粉体粒径及分布：粒径越小，石灰基粉体的比表面积越大，润湿所需的水相介质越多，润湿时间越长；当粒径分布过宽时，大颗粒间隙易被小颗粒填充，形成致密堆积结构，进一步降低润湿效率。实验表明，当石灰石粉目数从800目提升至1250目时，其完全润湿时间从15 min延长至28 min。

（2）水灰比：水灰比是影响膏体润湿程度的核心参数。水灰比过低时，水相介质无法完全包裹粉体颗粒，膏体易出现干缩、结块现象；水灰比过高时，膏体黏度下降，颗粒间作用力减弱，易发生分层。对于石灰基膏状艺术漆用膏体，适宜的水灰比范围为0.35~0.45。

（3）润湿剂类型及掺量：非离子型润湿剂（如烷基酚聚氧乙烯醚）可通过降低水的表面张力，增强水相介质对粉体颗粒的渗透能力；阴离子型润湿剂则能通过离子吸附作用，提高颗粒表面的亲水性。当添加0.2%~0.5%的脂肪醇聚氧乙烯醚类润湿剂时，石灰基膏体的润湿时间可缩短30%以上。

分散稳定性的影响因素与调控方法:

（1）分散剂的筛选与复配：单一分散剂难以兼顾膏体的分散性与触变性，采用阴离子型与非离子型分散剂复配，可实现协同增效。例如，当聚羧酸盐分散剂与聚乙烯醇的复配比例为2:1、总掺量为0.4%时，石灰基膏体在静置7 d后无明显分层，沉降体积比小于1.2。

（2）分散工艺参数优化：分散工艺直接影响团聚体的破碎程度与颗粒的分散均匀性。采用“先低速预混，后高速剪切分散”的两步法工艺：低速预混（300 r/min，5 min）使粉体与水相初步混合，高速剪切分散（2000 r/min，20 min）可有效打破团聚体，显著提升膏体的分散均匀性。

（3）pH值调控：石灰基膏体的pH值通常为8~11，处于弱碱性范围。当pH值过低时，分散剂的电离程度降低，吸附效果减弱；pH值过高时，易导致粉体颗粒表面羟基过度电离，引发颗粒絮凝。因此，维持膏体pH值在9~10，可保障分散剂的作用效果，提升分散稳定性。

2.1.2 粘结剂改用无机水性乳液

无机乳液:其含有的硅氧烷基团可与石灰水化产生的Ca²⁺发生反应，生成硅酸钙凝胶（C-S-H），与石灰自身碳化形成的碳酸钙晶体交织成致密网络，显著提升强度，且随养护时间延长，碳化反应和凝胶化反应持续进行，强度不断增长。苯丙乳液:依靠乳液成膜后形成的聚合物薄膜包裹骨料颗粒，通过物理粘结作用提供强度；但苯乙烯链段的疏水性会一定程度阻碍石灰的碳化进程，导致后期强度增长受限。纯丙乳液:丙烯酸酯聚合物的柔韧性好，但分子链刚性较弱，成膜后形成的网络结构承重能力不足；且与石灰基体系仅为物理混合，无化学交联，强度依赖聚合物自身粘结力，整体强度表现最差。 

2.2 水性石灰基膏状艺术涂料的组成及机理   

2.2.1 水性石灰基膏状艺术涂料的组成

水性石灰基艺术漆作为一种传统装饰材料，凭借其天然环保、呼吸性好、与基材相容性优异等特点，在古建筑彩绘修复、田园风建筑装饰等领域应用广泛。但传统石灰基艺术漆多为粉末状或稀浆状，存在膏体稳定性差、易分层、耐水耐候性不足、装饰效果单一等问题，难以满足现代建筑对艺术漆施工便捷性、装饰多样性、耐久性的综合需求。

水性化、膏状化是涂料行业的重要发展方向，水性无机乳液作为一种绿色改性材料，可与石灰基体系发生水化反应与界面交联，提升涂料的粘结强度与稳定性；功能性填料与专用助剂的引入则能优化涂料的膏体流变性能与装饰效果。因此，开展水性石灰基膏状艺术漆的组成设计研究，对推动传统石灰漆的现代化升级、拓展绿色艺术漆的应用场景具有重要的理论与实践意义。

水性石灰基膏状艺术漆的组成体系为多相复合体系，主要包括基料、粘结剂、填料、助剂等核心组分，各组分相互协同，共同决定涂料的综合性能。

1. 基料：天然水硬性石灰

基料是涂料的核心组分，决定涂料的基本性能与环保特性，本研究选用符合EN 459-1标准的NHL3.5级天然水硬性石灰，其主要成分为CaO、SiO？、Al？O？，兼具气硬性与水硬性，水化反应方程式如下：

\ce{CaO + H_{2}O = Ca(OH)_{2}}

\ce{2CaO·SiO_{2} + 2H_{2}O = Ca(OH)_{2} + C-S-H}

天然水硬性石灰的水化产物Ca(OH)？与空气中的CO？发生碳化反应，生成碳酸钙晶体，使涂料形成坚硬致密的涂层，同时保留涂层的呼吸性，可调节基材湿度。其掺量直接影响涂料的粘结强度与装饰效果，掺量过高会导致膏体过稠、施工困难；掺量过低则涂层强度不足、易粉化。

2. 粘结剂

水性无机乳液是提升涂料性能的关键改性组分，乳液中的活性硅氧基团（-Si-OH）可与石灰水化产物Ca(OH)？发生定性，防止膏体分层沉降。乳液掺量需控制在合理区间，过量掺入会降低涂层的呼吸性，且增加涂料成本；掺量不足则改性效果不明显。乳液固化形成的无机硅膜填充石灰基涂层的孔隙，降低涂层吸水率，提升耐候性.

3. 填料

填料在膏状艺术漆中起到骨架支撑、性能调控、装饰增效的作用，需根据装饰效果需求进行级配设计， 刚性填料填充涂层孔隙，提升涂层硬度与耐磨性，掺量为涂料总质量的20%~30%； 装饰填料：选用云母粉、贝壳粉，利用其片状结构赋予涂层珠光、哑光等装饰效果，掺量为5%~15%；功能性填料：选用纳米二氧化钛（锐钛矿型），利用其光催化性能赋予涂层自清洁功能；选用木质纤维，改善膏体的抗裂性能，总掺量不超过5%。填料的级配设计遵循“紧密堆积原理”，通过不同粒径填料的复配，优化膏体的流变性能与涂层的微观结构。

4. 助剂：专用功能助剂

助剂是涂料性能的“调节剂”，用量虽少（总掺量≤5%），但作用关键，本研究选用的助剂体系及作用如下：

5. 增稠触变剂

  选用羟乙基纤维素（HEC）与有机膨润土复配，调节膏体的黏度与触变性，使涂料兼具施工顺滑性与抗流挂性，确保在垂直墙面施工时不流淌.

6. 成膜助剂

选用醇酯十二，降低乳液的最低成膜温度，确保涂层在低温环境下仍能形成连续致密的膜层。

2.2.2 石灰材料的分散机理

灰材料主要成分为CaO，经水化反应生成Ca(OH)？，反应式如下：

CaO+H_2O=Ca(OH)_2+Q

水化过程中，石灰颗粒表面会形成羟基化层，同时释放大量热量，导致颗粒表面能升高，极易发生颗粒间的团聚。未完全水化的CaO颗粒与水化产物Ca(OH)？共存于体系中，两种颗粒的表面性质差异显著，进一步增加了分散体系的复杂性。

    石灰材料在膏状艺术漆体系中的分散作用机理分别有：

1. 静电稳定机理：在无分散剂的纯水分散体系中，石灰颗粒的分散稳定性主要依赖静电排斥作用。颗粒表面带有的正电荷会形成双电层结构，当颗粒相互靠近时，双电层之间的静电斥力会阻碍颗粒团聚。但仅依靠静电稳定作用存在局限性：一方面，膏状体系中高固相含量会压缩双电层，降低静电斥力；另一方面，体系pH的波动易破坏电荷平衡，导致分散体系失稳。

2. 空间位阻稳定机理：在实际配方中，通常需引入分散剂来强化分散效果，空间位阻效应是分散剂发挥作用的核心机理。常用的聚羧酸盐类分散剂，其分子结构包含亲水性官能团（如羧基）和疏水性官能团（如烷基链）。亲水性官能团通过离子键或氢键吸附在石灰颗粒表面，疏水性官能团则伸展在分散介质中，形成一层立体吸附层。当颗粒相互靠近时，吸附层之间的空间位阻会阻止颗粒的进一步聚集，从而维持分散体系的稳定。

3. 水化膜稳定机理：石灰颗粒表面的羟基化层可与水分子形成水化膜，水化膜的存在能有效降低颗粒表面能，减少颗粒间的吸附力。在膏状体系中，水性无机乳液等成膜物质可与水化膜相互作用，乳液粒子吸附在石灰颗粒表面，进一步增厚水化膜，增强颗粒的分散稳定性。同时，乳液粒子的空间位阻效应还能与分散剂的作用形成协同效应，提升体系的分散效果。

影响石灰材料分散稳定性的关键因素：

1. 分散介质的pH值：体系pH值直接影响石灰颗粒的表面电荷密度与水化程度。强碱性环境下，Ca(OH)？的解离受到抑制，颗粒表面正电荷密度较高，静电斥力较强；同时，高pH值有助于分散剂的电离，提升分散剂在颗粒表面的吸附效率。若pH值过低，不仅会降低颗粒的静电斥力，还会导致分散剂吸附量减少，引发颗粒团聚。

2. 分散剂的类型与添加量：分散剂的分子结构决定了其作用效果。聚羧酸盐类分散剂因具有较高的电荷密度和空间位阻效应，对石灰颗粒的分散效果优于传统的萘系分散剂。分散剂添加量存在最优值：当添加量不足时，无法完全覆盖颗粒表面，分散效果不佳；当添加量过量时，多余的分散剂分子会在体系中形成胶束，消耗分散介质，反而降低体系的稳定性。

3. 分散工艺参数：分散工艺中的搅拌速率、搅拌时间及砂磨介质粒径，均会影响石灰颗粒的分散效果。较高的搅拌速率可提供足够的剪切力，打破颗粒团聚体；但过高的搅拌速率会导致体系温度升高，加速石灰颗粒的水化反应，反而不利于分散稳定。适宜的搅拌时间可确保颗粒充分分散，避免因搅拌不足导致的团聚或搅拌过度引发的体系黏度异常。

2.2.3 水性石灰基膏状材料的制备方法  

目前，在水性石灰基膏状艺术漆的制备方法按核心工艺和设备路线可分以下几种制备方法：

1.  按生产工艺流程分类（工程学路径）

(1) 一步法混合工艺

· 方式：将所有液体（水、助剂、乳液）、粉料（石灰膏、填料）按顺序加入同一搅拌设备中，一次性混合、分散、调制成膏。

· 特点：工艺简单，设备投资少，适合小批量、多品种生产。缺点：粉料分散可能不够极致，对预混顺序要求高，批次稳定性控制稍难。

(2) 两步法（预分散-复合）工艺（推荐）

· 方式：

· Step 1: 浆料制备：将水、分散剂、部分消泡剂和所有细填料在高速分散机中充分分散，制成均匀无颗粒的基础浆。

· Step 2: 复合成膏：将基础浆转移至低速调漆釜（或行星搅拌机），依次加入石灰膏、乳液、色浆等，最后用增稠剂调至膏状。

· 特点：粉体分散效果好，膏体更细腻均匀，批次间质量稳定，是工业化生产的标准流程。

1.  按关键设备选型分类

(1) 高速分散机 + 低速搅拌罐组合

   · 方式：分散阶段用高速分散盘，混合阶段用锚式或框式搅拌。适合流动性较好的浆料前期处理。

   · 特点：通用性强，但对于最终高粘度膏体，混合效率可能不足，易有死角。

(2) 行星式搅拌机（绝对主流和首选）

   · 方式：公转+自转的搅拌桨，能强力揉捏高粘度物料，无搅拌死角。

   · 特点：是生产膏状艺术漆的终极设备。确保从粉体到最终膏体的全流程均匀混合，特别是能将粗颗粒（如做粗质感时）均匀悬浮，膏体质地细腻、稳定。

2.3 本课题的研究意义和内容

2.3.1 研究意义

随着建筑装饰个性化需求的提升，艺术漆凭借多样化的表观效果备受青睐。水性石灰基膏状艺术漆兼具无机材料的环保耐久性与艺术漆的装饰美学性，可通过刮涂、搓涂、喷涂等不同施工工艺，呈现仿大理石、磨砂、肌理纹等多种艺术效果，适用于古建筑修复、高端住宅内墙装饰、商业空间艺术造型等场景，拓宽了石灰基材料的应用边界，兼具经济价值与文化价值。

石灰是我国储量丰富、价格低廉的传统建材原料，本研究可推动石灰资源的高值化利用，促进传统石灰加工产业向精细化、功能化方向转型。同时，水性石灰基膏状艺术漆的工业化生产工艺简便、原料成本可控，能够为涂料企业提供新的产品研发方向，增强行业竞争力。

2.3.2 研究内容

随着消费者对环保意识的提高，对环保型涂料的需求也在不断增加。水性石灰基膏状涂料作为一种环保型涂料，具有广阔的市场前景^[3]。此外，由于其具有抗菌、防霉、耐腐蚀等功能，因此可以满足消费者对涂料功能性的需求。水性石灰基层是一种全球性的环境友好型涂料，在国内外受到了广泛的关注。本项目的实施，不仅符合当前时代的绿色环保政治政策，推广环保涂料促进绿色发展，同时也为制备高性能、环境友好、功能化的石灰基艺术漆提供新思路。

本项目针对石灰的分散与修饰难题，通过添加有效的添加剂，制备储存稳定、硬度好的水性石灰基艺术漆。研究工作的重点是：

1. 研究的无机乳液、分散方式、分散剂用量、 pH值、填料用量等对分散性能的影响，筛选出最优粉料，分散剂及乳液，探索适宜的分散工艺及工艺条件。

2. 研究了水性石灰基膏状艺术漆和水性石灰基膏状艺术漆的制备方法和技术。

3石灰材料在水性介质中分散和粘结剂的研究

3.1 实验材料与仪器

表3-1 实验材料

表3-2 实验仪器

3.2 实验方法

3.2.1 粘结剂的筛选

初选与测试

1. 索取样品：向供应商明确说明应用场景为“高碱性石灰基膏状涂料”，要求提供耐碱性测试报告。

2. 基础兼容性测试：将乳液与石灰膏、基础填料简单混合，观察浆料状态（是否絮凝、增稠异常）。

这一次，初选测试三款乳液：7759A乳液，CM769乳液，650乳液，测试后CM769乳液与石灰膏基础兼容性最优，选择TS209作为润湿剂。

3.2.2 石灰膏用量和粘结剂用量实验

1. 石灰膏用量实验配方与样品制备

(2) 基准配方策略（重量份）：

   · 保持乳液、总粉体体积（填料补充）、助剂体系相对恒定，以凸显石灰膏变量的影响。

   · 变量：石灰膏（以干固份计，占配方总固体质量的百分比）：设置15%、25%、35%、 45%、55%五个梯度。

   · 通过调整粉料的比例来维持总粉体量一致。

   · 用水量根据膏体施工粘度进行微调。

(2) 制备流程：

   1. 将计算好的水和纤维素醚预分散。

   2. 加入石灰膏，低速搅拌均匀。

   3. 依次加入其他粉体填料，中速分散至均匀细腻。

   4. 加入乳液及其他助剂，低速搅拌均匀，避免引入过多气泡。

   5. 密封熟化24小时，测试前再次简单搅拌均匀。

2. 乳液用量 实验配方与样品制备

(1) 基础配方（重量份）：

   · 石灰膏：100

   · 填料/粉料：150

   · 纤维素醚等助剂：固定量

   · 水：调整至相同施工粘度

   · 变量：乳液（以纯固体份计，占粉料总质量的百分比）：设置3%、5%、8%、12%、 15%五个梯度。

(2) 制备流程：

   1. 将水、纤维素醚预分散溶解。

   2. 在低速搅拌下，依次加入粉料（石灰、填料），高速分散至均匀无颗粒。

   3. 低速搅拌下，缓慢加入预定量的乳液，搅拌均匀。

   4. 调整pH值（如需），并加入其他助剂，搅拌均匀。

   5. 密封熟化24小时后进行测试。

3.2.3 性能的测试方法

   将添加不同变量的石灰膏样和不同乳液量样品进行以下性能测试：

· 施工性：批刮阻力、爽滑度、可塑性、开放时间。

· 干燥特性：表干、硬干时间，是否影响后续抛光。

· 膜性能：粘结强度、早期抗裂性。

· 耐水性：浸泡后是否发白、软化。

· 贮存稳定性：热贮（如50°C，7天）后有无结块、破乳等。

3.3 结果与讨论

3.3.1 石灰材料含量的影响

对五个梯度样品进行平行测试，关键结果记录如下：

表3-3 不同石灰膏量性测试结果

根据漆膜脱落面积，按以下等级评定附着力：

合格标准：通常要求附着力等级为 0级或1级。

3.3.2 粘结剂含量的影响

对五个梯度样品进行平行测试，结果记录如下：

不同乳液掺量性能测试结果汇总

表2-4 不同乳液量性测试结果

根据漆膜脱落面积，按以下等级评定附着力：

合格标准：通常要求附着力等级为 0级或1级。

3.3.3 石灰膏用量的效果评定

关键性能的转折点分析：

   · 施工性与工作性：在35%左右达到最佳平衡点。低于此值，膏体缺乏石灰基特有的“油脂感”和可塑性；高于此值，粘度过大导致施工性急剧恶化。

   · 强度与硬度发展：随石灰膏增加而提高，但超45%后，由于收缩应力剧增，实际粘结强度和抗折强度可能因微裂纹而下降，表现为“硬而脆”。

   · 收缩与开裂风险：这是最关键的制约因素。石灰膏含量与干燥收缩呈强正相关。35%是一个临界点，在此之下收缩可控；超过45%，开裂风险在生产应用中变得难以接受。

   · 质感与特性：25%-35%的区间能明确体现出石灰基材料特有的温润哑光质感。低于25%更像普通腻子或厚浆涂料；高于45%则失去柔润，趋向于硬质灰泥。

最佳范围确定：

   · 综合所有性能指标，特别是平衡施工可行性、收缩开裂风险与石灰质感，石灰膏（以干固份计）的最适用量范围为30%左右。

   · 推荐中值：30%此用量下，产品具有优异的施工手感、理想的干燥速度、良好的强度发展潜力，同时将干燥收缩控制在可通过施工技术和养护管理的范围内，并最大化保留了石灰基艺术的视觉与触觉特征。

   · 应用细分建议：

   · 30-33%：适用于追求更轻松施工、更快干燥速度的商业大面积项目，或作为底层找平材料。

    · 35-38%：适用于高端定制艺术漆，强调极致的质感表现和手工工艺。

    · >40%：仅建议用于特定仿古修复或需要极高表面硬度的特殊场景，且必须配合严格的基层处理和养护工艺。

3.3.4 粘结剂含量的效果评定

性能趋势分析：

   · 随着乳液掺量增加，漆膜的柔韧性、抗裂性、附着力、耐水性显著提升。从3%到8%，这些关键性能实现了从“不合格”到“良好/优秀”的跨越。

   · 施工性呈现一个峰值。掺量过低（3%）时膏体干涩；掺量过高（>12%）时膏体变粘，操作性下降。8%掺量时施工手感最佳。

   · 硬度和透气性则随乳液掺量增加而下降。高掺量（>12%）导致漆膜过软（硬度低），且聚合物膜过密，严重影响了石灰基材料核心的“呼吸”功能。

   · 最终质感是艺术漆的灵魂。8%掺量完美保留了石灰的哑光矿物质感，同时赋予适度的润泽度。超过12%，产品特性开始向普通弹性涂料偏移，丧失了其独特价值。

拐点与最佳范围确定：

   · 性能拐点：在 5% - 8% 之间，大部分关键性能（抗裂、附着力）发生质变。

   · 经济性与质感平衡点：8%掺量后，性能提升的边际效益递减，而成本和质感损失开始显著增加。

 结论：对于本实验所用纯丙乳液体系，最佳掺量范围为6%-9%（固体份/粉料）。

     · 8%可作为标准配方的推荐中值，在性能、质感和成本上达到最优平衡。

     · 6-7%可用于对成本更敏感、或追求更干爽质感的经济型/特色产品。

     · 9%可用于对抗裂性、耐水性要求极端苛刻的特定场合（如潮湿地区地下室）。

3.4 本章小结

1. 石灰膏的用量是定义产品是否为“真石灰基”并决定其最终品质的核心参数。其影响并非简单的线性关系，而是在施工性、收缩性、强度、质感之间存在着复杂的博弈。

2. 为制造一款性能稳定、施工友好且具有鲜明石灰特色的膏状艺术漆，将石灰膏（干固份）的用量控制在配方总固体质量的35%左右（±5%） 是科学且合理的。

3. 乳液掺量是决定水性石灰基膏状艺术漆性能与风格的关键因素，其影响是非线性的，存在明确的“性能饱和点”与“质感临界点”。

4. 在本实验条件下，推荐乳液固体份占粉料总质量的8% 作为核心配方参数。此掺量下，产品兼具优异的施工性、足够的抗裂性与附着力、良好的耐水性，并最大限度地保留了石灰基材料的独特质感与透气性。

5. 建议根据最终产品定位（高端/标准/经济），乳液在 6%-9% 的范围内进行微调，并需通过完整的耐老化等长期测试进行最终验证。

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