英德科迪颜料技术有限公司
刘敏，匡明民 技术经理，工程师
摘要：本文通过水性工业漆色浆在使用过程中常见几类问题的应用研究，分别对色浆与涂料的相容性问题、漆膜雾影问题、色漆的耐盐雾性能、色漆存储浮色发花问题以及颜料的研磨粒径范围确定方法进行分析，对水性工业漆色浆的运用以及要求进行了一定的界定和划分，旨在为推动涂料水性化进程。
前言
根据标准HG/T3951-2007分类，一般分为工厂用色浆和机用调色色浆。在应用方面，涂料匹配着色技术逐渐细分为不同领域，色浆分类随着涂料树脂技术转变而作相应的配套转变，在涂料创新中，对色彩应用问题较多。目前流行的水性工业漆，在油转水涂料应用中，水性色浆满足低VOC。而与水溶性树脂匹配，与醇醚类溶剂混溶方面，常规水性色浆已满足不了这些要求。涂料应用条件的改变，在着色剂应用上对颜料，树脂，分散介质的选择，研磨工艺上的专业化要求更高。
1.水性工业漆色浆制备原理
与传统分散研磨机理一样，色浆研磨方式通常采用树脂研磨和无树脂研磨。选择研磨介质原因取决于现有应用体系所搭配的树脂体系的要求，及整个涂料体系在材料极性，润湿混溶方面兼容等因素。
一般来说，现在水性色浆不需要采用树脂研磨，因为在水性体系中现在的分散剂可以通过双电子层和空间位阻使得色浆可以很稳定的存在，故不需要使用树脂。而溶剂型体系中，由于分散剂只能采用空间位阻效应来防止颜料团聚，对分散剂的要求较高，因此需要通过添加部分树脂来包裹颜料，从而达到稳定。
2.水性工业漆色浆相关配套材料概述
水性工业漆色浆制作，难点在于颜料选择，润湿剂，分散剂，树脂匹配，相关材料分类简要列举如下：
2.1助剂常用选择类型
1、非离子表面活性剂与阴离子表面活性剂
2、有机胺及有机酸类，高级脂肪酸，脂肪胺、松香胺等。
3、有机颜料自身衍生物改性材料
4、聚合物类分散剂
5、无机金属络合物改性剂
2.2涂料中常用颜料选择分类
表.1 涂料中常用颜料类型
有机颜料 | 无机颜料 |
1、高档色酚AS类 2、特殊偶氮合（苯并咪唑酮及偶氮缩），杂环偶氮与金属络合 3、喹吖啶酮 4、苝系列 5、咔唑或二噁嗪 6、异吲哚啉酮，异吲哚啉类 7、蒽醌稠环酮类，芘酮，还原染料类等 8、吡咯并吡咯二酮类 9、喹酞酮等 10、酞菁类 | 1、氧化铁，纳米氧化铁 2、氧化钴 3、钒酸铋 4、钛白 5、氧化铝银浆 |
以上部分颜料已在油性工业涂料中有很好应用，在材料属性上不作说明。部分无机颜料在水性化制作上，成为颜料表面处理上研究的一个方向。在颜料选择方面，在颜料结构上找类似产品，同一结构颜料选择上，为方便制浆，选择上有不同之处。
2.3工业漆用树脂基本分类
表.2 工业漆用树脂的分类
按结构区分 | 根据用途区分 | 根据外观区分 |
1、醇酸：自干，烤干 | 1、水性木器漆 | 1、水乳化型 |
2、聚酯 | 2、水性玻璃漆 | 2、水分散型 |
3、环氧 | 3、水性地坪漆 | 3、水溶性，水溶性树脂靠高分子链上所带亲水基团产生自乳化形成 |
4、丙烯酸 | 4、水性金属烤漆 | |
5、聚氨酯 | 5、水性塑胶漆 | |
6、各种改性PVDC |
3.水性工业漆色浆在使用过程中常见几类问题
3.1相容性，混溶返粗
当色浆与体系不相容时，在涂膜的过程中可以直接反映。从图1可以看出，左边色漆表现为颜料絮凝，右边色漆光泽良好。一般色浆与体系配伍性差，直接表现为色浆中颜料会在混溶时出现返粗。
图.1 色浆在水性工业漆中的相容性对比
3.2成膜干燥返粗
色浆与涂料的配伍性的另一现象为，在色漆成膜干燥的过程中颜料又重新絮凝，出现返粗现象，表现为色浆与涂料的相容性差。如图2所示，漆膜干燥过程中会因为外部各种条件的影响，如色漆干燥温度、空气湿度以及色漆附着的基材等因素的影响，出现上述现象。
图.2 色漆成膜干燥过程中颜料重新絮凝
3.3与部分醇醚类溶剂稀释后返粗
将建涂用色浆以及水性工业漆用色浆按照一定比例与醇醚类溶剂稀释，对比如图3所示。从图中可以看出，水性工业漆色浆与醇醚类溶剂混溶性良好。两种不同用途的色浆表现出较大的差异，建涂用色浆在乙醇中，颜料粒子又重新絮凝，出现返粗现象，颜色无法展现；而水性工业漆用色浆在乙醇中混溶性良好，具有良好的展色性能。
图.3 不同用途色浆在与乙醇混溶后的效果（左为建涂用色浆；右为工业漆用色浆）
3.4干燥后产生雾影
色漆的光泽是影响其应用的一个关键因素，色浆与体系的配伍性越好，表现为对漆膜光泽影响越小，漆膜干燥后的雾影程度更低。本小结选择一个常见水溶性树脂基料（水性玻璃烤漆）作为测试介质，对不同用途色浆（超细纳米色浆、普通建涂色浆、水性工业漆用色浆）按照相同的添加量，测试其混溶后的效果。
图.4 不同用途色浆在水性玻璃烤漆中的相容性测试
从图4中可以看出，采用普通建涂用色浆在水溶性树脂中表现为相容性最差，无法正常使用，另外，相比超细纳米色浆，水性工业漆用色浆有更好的相容性。
将上述所表现的结果汇总于表3中，从表中可以看出，水性工业漆用色浆在相容性以及光泽上明显优于其他用途色浆，表现为对漆膜的光泽影响小，出现雾影程度小；另外，从超细色浆以及普通建涂用色浆的应用效果可以看出，色浆中颜料的粒径越小在一定程度上能改善色浆的相容性以及光泽。
表.3 不同用途色浆在水性工业漆中的表现结果
色浆类型 | 色浆说明 | 相容效果 | 光泽 | 结果 |
9007-SC/6153-SC | 超细纳米色浆 | 可溶，有轻微返粗 | 正常 | 一般 |
9007-SB/6153-SA | 普通建涂水性色浆 | 返粗严重 | —— | 无法使用 |
9007-SI/6153-SI | 水性工业漆专用色浆 | 无返粗 | 无明显影响 | 良好 |
3.5色浆在不同水性树脂通用性测试
色浆的通用性是其主要基本特性，而一般色浆很难保证在不同树脂体系下具有良好的通用性，表4为普通色浆在不同体系下通用性测试结果。从表可以看出，一般色浆在一些体系会表现出较好的结果，但是在其他体系相对较差，这说明色浆所具备的通用性还比较差。因此色浆的通用性也是水性工业漆用色浆的较大的突破性难点。
表.4 色浆在不同树脂体系下通用性测试
水性树脂 | 混溶性 | 光泽 | 漆膜状态 |
环氧改性丙烯酸 | 好 | 好 | 表面无颗粒 |
有机硅改性聚酯 | 轻微颗粒 | 失光 | 轻微颗粒 |
羟丙烤漆 | 好 | 好 | 正常 |
水性醇酸 | 好 | 轻微失光 | 平整，无异常 |
丙烯酸可剥离树脂 | 轻微颗粒 | 较差 | 缩孔 |
3.6色浆添加量对漆膜光泽的影响
炭黑颜料因其具有较大的吸油量，在应用过程中会因为其添加量增大而出现光泽降低的现象。本小结以炭黑9007-SI在水性玻璃烤漆中60o角下测试不同色浆添加量下光泽情况如图5所示，从图中可以看出，在不同的色度底板下，当色浆添加量少于10%时，色浆的加入有利于提高漆膜的光泽；而当色浆添加量大于20%，其添加量才会出现光泽降低的现象。因此，可以看出当色浆与涂料的相容性较好时，色浆的添加量对其光泽影响不明显，而当色浆与涂料的相容性差时，漆膜的光泽会随着色浆添加量的增加，其光泽损失非常明显。
图.5 色浆添加量对漆膜光泽的影响
3.7色浆性能对色漆的耐盐雾的影响
图.6 色浆的耐盐雾性能（图上：24 h；图下：96 h）
按照GB/T 1771-2007色漆和清漆耐中性盐雾性能的测定标准，选用市面常用水性集装箱面漆，分别采用不同的分散剂体系制备的色浆配制成的色漆。如图分别为测试时间在24 h和96h的耐盐雾性能，从图中可以看出，在不同测试段下，测试结果都表现出明显的差异，并且随着测试时间的延长铁板破坏程度越大，这说明在选用同样的铁红颜料下，分散剂的类型对色浆的耐盐雾性能有很大的影响。因此在水性工业漆色浆用分散剂的选用下必须通过该项性能选择一些耐盐雾性能较好的分散剂。
3.8 色漆浮色发花测试及解决思路
色漆存储的过程中出现浮色发花是影响色漆正常使用的一个关键因素，本小结通过对浮色发花的一些测试，并提供相应常规解决方案。实验选择一种粘度相对较小的水性木器漆（粘度较小时，采用无机颜料和有机颜料调色时，因比重差异，色漆更容易出现分层）作为测试对象，分别按照下表5中色浆的添加量测试其浮色情况。从表中可以看出，对比方案1和2，主要是对照不同白色色浆的影响；而对比方案1、3和4，主要是通过对比润湿和分散剂的影响。色漆存储一段时间后，观察色漆的浮色情况，如图7所示。
表.5 不同钛白浆以及润湿分散剂对浮色发花的影响
方案1 | 方案2 | 方案3 | 方案4 | |
添加量20% | 1008-SI | 1008-SI-1 | 1008-SI | 1008-SI |
添加量1% | 6153-SA | 6153-SA | 6153-SA | 6153-SA |
添加量2% | 助剂A | 助剂B |
图.7 不同方案下色漆的浮色发花情况
从上图可以看出，无论是更换钛白色浆还是在色漆中添加润湿分散剂均改善色漆存储出现浮色发花的现象。另外，根据上图结果可以看出，引起色漆存储浮色发花一部分是因为体系粘度较小，钛白浆出现严重沉底的现象，因此可以通过调节体系的粘度来改善上述现象。接下来根据下表6中实验，分别测试不同的增稠剂对浮色发花情况的影响，所得结果如图8所示。
表.6 不同增稠体系对浮色发花的影响
方案1 | 方案2 | |
添加量20% | 1008-SI | 1008-SI-1 |
添加量1% | 6153-SA | 6153-SA |
添加量4% | Gel-1000 | Gel-1000 |
添加量0.2% | 缔合型增稠剂 |
图.8 不同方案下色漆的浮色发花情况
从图8可以看出，添加增稠剂对改善色漆浮色发花的效果要相对添加润湿分散剂的效果好。另外，对比方案1和方案2，添加少量缔合型增稠剂后可以缓解浮色分层。
另外，在上述实验基础上，还可以分别通过选用不同水性蓝、黑色浆，在相同的存储时间内观察其浮色分层情况，对应的实验方案表7所示，所得结果如图9所示。
表.7 不同用途色浆对浮色发花的影响
方案1 | 方案2 | 方案3 | 方案4 | 方案5 | |
添加量20% | 1008-SI | 1008-SI | 1008-SI | 1008-SI-1 | 1008-SI |
添加量1% | 9007-SB | 9007-SI | 6153-SA | 6153-SA | 6153-SI |
添加量2% | 增稠剂 | 增稠剂 | 增稠剂 | 增稠剂 | 增稠剂 |
图.9 不同方案下色漆的浮色发花情况（从左至右依次为方案1至方案5）
从上图可以看出，方案2相对方案1效果稍好，方案5相对于方案3或4结果稍好。因此，在该体系中，选用水性工业漆用色浆在改善浮色发花效果上要优于普通建涂用色浆。
4.颜料的粒径对色浆性能的影响
从以上实验结果可以发现，颜料的粒径对其光泽以及相容性有一定影响，色浆中颜料粒子越小在一定程度上有利于改善其体系中的相容性。本节从颜料的展色性对颜料的粒径进行研究，以颜料红P.R. 170为例，通过延长色浆制备所需的研磨时间，测定色浆的着色力的稳定性来确定色浆的研磨时间以及色浆的研磨粒径。
表.8 研磨时间对色浆的着色力与粒径的影响
标准 | 样 | △L | △a | △b | △E | △Str | D粒径(nm) | 注明 |
未上机 | 刚上机 | -1.78 | 2.65 | 0.42 | 3.22 | 125.9 | <2000 | |
研磨0.5h | 研磨1.0h | -2.14 | 3.59 | 0.19 | 4.18 | 131.13 | 580 | D97 |
研磨0.5h | 研磨1.5h | -2.61 | 4.71 | -0.15 | 5.39 | 139.16 | 400 | D97 |
研磨0.5h | 研磨2.0h | -4.33 | 7.11 | 0.5 | 8.34 | 173.16 | 357 | D97 |
研磨0.5h | 研磨2.5h | -0.42 | 1.19 | -0.32 | 1.31 | 105.82 | 320 | D97 |
研磨0.5h | 研磨3.0h | -2.09 | 3.59 | 0.32 | 4.17 | 131.03 | 220 | D97 |
研磨0.5h | 研磨3.5h | -1.72 | 2.32 | 0.62 | 2.96 | 124.27 | 180 | D97 |
从上述结果可以看出，随着研磨时间的延长，色浆中颜料的粒径相对越小。另外，在研磨时间小于2h时，色浆的着色力随着时间的延长而增加，但当研磨时间超过2.5h后，色浆的着色力表现出无明显的规律，着色力相比研磨时间在2h时要低。这说明当颜料加工到一定粒径下，并非其粒径越小，其表现出来的着色力越高，每一种颜料都有一个相对最佳粒径范围。
5.结论
1、水性工业漆色浆可与一般乳液体系以及水溶性树脂体系相容，具有良好的通用性、耐醇醚性，对高光泽漆具有保光率高的优点，并且可以有效改善漆膜雾影的问题。
2、色浆的分散剂选择对色漆耐盐雾性能有很大的影响，水性工业漆色浆因选用耐盐雾性能相对较好的分散剂制备。
3、在白漆调色体系中，采用体系配伍性更好的色浆具良好的抗浮色效果。
4、当颜料研磨到一定粒径下，并非其粒径越小，其表现出来的着色力越高，每一种颜料都有一个相对最佳粒径范围。
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