碳酸鈣是涂料中應(yīng)用最為廣泛的體質(zhì)顏料,不僅可大幅度降低涂料制作成本,還可影響涂料的諸多性能,如改變涂膜的機(jī)械強(qiáng)度,提高涂膜耐水性等,是民用與工業(yè)涂料最主要的功能性填料。
重質(zhì)碳酸鈣是世界涂料工業(yè)的第一填料,我國涂料工業(yè)每年消耗重鈣估計用量在40萬噸以上,其中建筑涂料、紙張涂料、粉末涂料是重鈣消耗最多的領(lǐng)域。
由于重鈣應(yīng)用的場所多數(shù)對細(xì)度要求不是很苛刻,所以目前市場上出現(xiàn)的重鈣一般都未經(jīng)過表面處理。但粉末涂料由于流動性差,一般應(yīng)將超細(xì)重質(zhì)碳酸鈣進(jìn)行表面改性,改性劑多采用一些偶聯(lián)劑如鈦酸酯等,或磷酸、表面活性劑、硫酸鋁與六偏磷酸鈉等,有時脂肪酸也一并被考慮,近年來也出現(xiàn)過一些使用高聚物作表面處理劑的例子。
通過改性,碳酸鈣的用量可增加20%~50%,且光澤、流平性均增加。由于重質(zhì)碳酸鈣無毒,在要求無毒的粉末涂料中很有市場基礎(chǔ),如童車、玩具等。
在建筑涂料領(lǐng)域,使用重鈣的最主要目的是降低配方成本,特別是對于超微細(xì)重鈣(12μm),它可以代替部分鈦白顏料(一般認(rèn)為,這是由于超微細(xì)化的重鈣促進(jìn)了鈦白的分散),由于吸油值相對較低,較高的硬度、白度、遮蓋力賦予涂料成膜后具有較好的硬度、耐磨性,而且當(dāng)粉體粒徑在1μm左右時,重鈣對光澤的影響相對較小,這時重鈣可用于高光澤涂料,且易于流動而促進(jìn)涂料加工,樹脂的用量亦相對下降。
重鈣的填充率高,用于底漆和膩?zhàn)?,可以填充孔穴,使底漆與膩?zhàn)拥拇蚰バ?、面漆的光澤提高。而面漆中使用微?xì)化重鈣后,涂層的耐化學(xué)品性、明度、光澤、流平性、硬度、色澤穩(wěn)定性(耐候性的影響)等均有改善。
建筑涂料中使用的重鈣由于大多考慮的是替代鈦白顏料,因而對白度要求較高,一般應(yīng)不低于95%,而微細(xì)化重鈣應(yīng)在97%左右。
在防腐蝕涂料中,重質(zhì)碳酸鈣往往是與輕鈣并用的,重鈣的存在只是輔助調(diào)整涂料的CPVC值。
2、輕質(zhì)碳酸鈣
相對于重鈣而言,由于輕鈣是人工合成的,晶型與組成易于控制,因而可賦予輕鈣多種功能,相對較高的比表面積使粉體在涂層中的補(bǔ)強(qiáng)效果明顯優(yōu)于重鈣。
普通的輕鈣除部分用于建筑涂料、紙張涂料、粉末涂料外,主要用于防腐蝕涂料,超微細(xì)輕鈣除作為填料外,還具備一定的耐水性、緩蝕性。每年僅用于各類防腐蝕涂料(包括船舶涂料、集裝箱涂料、車輛底漆、橋梁及鋼結(jié)構(gòu)防腐等)的輕鈣估計在10萬噸以上。
目前市場上銷售的用于常規(guī)涂料的輕鈣一般都是未經(jīng)表面處理的,而這些輕鈣在涂料中皆易于沉底、結(jié)塊。輕鈣生產(chǎn)廠可以考慮對輕鈣進(jìn)行適當(dāng)處理,處理劑的選擇當(dāng)然要慎重,絕大多數(shù)表面處理劑都可以改善輕鈣在涂料中的分散性,但由于與成膜物樹脂之間相互作用有別,只有那些處理劑與基料樹脂之間存在較好的相容性,且處理劑本身力學(xué)性能、耐化學(xué)品性、耐熱耐光等性能得到保證,處理劑才可以使用。
涂料用的原料并不是唯價格是從,在性能得到提高后,涂料廠家一般更看重的是性價比。
3、納米碳酸鈣
近年來,隨著納米技術(shù)的興起,納米碳酸鈣作為廉價的納米顆粒,將其應(yīng)用于涂料中以期獲得涂料性能的改善一直是涂料界關(guān)注的熱門話題之一,尤其是國內(nèi)眾多萬噸級的納米碳酸鈣生產(chǎn)線的建成,更是迫切需要尋找包括涂料在內(nèi)的一系列領(lǐng)域中獲得應(yīng)用。
與傳統(tǒng)的重鈣或輕鈣相比,雖然納米碳酸鈣的成本大幅度上升,但較其他普通顏填料相比仍處于較低的價位,尤其是碳酸鈣納米化后,其在涂層補(bǔ)強(qiáng)性、透明性、觸變性、流平性等方面所帶來的變化,更是涂料生產(chǎn)企業(yè)所關(guān)注的熱點(diǎn)。
(1)建筑涂料
納米碳酸鈣由于存在“藍(lán)移”現(xiàn)象,在乳膠漆中可以屏蔽紫外光,起到隔熱的效果,涂層的抗老化性能得到了提高。應(yīng)用于外墻涂料中,涂層展現(xiàn)強(qiáng)烈的“疏水性”。涂層的抗裂強(qiáng)度、耐污染性均得到增強(qiáng)。
一般涂料配方中,均含有一定量的剛性顆粒,有的配方中含量還相當(dāng)大,這些剛性粒子的存在會導(dǎo)致涂膜中應(yīng)力過于集中,使樹脂產(chǎn)生裂紋,納米碳酸鈣的引入,使之與樹脂間產(chǎn)生更多的接觸幾率,產(chǎn)生更多的微裂紋并引起彈性形變,將更多的沖擊能量轉(zhuǎn)化為熱能吸收掉,從而提高韌性。
通過在傳統(tǒng)的乳膠漆涂料中添加顏填料量2%~5%的經(jīng)特殊聚合物表面處理的納米碳酸鈣,研究發(fā)現(xiàn),不僅涂料的流變性、開罐效果得到改善,更為驚訝的是耐水性、耐洗刷性、硬度均得到大幅度的提高,而耐洗刷性的增加則呈現(xiàn)的是幾何級數(shù)的增長。通過電鏡、紅外、熱分析等分析手段對涂層表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察,發(fā)現(xiàn)涂層中并沒有新的化學(xué)鍵產(chǎn)生,而涂層中聚合物的結(jié)晶性、涂膜的致密性都得到明顯改進(jìn)。
目前,日本的白石、意大利西姆等公司生產(chǎn)的納米碳酸鈣均主要用于改性水性乳膠涂料的性能。
(2)汽車底盤防石擊涂料及面漆
由于分散于涂料中的納米碳酸鈣顆粒極其細(xì)小,在一定的體積分率下,粒子數(shù)急劇增加,粒子間平均距離縮小,任何兩個粒子進(jìn)入相互吸引區(qū)的機(jī)會迅速增加,導(dǎo)致粘度增加,材料受應(yīng)力作用時,大量顆粒質(zhì)點(diǎn)之間的滑動吸引較多的沖擊能,從而體現(xiàn)在較寬的溫度范圍內(nèi)有較高的阻尼值,而納米碳酸鈣表面的處理劑層可有效地在有機(jī)物與無機(jī)物界面區(qū)傳遞和松弛界面上的應(yīng)力,更好地吸收與分散沖擊能??紤]到處理劑本身所具有的可撓性,從而提高了涂膜的力學(xué)強(qiáng)度。
4、碳酸鈣在涂料應(yīng)用中的發(fā)展趨勢
(1)納米化
納米碳酸鈣由于其納米尺寸效應(yīng),大的比表面積,表面原子處于高度活化狀態(tài)以及與聚合物有很高的界面相互作用,當(dāng)添加到涂料中后,使涂料獲得特殊的改性功能。
(2)功能化
隨著科技研發(fā)和生活質(zhì)量水平的不斷提高,消費(fèi)者對產(chǎn)品功能的要求更高,高性能、多功能化已成為涂料行業(yè)的發(fā)展趨勢。
在涂料體系中加入納米碳酸鈣、納米ZnO等,可使涂料具有抗菌、防霉作用的同時會提高涂膜的耐候性能,大大提高涂料的綜合品質(zhì)。
(3)表面改性
表面改性是生產(chǎn)碳酸鈣最重要和必須的深加工技術(shù)之一,是提升碳酸鈣應(yīng)用性能、提高適用性、拓展市場和用量所必須的重要手段。
如納米碳酸鈣顆粒應(yīng)用于涂料中,要涉及到納米材料與基料的相容性、涂料的成膜基料與塑料、橡膠等高聚物在官能團(tuán)的種類與數(shù)量、分子量等方面明顯不同,進(jìn)而導(dǎo)致聚合物的表面極性及與顏填料的相互作用方式皆有區(qū)別。要使納米碳酸鈣成功應(yīng)用于涂料中,必須對納米碳酸鈣表面進(jìn)行特殊的改性。
(4)專用化
另外,隨著碳酸鈣工業(yè)的發(fā)展,已出現(xiàn)了不少專用涂料碳酸鈣。有的具有特定的晶形,有的粒徑小于0.1,有的不易沉降,有的具有高光澤,有的易分散,越來越多的高端生產(chǎn)商在尋求涂料專用碳酸鈣。