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技术分享:水性裂纹漆的研制
2018年10月19日    阅读量:3230    新闻来源:金色摇篮,江苏三木化工股份有限公司 工程师,刘应科  |  投稿

1.水性裂纹漆的介绍

裂纹漆本身是一种美术漆,它在涂饰以后就形成一些比较美丽的带有裂纹的图案,图案主要是要自然、古朴。其实大家一般是要求裂纹的大小、形状要均匀,这一方面就是跟裂纹漆配方的合理性有关,另外一方面跟枪手或者说是喷漆工的涂刷工艺也有很大的关系。

 

裂纹漆可以用在玩具、工艺品、建筑装潢、家庭装饰,特别适用于一些仿古、仿真的这些装饰上面中国涂料在线coatingol.com。离我们最近的实例主要是一些家庭装饰方面的背景墙,就是大家的电视摆放的地方,一般会做一些美术涂饰,有可能是裂纹漆,也有可能是一些贝母漆,或者说是一些皱纹,这样子就让家里边的色彩和纹理都比较有立体感,不像整个一片白或者一片其它颜色会略显单调。

 

介绍水性裂纹漆之前,先回顾一下传统的溶剂型裂纹漆。传统的溶剂型裂纹漆一般我们是掌握三个原则,首先是减少成膜物质的量,这样就增加了颜填料的用量。然后再提高溶剂的挥发性,这样它造成的裂纹漆就具有比较大的一个舒适性和小的柔韧性,这样内应力会产生比较大的一个拉伸强度,形成收缩而成的均匀的裂纹。

 

一般我们做裂纹漆都会是一个底面配套使用,在这个时候,我们会选择对比比较强烈的颜色,这样出来的效果就比较漂亮,或者说是比较醒目,包括形成的一些金色的底,或者说是一些黑白相间的这样的一些美术效果,给人视觉上很强烈的冲击。

 

但是我们都知道靠减少成膜物质或者说是增加颜填料用量,然后提高溶剂的挥发性,都会造成裂纹漆,特别是面漆的附着力不是那么好,而且一般是没有光泽,也比较脆,需要在上面再涂一层清漆来保护它才不至于脱落,这样就增加了这个油漆工的工作量。然后因为里面使用大量的有机溶剂,特别是一般面漆是不会进行太厚的涂饰,涂饰太厚是有可能造成它的开裂不均匀,或者有的时候根本就不开裂,所以说就会有大量的稀释剂。

 

大量稀释剂的使用就必然造成了比较多的VOC,这样就是污染环境,而且还存在比较大的安全隐患,就是容易引起火灾,因为我们使用的溶剂都是易燃品、易爆品,爆炸的隐患随时存在,这就需要那个家家具行业或者说喷涂厂要严格掌握安全措施。同时,这么多的溶剂对操作人员的健康也是有比较大的损害。也是基于污染问题和健康问题,国家现在大力推广水性的涂料,包括水性树脂,所以我们就是在水性裂纹漆方面做了一些功夫,然后希望跟大家进行一个分享。

 

其实市面上最原始的裂纹漆本身是水性的。最开始家庭的涂装,包括家具还有一些使用的农具上或者说是一些操作工具上,中国的油漆或者说是涂料都是从水性开始的。裂纹漆这个水性涂料它也是从这方面过来的。最早的裂纹漆是通过阿拉伯胶来实现裂纹的产生。在一些广告行业,在一些娱乐行业、电影行业,或者是电影的海报上,裂纹漆用的还比较广泛,出来的效果比较吸引消费者的眼球。

 

我们来看一下这个最原始的裂纹漆,来自影剧院和影视业这些需要戏剧性效果的涂饰工艺,现在已经不多见了。

 

这种阿拉伯胶本身是一个天然的产物,也是一种植物上边提取出来的胶质的东西。它是水溶性,也就是相当于作画用的那种不管是乳胶还是一些水性的树脂上它都有比较好的一个附着力,但是首先是要求没有油污。然后,潮湿对它的干燥有比较大的影响,所以说一般要求比较干燥的环境。

 

一般的阿拉伯胶要产生裂纹,是通过在水性漆的底上刷涂一层这种液态的阿拉伯树脂也就是阿拉伯胶,然后在湿气比较小的大气里晾干,但是至少都需要一个小时以上。然后再用水性的涂料,也就是一些乳胶漆或者说是一些水性的其它的美术涂料在上边。在最终晾干的情况下刷,按照刷子去涂饰,一般是比较轻快的过去,不要重复来回的重复超过三次,否则阿拉伯胶可能会结糊,可能不会碎裂。

 

这个工艺是比较传统的,可能大家接触的比较少,我就把它一笔带过吧。

 

在阿拉伯胶上边涂除了水性的清漆或者色漆以后,差不多三十秒钟左右就开始碎裂,然后这个时候要让它完全干起码要半天时间,所以说那种传统的水性漆干的是比较慢的。干燥的过程中呢一些小的地方裂得不均匀,或者说裂得比较有效果的时候可以用不同的颜色啊什么的去做一些点缀,这样子就能得到不同的一些美术效果。

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这些都是美工人员做比较夸张的裂纹效果时的一些操作图。

 

2.水性裂纹漆的形成和制备原理

然后呢,现在我们来说一说水性裂纹漆的产生的机理。水性裂纹漆现在主要是利用它底漆和面漆的表面张力差形成裂纹,也有利用底漆和面漆之间的干燥程度、干燥速度差距形成裂纹。固化成膜的时候,漆膜的底漆会明显的收缩,这样就能够制造出水性的裂纹漆,而且这个水性裂纹漆不是单靠颜填料的增加,减少成膜树脂的用量来达到,它可以依靠单纯的正常的水性涂料来得到精美的裂纹,所以它可以直接得到亮光的裂纹漆。 


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这张图的是传统的这个溶剂型裂纹漆形成和制备的原理。实际上在这方面和水性裂纹漆的开裂机理是差不多的,只是说做水性裂纹漆的时候并没有要求去用一个高PVC浓度或者说是一味的把面漆的成膜物质的量去减少,所以说它是可以用正常的油漆、正常的涂料来得到机械性能,不需要通过罩光得到体现的美术漆。

 

水性裂纹漆的优势就是,不需要增加很多的颜填料,然后可以得到一些清晰的裂纹,这个在溶剂型的,特别是硝基的裂纹漆方面我是没有得到过这样的效果,有的可能会用一些聚氨酯的三聚体这样的很强烈的收缩效果去得到,这个也可以,但是要得到比较均匀的这种效果还是相对于水性的裂纹漆来说要难一些。水性裂纹漆它不需要增加颜填料,不需要去刻意的减低树脂的用量,就能够得到比较好的开裂效果,特别是龟裂的效果,它做起来的是非常好的。

 

水性裂纹漆在裂纹效果方面和溶剂型裂纹漆是有一定区别的,特别在制作高光裂纹效果方面,它是做龟裂效果比较好的。然后再高颜填料浓度的情况下,它可以制得硝基漆那种像花瓣一样的裂纹效果,但是制作这个效果的优势是不如硝基漆的。

 

像这种在大裂纹里面有一些没有爆开的小裂纹的这种硝基漆效果方面,一般它配套的裂纹面漆的PVC浓度是比较高一点的。

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在制作龟裂的这方面,水性裂纹漆更加容易表现。


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在水性丙烯酸白底漆搭配水性聚氨酯的铁红色漆的时候,因为当时水性聚氨酯铁红色漆我们用的是比较高光的树脂,它成膜也比较快,这样出来的它的直纹效果就是传统的那种龟裂型,跟硝基的那种类型还是有点区别。但是这个板子在制作的时候适因为喷得不是那么均匀,所以说看起来就是裂得比较碎的地方,也有大块一些的地方,也就是说还没那么均衡,但是我们实验员也不是专业的枪手,那么大家能看出效果就好。

 

然后我们还通过做清漆得到了一些透明的裂纹漆,这个效果硝基是没法实现的。

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我们在做这个水性裂纹漆的时候,选材是有刻意的去做一个配套。我们的水性底漆一般是要求干燥比较慢,然后它要有一定的亲水性,这样才有利于这个水性裂纹漆的开裂。所以我们在水性树脂合成的时候,也就是底漆合成的时候,是有两个方向的,一个就是用水性醇酸树脂,另一个是用水性丙烯酸树脂,来达到水性裂纹底漆的配套作用。

 

这里大致的讲一下水性醇酸树脂的合成。一般水性醇酸树脂的干性和溶剂性来比是干得要稍微慢一些,而且对于助剂,特别是对干料来的阻聚的作用很明显,所以说我们在油类的选择方面滴都是选择双键比较多的亚麻油酸,其实桐油酸应该是更好一些的,但是桐油酸颜色也太深,也不是那么稳定,所以我们这个例子是以亚麻油酸为主。

 

我们用差不多40%到50%的这个亚麻油酸;然后原料还有三羟甲基丙烷,差不多25份左右;然后季戊四醇用量的是5%左右;然后是间苯二甲酸,这个在溶剂型的醇酸树脂里面用的比较少,但是在水性醇酸树脂里面它是比较有用的酸;然后偏苯三酸酐这些都是水性树脂特别是醇酸树脂里应用比较多。

 

首先我们把亚麻油酸,三羟甲基丙烷,然后季戊四醇,间苯二甲酸,直接投入到反应釜中,然后升温酯化,然后到整个树脂变得清澈,再保温,然后到酸值低于10。这个时候呢,我们认为它酯化反应进行得比较彻底了,然后开始抽真空。

 

到160°的时候,我们再把偏酐加入,然后在180°的情况下保温,然后直到它的酸值在40到60毫克氢氧化钾每克的时候停止它的反应,让它有足够的羧基,有比较好的水溶性。

 

这个时候我们把它冷却到140°,然后加入一定量的乙二醇单丁醚。这个溶剂现在在国外是比较忌讳,因为乙二醇醚是有一定的生殖毒性的,但是在我们国内是允许使用的。然后它在水性涂料包括水性树脂里边,它的溶解性以及跟水的相容性还是比一些环保的溶剂要好,实际上我们也有用丙二醇甲醚做稀释的,其实也可以做,但是最后得到的水溶液的清澈度就比这个还是要差一些。

 

    稀释好了以后,我们以前的做法的是用三乙胺在中和差不多混合30分钟,让它的ph值偏碱性,差不多是8到9。现在我们一般就不这样做,现在都是直接加入乙二醇单丁醚或者pm这些溶剂以后,做高酸值的醇酸树脂去处理。在这个时候,其实是差不多可以水油通用的,这样也提高了它的应用面。

 

    以前我们都是加入去离子水,然后再把它搅拌均匀,然后成水分散型的醇酸树脂,后来我们发现这样做在包装上是一个难题,加入水以后再用镀锌桶来装的时候,它存在一个很严重的问题就是,水对轻金属的腐蚀问题,所以最后我们是选择不中和、不加水,让客户去自己来选择怎么去中和,给客户更大的自由度。

 

在水溶性的丙烯酸树脂方面,我们也有这么一个例子,为什么不用水性的乳液来做底漆呢,其实我们可以很明显的感觉到水性乳液的耐水性,是要比水性丙烯酸树脂要好很多,这样它对形成裂纹其实是不利的。所以说在水性裂纹底漆的选择时,我们是选的水性丙烯酸树脂。

 

接下来我把这个水性丙烯酸树脂大致的合成配方和进度也描述一下。

 

我们这个水性丙烯酸树脂用的是丙丁、丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯,然后引发剂是过氧化苯甲酰。用量上丙丁在30份左右,丙烯酸6~8份,甲基丙烯酸甲酯差不多30份,然后引发剂是3~4份,然后溶剂用的是正丁醇。

 

大致的工艺是丙丁、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸,然后过氧化苯甲酰,让它们混合均匀、溶解均匀后,再加入滴料漏斗中。把丁醇的加到假搅拌机里面去,然后升温至溶液的沸点。


    差不多回流两分钟,再滴料进行自由基的聚合反应,控制整个液体2到4个小时内滴完,要滴得比较均匀,温度控制在110°~125°之间。

 

滴加完成以后,溶液是在沸腾状态下的,我们保温3小时,补加引发剂基本上是差不多5克左右,最后就加水稀释,得到一个水溶性的丙烯酸树脂。

 

我们选择了水性的聚氨酯树脂来做面漆,水性聚氨酯对水的释放性是比醇酸、丙烯酸都要快一些,所以说利用这样的干燥速度差来产生裂纹,基本上这样是产生裂纹的原理。


我们来看一下水性聚氨酯树脂的合成,原料是用的异佛尔酮二异氰酸酯,也就是IPI,聚酯二元醇,二羟甲基丙烷,1-6己二醇,己二酸,新戊二醇,邻苯二甲酸酐,三羟甲基丙烷,三乙胺、乙二胺这些中和剂,以及DMF这些来做的水性聚氨酯。

 

这些原材料在一定的温度和一定的压力的存在之下,最后加入三乙胺这些中和,加入去离子水、扩链的乙二胺之后,高速分散,就能够得到水性的聚氨酯分散体,这个水性聚氨酯分散体的粒径是比较细的,所以基本上得到的是蓝相的液体。最后减压蒸馏,脱出丙酮,就得到了这个水性的聚氨酯树脂。


这是我们实验室做实验的一个大致的配比,大家可以参考一下。

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我们现在就在用制得的这三个树脂来做水性裂纹漆,首先我们用水性醇酸树脂来做一个白色的底漆。通过配套水性聚氨酯面漆来做一个白底红面的裂纹漆。

 

为什么会选择白色和铁红色?因为这个颜色比较常见,也比较利于分散,所以说是一个比较简单分散后就能得到的细度比较好的油漆。当然,不是说只有这两种颜色才可以,包括后来我们也做了一些黑色这些难分散的,黑色、蓝色都是没有问题的,就是不管你是要做黑底或者黑面,都是可以的,只要是把底面的对比度做出来,最后出来的这个裂纹可以看起来很美观就行。如果说底色和面色的差距很小,那么即使它的凹凸感很分明,但是看起来就觉得效果一般。

 

我们做了一个水性醇酸白底的大致配方,水性醇酸树脂基本上30份左右。中和剂我们选了最容易得到的氨水,氨水建议选20%以上浓度,基本上是水性醇酸树脂的3%~5%。然后中和,中和好以后就可以加水,水是加10份左右。然后添加膨润土这些防沉剂,还有分散剂。实际上在做水性醇酸特别像白色、铁红色这些的时候,我们认为大家可以不选用分散剂,因为这些比较好分散也比较稳定,但是如果你觉得分散效果不太放心,也可以选择分散剂,因为毕竟水对颜料或者底材的这个润饰效果还是比溶剂差得比较多,所以说你为了安全起见选择分散剂,我们也不反对。然后是加入消泡剂,我们认为在水性体系里面消泡剂是不可或缺的东西,水本身的气泡是空气炮,消失得要比溶剂慢很多,所以消泡剂是不能缺少的。然后再加入太白粉、滑石粉、重钙硫酸钡这一类的填料,当然这些颜填料是可以进行任意的更改,不必要说这个一定要水性专用或者油性专用。

 

现在我的看法是,这些颜填料只要不会溶解在溶剂中,不会溶解在水里,它都可以作为水性或者油性涂料的颜填料。如果说它是溶的,其实就相当于这是我们的色精,所以我觉得是没有必要专门分出来,这个东西它只能用在油性里边或者这个东西它不能用在水性里。我觉得这个东西主要在于它的水溶性或者说是它跟水是不是有接合,跟溶剂有没有接合。

 

然后就是整个研磨,就是高速分散到它的细度基本上小于50微米的时候。我们就可以让它慢慢冷却后再加入催干剂、防结皮剂。

 

我们做水性树脂也可以说是有十年的经验,我们觉得其实这个催干剂的添加量他不超过水性树脂的10%以上的时候,其实加不加防结皮剂对它的储存稳定性没有看到明显的区别。不加的情况下,我们很多的样品存放的差不多一年、两年的,都没有看到它有结皮,所以说这个可能也是衡量催干剂在水性里面到底起不起作用的一个标准吧。因此在水性里边我一般建议的催干剂添加量都比较大,我是希望它不加防结皮剂的情况下她没有结皮。


3.水性裂纹漆的配方和工艺

   

下面是水性裂纹底漆的配方,大家参考一下。

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然后我们再看看水性丙烯酸树脂来做水性白底的一个大致的配方。

 

这个配方和水性醇酸的是大同小异的。我是建议大家,水性丙烯酸树脂分散剂还是要加,因为本身溶剂型的丙烯酸树脂对颜料的润湿性并不是太好,和醇酸树脂是没法相比的,其它都差不多,基本上颜填料和助剂的添加量都跟水性醇酸差不多。所以说大家可以参照着刚才的水性醇酸树脂底漆的配方来做,只是水性丙烯酸树脂是没必要加催干剂和中和剂的。因为水性丙烯酸树脂是纯水溶,所以说它是不需要去加中和剂的。

 

现在就是做水性裂纹漆了,这个时候我们就能看到整个的配方跟硝基裂纹漆的配方差别就很大了。这里我们的水性聚氨酯树脂添加量有70份以上,因为我是希望得到一次性成型的裂纹漆,不需要罩光。

 

然后我这个水性聚氨酯树脂也是水溶性比较好的聚氨酯,也不需要中和,本身在制备的时候就已经中和过了,中和剂什么的已经加过了,因为水性聚氨酯它的包装的我们一般是采用塑料桶来包装,它不像醇酸树脂还想着水油两用这样来处理,所以我们直接中和好拿过去就可以用。

 

也是跟一般的这种配方类似,防沉剂、分散剂、消泡剂、色粉等等,我们选的是铁红,所以就是铁红色粉。填料是可以选择的,滑石粉对水性树脂的光泽影响比较大,如果希望降低成本,然后光泽还要好,最好是填料的就不用滑石粉,重钙对光的影响稍微比滑石粉要低一些,然后硫酸钡基本上对光泽影响很小。

 

在助溶剂方面我们会选择PM,即丙二醇甲醚,这样整个配方的环保方面会好一些。然后醇酯十二成膜助剂需要加一些,因为水性的一些聚氨酯或者水性的丙烯酸乳液在成膜的时候有开裂的倾向,而它这个开裂和我们真的裂纹漆的开裂是不一样的,它的规则性是没办法去掌握的,这样出来的就没有美术效果。所以虽然要开裂,但是我们的成膜助剂还是必不可少的。

 

然后就是底材润湿剂,因为面漆需要比较好的流平性,所以我们通过润湿剂来改善它的平整度。

 

下面把制备的配方和大致的工艺给大家参考一下。

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水性的裂纹漆呢有很大的优势是它可以直接做在玻璃或者铁片上边。一般溶剂性的硝基的这些东西,因为硝化棉的脆性跟难附着的底材是比较难做的。在这方面我们也做了一些化妆品瓶的尝试。

 

做在玻璃上面,我们通过做一些透明的底漆,不管它是水性醇酸还是水性丙烯酸,它涂在玻璃上以后对玻璃的颜色基本上是没有改变的,光泽就能通过玲珑剔透的玻璃上边的开裂效果处透出来,这样就能形成透明的底加上其它颜色的面的效果。我们还是做做了一个很好分散的铁红色的,我通过照片给大家分享一下。

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这个效果就是我们在化妆品瓶上面喷了一层透明的水性丙烯酸树脂,然后通过干燥差不多一小时左右,半小时左右表干这些就已经好了。在后来做的过程中,我们也发现水性丙烯酸的可操作性比水性醇酸要好。水性醇酸干透了以后要在上面让面漆再开裂就比较困难,而且即使开裂也不均匀,水性丙烯酸就不存在这个问题,它可以无限制的用,今天干明天用,或者今天干下个月用,它基本上没有改变。

 

上边的这个花纹,只要你喷均匀,它就会能够裂得比较均匀、自然。

 

然后我们通过调整面漆的颜基比也可以得到类似硝基的碎的花纹。我们做过一块木板,上面是做的白底铁红面,这个花纹的如果做得再均匀一些,它跟硝基漆的裂纹是类似的;或者面漆的颜基比再提高一些,也是可以做得到硝基的效果的,不过那个时候也同样需要去罩光。

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其实我们在实验的过程中也发现,这些裂纹漆干燥越快,裂纹出来的这速度肯定是越快,然后它出来以后的均匀度也会越好,所以说有的时候,特别是冬季比较寒冷的时候,我们会把样板拿去做烘烤,或者说在这个水性的这个面漆里边加一部分乙醇这样的一些快干的溶剂,让它尽快的实现开裂。

 

然后水性裂纹漆的配套或者是使用,其实国内外都有很多的实例,我就再大致的介绍一下。像日本有研制过,在石棉板上用水溶性的色漆,或者是溶剂型的涂料,又或者乳胶漆来做底色漆,干了以后用无机颜料来做裂纹面漆,利用无机盐在有机涂层上的表面张力差,有很高的收缩率来形成裂纹。

 

无机涂料的特点是又亮又硬,就像瓷砖的这种感觉,所以特别是对这个石棉板这种板材,特别是磷酸盐之类的涂层,它还是有比较好的效果。但是因为磷酸盐遇到水的时候有可能泛白霜,所以虽然说它的那个效果是又亮又硬,但是还是要做一个罩光来进行保护。

 

美国就是无论是底漆还是裂纹漆都采用水性的有机涂料,一般是不采用溶剂型的底漆。这些体系里主要就是利用两种涂料的表面张力差,或者利用固化成膜的时候底漆和面漆的体积收缩的明显差距,来做水性裂纹漆,其实也就是我们今天介绍的这些水性的丙烯酸底、水性的醇酸底,搭配水性聚氨酯面漆或者水性丙烯酸乳液的面漆来形成的水性裂纹漆。其实现在这已经是主流了。


标签:涂装应用技术中心水性木器漆涂装
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