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消光原理

白炭黑消光剂溶剂型涂料的应用

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2008-06-1107:

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在涂料中加入颜料或填料，均匀分布于涂料膜中并形成一种微粗糙面。

表面颗粒越大，微粗糙程度越大，光泽就越低。

有时生产无光涂料使用轻质碳酸钙或滑石粉等，用量较大，常常超过涂料的临界颜料体积浓度而使涂膜的物理性能变差，如分层和硬沉淀等现象，使用消光剂可避免这一现象。

常用的消光剂分有机和无机2类，无机消光剂主要是白炭黑消光剂，其化学成分是二氧化硅，分为表面经有机物处理和未处理2种。

本文着重讨论白炭黑消光剂在涂料中的应用。

    1白炭黑消光剂    天然二氧化硅经研磨处理制得石英砂（粉），杂质含量较多，主要成分是二氧化硅，不能称为白炭黑，也无消光性能，只能作为填料应用于涂料中，并无消光效果，而作为涂料用的白炭黑消光剂主要是合成二氧化硅，分气相白炭黑和沉淀白炭黑2类，其微观结构是无定形或呈玻璃态。

沉淀法合成白炭黑系以石英砂为主要原料，将其和氢氧化钠或碳酸钠在窑炉中高温熔融反应再经后处理制得。

气相法白炭黑是由四氯化硅蒸气在氢氧焰中水解制得，其反应式如下：

    1800℃SiCL+2H2+O2------->SiO2+4HCl    与天然二氧化硅相比，白炭黑的二氧化硅纯度高、惰性大、耐紫外光。

无定形二氧化硅折光指数为1.46，与涂料工业中很多树脂的折光指数相近，因而无定形白炭黑可以作为消光剂用于涂料中，具有良好的光学性能。

    2白炭黑消光剂消光机理    不含消光剂的清漆涂膜呈镜膜流平状态，当光到达镜膜表面时，入射光部分被吸收，部分被反射，反射部分使膜呈现光泽。

含有白炭黑消光剂的漆膜，均匀分布于漆膜中的白炭黑粒子形成一种微粗糙面。

从涂膜截面扫描电子显微镜照片可以清晰地看到消光剂粒子均匀地分布于涂膜中，当入射光到达凹凸不平的漆膜表面时，发生漫反射，即发生散射产生低光泽的亚光和消光外观。

采用高孔隙率、最佳粒径分布以及表面处理适宜的白炭黑消光剂可以得到最佳的消光效果。

    3白炭黑的消光性能和影响因素    使白炭黑成为有效而通用的消光剂主要取决于白炭黑的4个重要特性：

平均粒径及其分布、孔隙率、密度和表面处理。

    3.1平均粒径及其分布    白炭黑的平均粒径及其粒径分布对涂料光泽的降低起着重要的作用。

通过不同的工艺处理可以获得粒径不同，粒径分布均匀的消光用产品，平均粒径越大，漆膜表面粗糙度越大，消光性能越好，但太粗的颗粒会影响感观和手感。

太细又会增加涂料的黏度，因而颗粒选择要适当，一般木器漆中的白炭黑平均粒径以4-8lam为佳。

    3.2孔隙率    光泽度的降低是白炭黑消光剂粒径的效应，对于选定粒径的消光剂来说，高孔隙率白炭黑的消光效果更好，因为高孔隙率白炭黑单位质量所含白炭黑粒子微孔容积大，其消光性越好，即漆膜光泽越低。

    3.3表面特性处理    一般涂料使用未处理的白炭黑消光剂，因其中已有颜料，会出现沉淀现象，另外未处理白炭黑对涂料的黏度有影响，赋予涂料体系触变性而起到防止颜填料沉降的作用。

用有机涂覆物（主要是高分子蜡）进行表面处理得到容易分散的白炭黑消光剂，可使干膜手感滑爽，抗损伤性好等，在低黏度清漆体系中还有防沉作用，但经蜡处理的白炭黑消光性略差，而且消光剂pH也有不同，适用范围也不同。

例如，pH低的白炭黑在酸性催化涂料中有效，而pH为中性的白炭黑适用于水性涂料。

    3.4密度    虽然密度和消光剂的消光性能无直接关系，但密度低，其孔隙率大，比表面积大，吸油量相应增大，而吸油量对消光性也有一定的影响，一般白炭黑吸油量大，消光性要好些。

白炭黑除本身的物理性能影响消光性外，在涂料体系中，还有其他因素影响消光性。

    3.5白炭黑消光剂消光过程    干膜厚度对消光性影响较大，白炭黑在涂料体系中的消光作用是在涂膜干燥过程中逐步实现的。

白炭黑颗粒均匀分布于涂料体系中，涂料涂布于器具表层，湿膜较厚，白炭黑颗粒分布于涂膜中下部，其表面呈镜膜流平状态，当光照射时，入射光绝大部分被反射出来，光泽很好。

随着溶剂的挥发，涂膜收缩变薄，这时大的颗粒先突出漆膜表面，光泽下降，随着漆膜的变薄，当达到表干时，大部分白炭黑粒子会突出涂膜，形成凹凸不平的粗糙表面，当光入射时形成漫反射，涂膜就变成无光或亚光状态，从而达到消光的目的。

如果白炭黑粒子尺寸大大超过干膜厚度，虽然消光效果好，但不光滑，手感粗糙，甚至影响流平；白炭黑粒子尺寸小于漆膜厚度，大部分粒子不能突出涂膜，降低了消光效果，结果通过增加白炭黑消光剂的用量采达到消光作用，成本增加，而且表面效果也变差，故白炭黑粒径选择要适宜。

    3.6涂料基料的影响    有些涂料基料很难消光，如聚丙烯聚氨酯、长油醇酸树脂涂料以及聚酯等体系，树脂体系本身就有高光泽度，要达到消光较难。

而木器涂料中的硝基纤维素、短油醇酸树脂等体系本身就有消光性，与其他涂料相比，白炭黑的用量可减少很多，有些可减少2％-4％。

研究表明，不易消光的涂料中掺用某些易于消光的树脂，可减少消光剂用量，达到同样的消光效果，并提高漆膜的透明度和干燥速度.    3.7固化剂的影响    有些涂料消光性与固化剂品种也有较大关系，如采用HDI的三聚体或TDI/HDI的混合三聚体与加成物相匹配，就可因2种物质含量不同而产生不同程度的消光性，酸固化氨基（脲醛）醇酸涂料也能产生消光性，以减少消光剂用量，降低成本，并提高涂膜透明度，而普通TDI-TMP加成物无消光性。

由此看来双组分聚氨酯涂料与固化剂品种关系较大，固化剂使用得当不仅可减少消光剂用量，而且可提高漆膜透明度，降低生产成本，同时也提高漆膜的耐黄变性。

    3.8漆膜干燥方式    涂料表干较慢涂料光泽较高，相反，表干较快则涂膜光泽较低。

涂料固体含量较低时，涂膜干燥时收缩大，表面光泽降低，如用快干固化剂配套的双组分聚氨酯涂料，其表干速度比普通固化剂快，其表面光泽降低也快，具有消光性，这也是降低涂料中消光剂用量的一种方法。

    3.9稀释剂的影响    稀释剂中高沸点成分多，稀释剂挥发就慢，漆膜的光泽就高；相反，稀释剂中低沸点成分多，稀释剂挥发就快，其光泽就低。

    3.10助剂    有些助剂用于亚光漆中可辅助消光，如在双组分聚氨酯涂料体系中加入有机锡作催化剂，对涂膜有较轻微的影响，随其用量增大，消光性有所改善。

再如改善表面手感的各种蜡助剂，在漆膜表面形成凹凸不平的结构，也具有一定的消光作用。

    3.11其他因素影响    双组分聚氨酯涂料交联密度低，易消光；交联密度高相对难消光。

涂料固体含量高，其光泽较高，尤其是当涂料树脂比例大时，其消光性变差；相反，固体含量低时，消光性能就好。

    4白炭黑消光剂的分散    白炭黑形成过程中，羟基会与白炭黑颗粒表面上的一些硅原子相连接，表面成为亲水性的，因而易潮解，加上贮存和运输过程中的堆压和振动，很容易产生团聚，因而消光剂的分散显得尤为重要。

经过表面处理的白炭黑较易分散。

分散要在有高速搅拌的装置中进行，一般使液体保持层流旋涡状态。

桨叶速度为5~6m/s，时间一般为15~20min，在分散经蜡处理的白炭黑消光剂时，注意温度控制在50℃以下。

    5白炭黑消光剂防沉淀    含白炭黑消光剂的木器涂料在贮存中易产生沉淀现象。

若涂料黏度较低，沉淀更易产生。

沉淀通常有2种：

一种是容器底部形成较硬而结实的沉淀物，很难搅匀，难以再形成均匀体系，这种现象明显影响漆膜质量，降低消光效果，致使表面起粒，手感粗糙，甚至不能使用。

另一种是在容器底部形成松软状沉淀物，经搅拌可形成均匀体系，这种现象不会影响涂膜质量。

为避免沉淀，可采取以下预防措施    ●高档消光涂料加入0.5％―2.0％（质量分数）的气相白炭黑消光剂，就足以防止沉降和起到促进悬浮的作用，如果是经有机物表面处理的白炭黑消光剂效果更佳。

    ●相应地提高涂料体系黏度也能防止沉淀，因为黏度增大，沉降困难；也可以拼人少量的高纱硝化棉以减慢沉降。

    ●分散可从2个方面考虑：

一是物理方法分散，一般用砂磨机、球磨机或高速搅拌等机械。

这种分散不会破坏白炭黑结构，但可增大其黏度。

另一种是加入分散剂使白炭黑通过分散剂与树脂、溶剂等均匀地混合在一起，达到防沉、防絮凝的目的。

经分散的涂料细度一般控制在20-35μm，涂料的表面可达到良好的消光效果。

    ●进口气相法白炭黑密度小，且触变性很好，有很好的悬浮性，但其价格昂贵，到货周期长。

国产气相法白炭黑亦可达到要求，价格又适宜，到货又快，可以大部分地替代进口白炭黑消光剂，大大降低成本，又不影响消光效果。

对于中低档涂料，可采用超细或微米级沉淀法白炭黑替代部分气相法白炭黑消光剂，效果也是可以的，而成本又可再次降低。

    白炭黑有2种添加方法：

一种是将白炭黑消光剂配制成消光浆料加入到涂料中混合均匀；另一种是白炭黑消光剂以消光粉的形式在任何生产工序中加入并均匀混合。

前者局限性较多，如白炭黑吸油量大，浓度受到限制（15％~25％），使消光剂在成品漆中的浓度受到限制；各种涂料配方不同，需要多种消光浆来调配，比较烦琐；消光浆作为半成品，要考虑稳定性，且消光浆用的树脂、溶剂体系不同，只能专配，配成的消光浆放置一段时间会产生沉淀，因此需加入助剂以保持流动性和防止硬沉淀，但添加量小时用消光浆法有利于均匀。

后者直接添加比较方便，而且能达到消光效果。

    6白炭黑消光剂在溶剂型木器涂料中的应用    白炭黑高效消光剂在涂料工业中应用广泛，其适用的品种较多，这里主要介绍溶剂型木器涂料中白炭黑消光剂的应用。

    6.1高固体分涂料    高固体分涂料因其固体含量高，挥发性溶剂很少，漆膜收缩不大，使得消光剂用量增加，致使黏度增加，影响消光效果。

为了达到理想的消光效果，白炭黑消光剂粒径尺寸显得较为突出，应根据干膜厚度来选择消光剂粒径。

选用粒径小的消光剂，消光效率低，白炭黑用量大，易产生堆积、泛白、透明度不好等；选用粒径较大的消光剂，可满足手感效果，又可起到消光作用，但要适宜。

    6.2清漆    清漆主要作用是在器具表面罩光。

亚光清漆是匹配添加消光剂使涂膜产生漫反射。

消光剂用量应从效率、粒径、透明度、防沉性、分散性和表面手感等因素考虑。

普通白炭黑中SiO2的含量大于90％，用于消光剂的白炭黑中SiO2含量应大于95％.最好用蜡处理，以防沉淀、结硬块，并能与溶剂型涂料体系很好地相容，不会产生重浮附着力问题，相反还增加漆膜抗划伤性，增强漆膜滑度，不足之处是经蜡处理的白炭黑消光剂消光性稍差，漆膜透光度略差。

另外还应根据漆膜的厚度选择相应粒径的白炭黑消光剂。

粒径较细的消光剂涂膜表面光滑，但消光效果较差，粒径较粗的消光剂涂膜表面粗糙，但消光效果较好。

进口并经有机物处理的白炭黑消光剂用以家具漆及装饰性涂料效果最佳，也可用国产微米级白炭黑消光剂部分取代，以降低成本。

    6.3色漆    在色漆体系中，着色填料及其他填料本身就可以消光，但填料用量过大，消光效果不够理想而且对漆膜机械性能、耐候性均有不得影响，若加入白炭黑消光剂，如果选用得当，沉淀法白炭黑可替代部分气相法白炭黑消光剂，既能达到产品质量要求，又可大大降低成本。