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K2SiO3 无机涂料的研制与发展

摘要:K2SiO3 无机涂料是一种以硅酸钾碱金属盐为主要成膜物质、加入颜料、填料和助剂配制而成的一种新型环保的建筑涂料。 本文概述了K2SiO3 无机涂料的性能、配方、工艺等技术研制与发展前景。

作者:山西铭奕洁科技有限公司总工、水涂委专家 张良花


1、前言:

  随着我国科学技术和经济建设的发展,人们的生活水平和环保意识日益提高。建筑事业也在高质量的迅速发展。建筑涂料是一种主要的建筑材料,它的功能使建筑物的内外墙体和地面屋面涂于涂料后,可结成坚硬的涂膜,不仅色泽美观美化建筑物,改善城市面貌,而且具有保护墙体、延长建筑物的使用年限。因此,涂料是现代建筑饰面工程中的主要材料,得到广泛的重视和应用。建筑涂料的发展应根据国情而定,近年来,在国家大环保形势下,对涂料工业的环保工作提出了更高的要求,就涂料中VOC(挥发性有机化合物)对环境的污染制定了各种相关的政策法规,综合考虑我国的环保要求和矿产资源经济力量应从发展有机涂料(VOC较高)转向发展无机涂料(不含VOC)或高分子无机涂料,因为无机涂料具有无毒无味,环境友好,不污染环境,且防霉、防潮、防酸、防碱、安全不燃等特点,可广泛用于水泥、木材、钢材等多种基材、高固着、不龟裂、不起泡,尤其在防潮、防腐蚀和环保方面显示了巨大的技术优势和市场优势。

2、无机涂料的定义和发展历程:
  无机涂料相同于古老的或传统的涂料,人们称之为油漆之类的涂料都是有机涂料,在此基础上发展起来的合成树脂涂料仍然是有机涂料。不同之处,无机涂料的主要成膜物为无机材料或者起到主要作用的涂料主成分为无机材料,均能够涂装于物体表面形成坚韧保护膜的材料,则称为无机涂料。

  无机涂料的开发与应用始于20世纪70年代初期石油危机,日本首先成为研究开发了以硅酸盐无机高分子为成膜物的涂料,德国的BASF、Wacker、Bayer和Keimfavben等公司,先后研制出了特质液态硅酸钾为主要成膜物的新型无机建筑涂料,随之美国在无机涂料、无机-有机复合建筑涂料中有了较快的发展。到20世纪80年代后期,我国已经相继研制开发了数十种硅酸钠、硅酸钾无机涂料,得到了广泛推广应用。


2.1、哪些材料属于无机材料?


2.2、无机涂料成膜物包括如下:

  据介绍,碱金属硅酸盐的耐水性是锂优于钾,钾优于钠,在国内锂水玻璃产量不大,因而我们选用改性的纯钾水玻璃作的基料配制涂料,随后又确定了其生产工艺和质量指标。

3、K2SiO3无机涂料与聚合物乳胶涂料的性能特征对比

  从表1可知,K2SiO3无机涂料的各种性能均远超于聚合物乳液涂料的性能,因为无机涂料与基材的结合是牢固的化学键结合,可渗入多孔性的无机硅酸盐材料中,且能够和基材中的物质发生新的硅酸盐材料而沉积在孔隙中,SiO2+Ca(OH)2+CaSO4+H2O,式中Ca(OH)2是水泥水化过程中CaO的水产物,CaSO4是硅酸盐水泥的主要成分,是一种胶凝材料增强了涂膜的附着力和耐久性。

4、K2SiO3无机涂料试验部分。
4.1、原材料选择。
4.1.1、主要成膜物选择硅酸钾纯水玻璃分子式K2SiO3也称钾水玻璃K2OnSiO2nH2O或硅酸钾水合物,无机粘结剂,PH=13-14,粘度10-12s浓度1.345-1.425g/cm2,模数n=2.48-3.40,含量SiO2含量18.22-29.79,K2O含量7-9%。
  K2OnSiO2其中n是SiO2和K2O的克分子之比,称为硅酸钾水溶液的模数,模数是水玻璃的重要参数,模数越高,粘接力越强,其杂质含量越小、越好。

4.1.2、辅助成膜物,具有抗盐能力和一定的热稳定性及良好的成膜性,选择低气味苯丙乳液或纯苯丙乳液等,与主成膜物复配,提高硅酸钾(K2SiO3)的初期耐水,早期成膜。

4.1.3、分散剂:
  提供体系中颜料、填料的润湿分散,降低表面张力,取代颜填料表面的吸附物和空气进行气固界面转换成为液固界面,增强颜填料同液相基料的相客性,经实验得知钾盐较钠盐分散剂好,因具有更少的盐折和更好耐水性,是无机涂料的最佳选择。

4.1.4、消泡剂:
  众所周知,在涂料制造和施工时,总会出现令人讨厌的泡沫,影响涂料的品质,消除和抑制气泡产生的影响,选择最佳消泡剂很重要,既要优异的消泡能力,又要分散性好、不易油缩,相容性好,长效性好。

4.1.5、稳定剂:
  能够提供保护和稳定辅助成膜的聚合物乳液的作用提高冻融,电解质和器械稳定性平衡酸碱度。

4.1.6、增强剂:
  能与成膜物紧密地结合,使制品的机械稳定性显著提高的物质。例如:双氧磷酸铝、磷酸二氧铝、五氧化二磷、三聚磷酸铝等等。

4.1.7、QM增效剂:
  属环保功能更具有极强的附着力、高硬度、高抗污,对于油污、圆珠笔、油墨、墨汁、酱油等均不能渗透,可擦洗干净,具较强的自洁功能,提高涂膜综合能力。

4.1.8、QM交联剂:
  协同QM增强剂提高涂料耐久性、耐沾污、耐人工老化使涂膜更平整、光滑遮盖率更好,对比性高。

4.1.9、颜料、填料(白色、红色、黄色、兰色、绿色)分散于钾水玻璃中的颜填料,是无机涂层的骨架,可以提高或给予涂层某种特性,不同的填料涂层所起的作用各异。

  颜料是不溶于水或其所分散的介质有色粉末,在涂膜中的首要作用是能够赋赋涂料以一定的色彩,其次能够增加涂膜的体积,使涂膜具有遮盖基层的能力,增加涂膜的色彩和保护作用提高涂膜的械械强度,防止紫外线在涂膜中穿透,因为颜料能吸收有一定量的紫外线,所以能够提高涂膜的耐久性。如钛白粉、酞青兰、酞青绿、氧化铁等

  填料是颜料的一类,也称体质颜料,在涂料中能够增加涂膜厚度和涂膜体积,提高耐久性,有些填料的使用可以达到某种功能作用,如氧化锌,防止沉淀,增加性能,白色颜填料建议选择金红石型钛白粉,超细煅烧高岭土,重质碳酸钙、滑石粉、氧化锌。

五、K2SiO3无机涂料参考配方及工艺流程分别以表2和图1所示。
  经过反复试验对比不同配合比涂料的各种性颈有指标及优缺点,确定了本无机内墙涂料较佳配合比如下:
表2(以内详配方举例)



  以上配方仅供参改,已进行批量生产,但不同需求可作调整,需做实验确定。颜填料在涂料中的掺量不足和掺量过多,不但会使涂层的性能下降,而且会影响涂料施工及成本,填料中各个品种之间的相互比例也要适当,K2SiO3无机涂料制备过程,均在碱性体系中进行,所以对原材料选择以及各原材料之间的科学配合比例需严格掌握,既要突出其优势性,又要保证产品质量的稳定性。

图1:工艺流程

  性能测试:按表2所示调整配方和图1工艺流程配制的涂料测试结果如表3。

六、K2SiO3无机涂料技术性能
表3



七、K2SiO3无机涂料检测性能参照执行标准

表4
  结束语:本文通过反复研制K2SiO3无机涂料,取得了圆满进展,无论是原材料选择、配方调整,制备工艺还是性能检测都做了大量的实验,至今已投入批量生产,并受到用户的欢迎。实验证明,由于无机涂料本身以水为分散介质,整个生产、运输和贮存、涂装过程中不存在环境污染,卫生和火灾的隐患、易于操作、干燥快、对基层的含水率要求不是十分严格(一般均可在稍微潮湿的基层表面施工)涂装工具易于用水冲洗,另外无机涂料的贮存条件也比其它水性涂料更宽,例如:合成树脂乳液涂料的贮存温度不能低于0℃(一般要求5℃以上,甚至更高)。贮存低于0℃时有可能用乳液的低温破乳而导致涂料破坏,而大多数无机涂料在贮存温度低于0℃时,即使受到冻害的侵蚀,当温度还原到正常体系仍可正常使用。由此可见,无机涂料的性能优势很多,最明显的环保优势,能够广泛应用于学校、医院、办公室、幼儿园等场所,更安全、更环保,没有溶剂污染,市场竞争优势强,并会随着技术研发的不断进步,无机涂料的功能性和技术经济综合性能都会得到较大的发展。例如:无机防火涂料、无机防霉涂为、无机绝热涂料、无机防结露涂料等,将会形成一定的市场规模和发展前景。



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关键词: K2SiO3 无机涂料 环保建材 硅酸盐

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