專利名稱：天然無機涂料組合物及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及天然無機涂料組合物及其制備方法，特別涉及一種具有良好的儲存穩(wěn)定性的天然無機涂料組合物及其制備方法，其中當(dāng)該涂料組合物被涂覆在包括混凝土在內(nèi)的無機材料上時，可提供具有良好的強度和耐候性(weatherability)的涂層。
2.相關(guān)技術(shù)的描述近來，使用混凝土為主要材料建造的建筑物通常使用以苯乙烯丙烯酸酯為基礎(chǔ)的涂料組合物或以乙烯基修飾的苯乙烯丙烯酸酯乳狀液為基礎(chǔ)的涂料組合物進(jìn)行粉刷，以獲得粉刷效果和增強耐久性的效果。上述涂料組合物具有多種優(yōu)點，然而當(dāng)與使用硅酸鹽樹脂作為粘合劑相比較時，由于使用以有機物為基礎(chǔ)的乳狀樹脂作為粘合劑，其對混凝土材料的滲透效果下降。因此，該以乳狀液為基礎(chǔ)的涂料組合物對基材表現(xiàn)出較差的物理和化學(xué)粘結(jié)性。
即當(dāng)以乳狀液為基礎(chǔ)的涂料組合物涂覆于混凝土表面時，表現(xiàn)出較弱的滲透入所述混凝土表面部分的效果。然而。當(dāng)將以硅酸鹽為基礎(chǔ)的涂料組合物涂覆于所述混凝土表面時，所述涂料組合物很容易通過混凝土孔隙滲入混凝土的內(nèi)部，與氫氧化鈣(混凝土的主要成分)完成化學(xué)固化反應(yīng)。而且，由于水汽對所述乳液型涂層的滲透性較低，因此其長期抗霉力和耐久性也較低。特別對于有歷史性的建筑而言，水汽滲透性是很重要的因素。當(dāng)水汽或空氣通過涂層，其通路不應(yīng)該被阻斷。
為解決上述問題，可推薦一種使用無機粘合劑的方法。該無機粘合劑能夠在某種程度上彌補由使用以有機物為基礎(chǔ)的乳液粘合劑所產(chǎn)生的缺陷。在上述無機粘合劑中包括含有硅、氧和堿金屬鹽的硅酸鹽樹脂。這些成分在地球上含量豐富，因而對環(huán)境有極佳的親和性。因此，考慮到自然界和環(huán)境保護(hù)，其應(yīng)用是有利的。
典型的以硅酸鹽為基礎(chǔ)的樹脂包括硅酸鈉樹脂、硅酸鉀樹脂和硅酸鋰樹脂，當(dāng)使用含有硅酸鈉樹脂的無機涂料組合物時，硅酸鈉在所述混凝土表面部分的反應(yīng)過程相對過快。而且，其反應(yīng)程度不均勻，未反應(yīng)的物質(zhì)殘留在混凝土的表面。當(dāng)該未反應(yīng)的物質(zhì)接觸到水時，形成水合產(chǎn)物，使所述混凝土表面表現(xiàn)出漂白現(xiàn)象。此外，在所述涂層固化的初期階段，耐水性顯著降低。
當(dāng)使用包括硅酸鉀樹脂和硅酸鋰樹脂的常規(guī)無機涂料組合物時，存在較輕的但與使用硅酸鈉樹脂相似的問題。
此外，也容易出現(xiàn)由硅酸鉀樹脂的強堿性和樹脂結(jié)構(gòu)造成的問題。由于所述硅酸鉀樹脂與其它普通含水型樹脂具有較低的相溶性，選擇一種輔助樹脂來彌補所述硅酸鉀樹脂的缺陷是十分困難的。而且，由于制備涂料組合物的顏料分散性能和長時間的儲存穩(wěn)定性較差，所述涂料組合物的狀態(tài)是不均勻的，各相是分離的，或經(jīng)長時間存放后產(chǎn)生大量沉淀。即使在形成涂層之后，還可能產(chǎn)生剝離現(xiàn)象或涂層強度的降低。
因此，包括干燥性能、抗水性、作業(yè)效率和高穩(wěn)定性在內(nèi)的涂層物理特性很大程度上依賴于在所述天然無機涂料組合物中所包含的硅酸鹽樹脂、輔助樹脂、顏料等的種類和含量。此外，還有關(guān)于涂層強度和加速耐候性的問題。
發(fā)明概述因此，考慮到上述問題本發(fā)明的一個目的是提供具有優(yōu)良干燥性能、作業(yè)效率、耐水性、儲存穩(wěn)定性、涂層強度和加速耐候性(acceleratedweatherability)，但不含任何有機溶劑的天然無機涂料組合物。
本發(fā)明的另一目的是提供一種制備具有優(yōu)良干燥性能、作業(yè)效率、耐水性、儲存穩(wěn)定性、涂層強度和加速耐候性，但不含任何有機溶劑的天然無機涂料組合物的方法。
為實現(xiàn)所述目的，本發(fā)明提供了一種天然無機涂料組合物。該組合物包括約12-32％重量比的硅酸鉀樹脂、約5-30％重量比的輔助樹脂、約30-50％重量比的包括白色顏料和填充劑的顏料混合物、約0.3-5.0％重量比的添加劑(包括潤濕分散劑、穩(wěn)定劑、增稠劑)和約10-30％重量比的水。
優(yōu)選地，所述輔助樹脂包括至少一種以下物質(zhì)固體含量約為48-52％重量比、乳狀液平均顆粒尺寸約為150nm、且最低成膜溫度(MFFT)約為1-5℃的丙烯酸丁酯/苯乙烯(butylacryl/styrene)共聚物；固體含量約為48-52％重量比、乳狀液平均顆粒尺寸約為100nm、且最低成膜溫度約為15-25℃的丙烯酸丁酯/苯乙烯共聚物；及其混合物。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種制備天然無機涂料組合物的方法。首先，通過將約10-30％重量比的水與約0.3-5.0％重量比的添加劑混合制備第一混合物。然后，通過將約30-50％重量比的白色顏料和填充劑加入第一混合物。然后，通過先后將約5-30％重量比的輔助樹脂、約12-32％重量比的硅酸鉀樹脂及穩(wěn)定劑混合進(jìn)第二混合物中制得天然無機涂料組合物。
與常規(guī)的硅酸鉀樹脂相比，含有上述組分且根據(jù)上述方法制備的天然無機涂料組合物用于涂層具有良好的儲存穩(wěn)定性及改善的強度和加速耐候性。
發(fā)明的詳細(xì)描述以下將對本發(fā)明進(jìn)行具體描述。
天然無機涂料組合物本發(fā)明的天然無機涂料組合物是通過將硅酸鉀樹脂和適當(dāng)用量的輔助樹脂、著色顏料、填充劑、添加劑和水混合制備的，其中所述添加劑包括潤濕分散劑(wetting dispersant)、穩(wěn)定劑、增稠劑和消泡劑。
所述天然無機涂料組合物中包含的硅酸鉀樹脂包括分子比例約為2.6-4.0的二氧化硅(SiO2)和氧化鉀(K2O)。該樹脂的固體含量約為20-30％重量比。更優(yōu)選地，二氧化硅和氧化鉀的分子比例約為3.2，而固體含量約為30％重量比。
當(dāng)所述硅酸鉀樹脂的用量約為所述天然無機涂料組合物的12％重量比或更低時，所述天然無機涂層的強度降低，而當(dāng)用量超過32％重量比時，所述天然無機涂層容易變脆。
因此，硅酸鉀樹脂的用量范圍約為所述天然無機涂料組合物的12-32％重量比，優(yōu)選為18-26％重量比。
包含在所述天然無機涂料組合物中的輔助樹脂的量約為48-52％重量比。該輔助樹脂包括至少以下一種物質(zhì)固體含量約為48-52％重量比、乳液平均顆粒尺寸為130-170nm、最低成膜溫度約為1-5℃的丙烯酸丁酯/苯乙烯共聚物；固體含量約為48-52％重量比、乳液平均顆粒尺寸為80-120nm、最低成膜溫度約15-25℃的丙烯酸丁酯/苯乙烯共聚物；及其混合物。
因為與通常的丙烯酸酯共聚物不同，所述輔助樹脂與所述硅酸鉀樹脂具有良好的相溶性，所以這種輔助樹脂可以容易地與所述硅酸鉀樹脂混合。此時，如果同時使用潤濕分散劑或穩(wěn)定劑則所述相溶性還可進(jìn)一步改善。
當(dāng)所述輔助樹脂的用量低于所述天然無機涂料組合物總重量的5％重量比時，涂覆作業(yè)效率降低，且天然無機涂層會產(chǎn)生漂白現(xiàn)象或初始耐水性降低。當(dāng)所述輔助樹脂的用量超過30％重量比，所述天然無機涂料組合物對混凝土材料的滲透性的物理性能降低，且空氣滲透性下降，從而使涂料層膨脹。
因此，輔助樹脂的用量范圍為所述天然無機涂料組合物的5-30％重量比，更優(yōu)選為10-20％重量比。
包含在所述天然無機涂料組合物中的顏料包括著色顏料和填充劑。該著色顏料通常包括基本呈白色的二氧化鈦，而該填充劑包括常用的碳酸鈣、滑石、硅酸鋁、云母、硅石、硫酸鋇、硅酸鎂、三組分的無機顏料(石英/云母/氯化物)等等。該三組分無機顏料是特殊的無機顏料(plastorit，Ruzenaq)包括石英、云母和氯化物。
考慮到耐水性和涂覆作業(yè)效率，優(yōu)選將碳酸鈣或三組分無機顏料用作填充劑，而滑石和硅石用作輔助填充劑。
所述白色顏料的優(yōu)選用量約為所述天然無機涂料組合物的5-20％重量比，而所述填充劑的優(yōu)選用量約為所述天然無機涂料組合物的20-40％重量比。
當(dāng)所述白色顏料與填充劑的重量低于所述天然無機涂料組合物重量比的30％時，所述天然無機涂層的白度下降，且該涂層的遮蓋效果降低，而當(dāng)重量超過重量比的50％時，所述天然無機涂層不夠堅固，且粘性、作業(yè)效率、耐水性和儲存穩(wěn)定性顯著下降。此外，在加速耐候性測試中，所述涂層的表面部分容易被所述顏料及其類似物染污且可能引起粉化現(xiàn)象。
因此，所述白色顏料和填充劑的總用量約為所述天然無機涂料組合物的30-50％重量比，更優(yōu)選為35-45％重量比。
另外，適用于所述天然無機涂料組合物的添加劑包括潤濕分散劑、穩(wěn)定劑和增稠劑，且還可包括粘度穩(wěn)定劑，消泡劑和pH調(diào)節(jié)劑。
本發(fā)明優(yōu)選的潤濕分散劑包括約為所述天然無機涂料組合物的0.01-0.5％重量比的、固體含量約為50％重量比的磷酸鹽溶液和季銨(quaternary ammonium)溶液。
優(yōu)選的穩(wěn)定劑包括約為所述天然無機涂料組合物的0.01％-0.5％重量比的基于甲硅烷醇的復(fù)合物穩(wěn)定劑，其固體含量約為50％重量比。
優(yōu)選的增稠劑包括通過將粉末型的羥乙基纖維素溶解在水中得到的溶液。優(yōu)選的羥乙基纖維素的用量(指粉末的重量)約為所述天然無機涂料組合物的0.01％-0.5％重量比。此時，優(yōu)選的所述添加劑的用量范圍約為所述天然無機涂料組合物的0.01％-0.5％重量比。
制備天然無機涂料組合物的方法本發(fā)明的天然無機涂料組合物是通過將水、添加劑、白色顏料、填充劑、輔助樹脂、硅酸鉀樹脂等等混合制備的。按此制備的天然無機涂料組合物具有良好的干燥特性、涂覆作業(yè)效率、耐水性和儲存穩(wěn)定性。此外，所述涂層的強度和加速耐候性也很優(yōu)良。
以下詳細(xì)描述制備所述天然無機涂料組合物的方法。首先，通過將約10-30％重量比的水和約0.3-5.0％重量比的添加劑混合得到第一混合物，其中所述添加劑包括潤濕分散劑、消泡劑、防水劑及粘度增強劑。
本發(fā)明將磷酸溶液和季銨溶液用作潤濕分散劑，Tego-810用作消泡劑及羥乙基纖維素用作粘度增加劑。
然后，將約30-50％重量比的白色顏料和填充劑加入第一混合物中，并高速分散從而得到第二混合物。直到混合物的細(xì)度達(dá)到5NS或更高才停止分散。
然后，依次加入約5-30％重量比的輔助樹脂、約12-32％重量比的硅酸鉀樹脂和儲存穩(wěn)定劑，并將混合物混合均勻。將由此制得的混合物過濾，得到天然無機涂料組合物。因為所述輔助樹脂和硅酸鉀樹脂的特性已經(jīng)在上文詳細(xì)解釋了，因此關(guān)于其特性的描述在此省略。
下面將參照優(yōu)選實施例具體描述由本發(fā)明方法制備的天然無機涂料組合物形成的涂層在強度和加速耐候性方面的改善。然而，本發(fā)明的范圍并不局限于下列實施例。
實施例1向13.9％重量比的水中加入作為潤濕分散劑的0.3％重量比的磷酸鹽溶液(Sapetin D20，Welnersilicate)及0.3％重量比的季銨溶液(Betoliquart-25，Welnersilicate)，0.2％重量比的消泡劑(Tego-810，Tego)和1.5％重量比的防水劑(Phobe 1400，Tego)得到均勻的溶液。然后，加入作為增稠劑的0.5％重量比的羥乙基纖維素(Cellosize ER-4400，Union carbide)，并迅速分散約10分鐘。
然后，向所得的混合液中加入10％重量比的白色顏料(TiO2R-706，Dupont)，25.0％重量比的碳酸鈣(Omyacarb 5，Omya)，8.0％重量比的滑石(Talc SA-400，Young Woo Chem Tech)及1.0％重量比的硅石(Syloid 74，Grace)，并迅速分散。
分散至細(xì)度超過5NS后，依次加入作為輔助樹脂的10.0％重量比的丙烯酸丁酯/苯乙烯共聚物(Acronal S-559，BASF)，25％重量比的硅酸鉀樹脂(Betolin P-35，Weollner SILIKAT)及儲存穩(wěn)定劑(Betolin A11，WeollnerSILIKAT)，并混合至形成均勻的混合物。然后，將所得的混合物過濾并包裝，從而制得初始粘度為90KU，固體含量為58％重量比的天然無機涂料組合物。
實施例2用10.0％重量比的最低成膜溫度約為20℃的丙烯酸丁酯/苯乙烯共聚物(Acronal 296DF，BASF)代替10.0％重量比的形成涂層的最低溫度約為3℃的丙烯酸丁酯/苯乙烯共聚物(Acronal S-559，BASF)，進(jìn)行與實施例1中所述相同的過程，制得初始粘度為90KU，固體含量為58％重量比的天然無機涂料組合物。
實施例3用20.0％重量比的形成涂層的最低溫度約為20℃的丙烯酸丁酯/苯乙烯共聚物(Acronal 296DF，BASF)以及3.0％的含有三種組分石英/云母/氯化物的特殊無機顏料(Plastorit，Ruzenaq)代替10.0％重量比的丙烯酸丁酯/苯乙烯共聚物(Acronal S-559，BASF)和8.0％重量比的滑石(Talc SA-400，Young Woo Chem Tech)，進(jìn)行與實施例1中所述相同的過程，制得初始粘度為92KU，固體含量為58％重量比的天然無機涂料組合物。
對比實施例1用9％重量比的云母(Mica SX-300)代替8.0％重量比的滑石(TalcSA-400，Young Woo Chem Tech)和1.0％重量比的硅石(Syloid 74，Grace)，進(jìn)行與實施例1中所述相同的過程，制得初始粘度為94KU，固體含量為58％重量比的天然無機涂料組合物。
對照實施例2用18.0％重量比的白色顏料(TiO2R-902，Dupont)，24.0％重量比的碳酸鈣(Omyacarb 5，Omya)及5.5％重量比的滑石(Talc SA-400，Young WooChem Tech)代替10.0％重量比的白色顏料(TiO2 R-706，Dupont)，25.0％重量比的碳酸鈣(Omyacarb 5，Omya)及8％重量比的滑石(Talc SA-400，Young Woo Chem Tech)，進(jìn)行與實施例1中所述相同的過程，制得初始粘度為92KU，固體含量為58％重量比的天然無機涂料組合物。
實驗1使用刷子或輥輪將本發(fā)明實施例1、2和3及對比實施例1和2中制備的組合物涂覆在混凝土樣品上，形成干膜厚度約100μm的涂層，然后干燥7天。使用KSM 5000方法對上述干燥涂層進(jìn)行特性測試。檢測了干燥特性、作業(yè)效率、耐水性、在50℃的儲存穩(wěn)定性及加速耐候性，同時檢測了相對抗粉化性和涂層的相對強度。結(jié)果如表1所示。
天然無機涂料組合物的測試結(jié)果

根據(jù)本發(fā)明，天然無機涂料組合物是通過將硅酸鉀樹脂和適當(dāng)用量的輔助樹脂、著色顏料、填充劑、潤濕分散劑、穩(wěn)定劑和其它添加劑混合制備的。因此，制得的硅酸鉀樹脂與常規(guī)的硅酸鉀樹脂相比具有更好的儲存穩(wěn)定性和改善的涂層強度及加速的耐候性。
此外，包括上述樹脂的涂料組合物表現(xiàn)出良好的作業(yè)效率、耐水性、在50℃的儲存穩(wěn)定性、粉化特性、涂層強度及粘度增加比例。由其形成的涂層的外觀和干燥特性也很優(yōu)良。
另外，關(guān)于工作地點的環(huán)境衛(wèi)生、有機溶劑的異味、易發(fā)生火災(zāi)等等問題也得到改善。
雖然本發(fā)明是參照所附的實施方案具體描述的，但可以在不脫離本發(fā)明的基本精神和范圍的條件下做出各種修改、結(jié)構(gòu)變化及同等變換。
權(quán)利要求
1.一種天然無機涂料組合物，包括約12-32％重量比的硅酸鉀樹脂；約5-30％重量比的輔助樹脂；約30-50％重量比的包括白色顏料和填充劑的顏料混合物；約0.3-5.0％重量比的添加劑，其包括潤濕分散劑、穩(wěn)定劑、增稠劑；及約10-30％重量比的水。
2.如權(quán)利要求1所述的天然無機涂料組合物，其中所述的硅酸鉀樹脂包括分子比例約為2.6到4.0的二氧化硅和氧化鉀，且所述樹脂的固體含量約為20-32％重量比。
3.如權(quán)利要求1所述的天然無機涂料組合物，其中所述的輔助樹脂包括至少一種以下物質(zhì)固體含量約為48-52％重量比、乳狀液平均顆粒尺寸約為150nm、且最低成膜溫度約為1-5℃的丙烯酸丁酯/苯乙烯共聚物；固體含量約為48-52％重量比、乳狀液平均顆粒尺寸約為100nm、且最低成膜溫度約為15-25℃的丙烯酸丁酯/苯乙烯共聚物；及其混合物。
4.如權(quán)利要求1所述的天然無機涂料組合物，其中所述填充劑為至少一種選自碳酸鈣、滑石、硅酸鋁、云母、硫酸鋇、硅酸鎂和石英/云母/氯化物三組分無機顏料的物質(zhì)。
5.如權(quán)利要求1所述的天然無機涂料組合物，其中所述的添加劑包括至少一種以下物質(zhì)粘度穩(wěn)定劑、消泡劑和pH調(diào)節(jié)試劑。
6.一種制備天然無機涂料組合物的方法，包括將約10-30％重量比的水與約0.3-5.0％重量比的添加劑混合制備第一混合物；將約30-50％重量比的白色顏料及填充劑劑加入所述的第一混合物中制備第二混合物；依次將約5-30％重量比的輔助樹脂、約12-32％重量比的硅酸鉀樹脂和穩(wěn)定劑混入所述第二混合物中制備天然無機涂料組合物。
7.如權(quán)利要求6所述的制備天然無機涂料組合物的方法，其中所述的添加劑包括至少兩種選自潤濕分散劑、粘度增強劑、粘度穩(wěn)定劑、消泡劑的物質(zhì)。
8.如權(quán)利要求6所述的制備天然無機涂料組合物的方法，其中所述的硅酸鉀樹脂包括摩爾比為約2.6-約4.0的二氧化硅和氧化鉀，且所述樹脂的固體含量約為20-32％重量比。
9.如權(quán)利要求6所述的制備天然無機涂料組合物的方法，其中所述輔助樹脂包括至少一種以下物質(zhì)固體含量約為48-52％重量比、乳狀液平均顆粒尺寸約為150nm、且最低成膜溫度約為2-4℃的丙烯酸丁酯/苯乙烯共聚物；固體含量約為48-52％重量比、乳狀液平均顆粒尺寸約為100nm、且最低成膜溫度約為18-22℃的丙烯酸丁酯/苯乙烯共聚物；及其混合物。
全文摘要
本發(fā)明公開一種具有良好涂層強度和耐候性的天然無機涂料組合物及其制備方法。該天然無機涂料組合物包括約12－32％重量比的硅酸鉀樹脂、約5－30％重量比的輔助樹脂、約30－50％重量比的包括白色顏料和填充劑的顏料混合物、約0.3－5.0％重量比的添加劑(包括潤濕分散劑、穩(wěn)定劑、增稠劑)和約10－30％重量比的水。該無機涂料組合物可用于建筑物的室內(nèi)或外表面，且具有良好的干燥性能、作業(yè)效率和耐水性。
文檔編號C09D1/04GK1637081SQ200410104060
公開日2005年7月13日 申請日期2004年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月30日
發(fā)明者金泰均, 李翊洙, 李元中 申請人:Dpi株式會社