常见非金属矿物填料在涂料中的应用
2020-12-17 14:52:16
填料也称作填充剂、增量剂。某些填料同时又是体质颜料。填料从名称上看可能使人联想到：只是起填充作用，不具有大的重要性。但实际上，填料对大多数着色涂层的性能均有很大影响。在化工产品中，填料又称填充剂，是指用以改善加工性能、制品力学性能并(或)降低成本的固体物料。其中可显著提高制品强度的填料，如长纤维和晶须等常专称增强材料，炭黑称补强填充剂。填料可用以调整涂料的光泽、质地、悬浮性、粘度等，填料的主要类型有碳酸盐、硅酸盐、硫酸盐和氧化物。
实用填料的粒径范围一般是0.01～44μm，颗粒形貌有球形、针状、纤维状和片状。填料粒子形态影响其包装、涂膜的柔韧性和龟裂性等。粒径和粒径分布影响遮盖力、粘度、涂膜孔隙度、介质和表面活性剂需求量、光泽和细度等。下面将向读者介绍几种最常见且用量较大的涂料填料粉体。
1、碳酸钙或白土：CaCO3
无论是内用或外用涂料中，这是一类最常用的填料，作用在于控制涂料的光泽、防霉、稠度和降低成本。碳酸钙有天然和人工合成两种类型(也就重钙和轻钙)，粒径范围极广，0.05～44μm都可适用。天然碳酸钙用量很大，因其价格便宜，在有些用途中是相当合适的。粒径较粗的品种只限制用于腻子、嵌缝浆、金属用底漆和其他高顔料份、要求流动和粗糙面的制品中。粗粒径碳酸钙消光能力很低。中等粒径品种主要用于内用平光和半光涂料以及房屋用涂料。细粒径品种用于印刷油墨。
天然碳酸钙填料也广泛地应用于户外房屋用涂料，可单独应用，也可与滑石粉配用。与滑石粉相比，天然碳酸钙能降低粉化速率，改进保色性，提高抗法染性能。上碳酸钙是碱性物质，在水基涂料中可起到缓冲剂作用，但不能与对碱敏感性彩色顔料一起共用，如铁蓝和铬绿;也不能用于可能遇有水溶性铁盐或铜盐之场合。碳酸钙不能用于酸性催化的三聚氰胺聚酯烘漆，因为会与催化剂发生中和反应。
合成碳酸钙(轻钙)填料的CaCO3含量为98%～99%，其粒径小，粒径分布窄，吸油量高，亮度高于重钙。优质的轻钙粒径范围为0.03～8μm，正属于胶体范围。对于内用乳胶漆和纸张涂层遮盖力来看，其最佳粒径约为0.2μm。轻钙最适用于需要最高干遮盖力的场合。经过表面改性后，进一步改进了其湿润和分散性能，用于有光涂料中也无明显失光倾向。在有些配方中能降低表面孔隙的渗透性，因而提高了头道涂层的封闭作用。
2、硅酸镁或滑石粉：2MgO·4SiO2·H2O
这是一类贮量丰富的矿物，世界各地多有开采，其晶型和相关物理特征随产地不同而有区别，通常是各种晶型的混合物。工业生产的滑石粉对涂料性能的影响受其结构类型或混合物类型、平均粒径和粒径分布的控制。因为大多数滑石粉产品基本是纤维状或片状，所以其分类也是以此为基础的。纤维状滑石粉户外耐久性最好，但在涂料中流动性较差，涂膜平整度也不足。片状滑石粉能赋予涂料优异的可刷性、流平性、涂膜平整度和保旋光性，也能赋予涂料或油墨一种“润滑”性能。粒状滑石粉数量很少，但具有最好的粘附性和可磨性，这就表明其适用于可打磨的封闭漆或表层涂料。
粒径较粗的滑石粉适用于一些要求粗糙涂膜或“有齿纹”的涂膜，例如内墙用漆、底漆和绉纹漆。粒径中等的品种(Hegman细度值大约为4)适用于房屋用漆，也可作一般填料使用。Hegman细度值为5～7的超细级滑石粉适用于控制半光涂料的光泽、稠度和流挂性能。滑石粉在胶泥、裂缝填充剂和腻子中用量很大。特殊产品根据要求不同决定选用粗粒径或细粒径滑石粉。
滑石粉可应用于多种工业涂料中，尤其是底漆。钢材结构用底漆可全部或部份用滑石粉，可改进涂料的沉淀性、涂膜的机械力以及再涂覆性。许多制品和闪烘底漆和运输工具用漆优先选用滑石粉。包括滑石在内的片状硅酸镁因其能提高打磨和抗水性能，所以适用于金属底漆，其中抗水性能可能源自片状粒子延伸了湿气通过涂膜的途径。
3、硅酸铝或瓷土、高岭土：Al2O3·2SiO2·2H2O
瓷土(高岭土)类填料的组成基本是硅酸铝。最初，瓷土作为一种廉价的填充料消费于造纸工业，目前仍在大量应用。近年来，生产商正使瓷土向适用于涂料工业发展。原先生产中只是简单地通过空气干燥和浮选，现在已被水洗、严格地粒度控制、煅烧和表面处理所代替，从而提高了产品的档次。在这些改革中，煅烧是最重要的工序，所以规模很大。
瓷土粒子形态绝大部分是薄片状，或六角形片状物。用途最广的品种粒径大约10μm。所有品种的瓷土都具有不同程度的亲水性，化学上都是中性，非煅烧品种的吸油量为25～44，煅烧品种为48～58。亮度为80%～92%反射值。由于其片状体能增强涂膜机械力，所以瓷土能赋予涂膜柔软性。如果用于房屋涂料，抗粉化性比滑石粉更强。瓷土已广泛地应用于金属底漆，以提高其打磨性能。煅烧瓷土在室内平光墙面漆和需要平整涂膜的涂料中用量不断增加。这类品种的粒径极细，用于彩色半光和有光涂料中能降低浮色和漂浮倾向。在溶剂型涂料中，有些品种瓷土容易沈底结块，但经过煅烧和表面处理后的品种可克服上述弊端。由于瓷土亲水，所以是水性涂料用的良好的填料，它们在水性涂料中具有很好的悬浮性能，容易分散且赋予涂膜良好的刷涂和流平性。瓷土通常与其他填料一起配用。
4、硫酸钙：CaSO4和CaSO4·2H2O
这类填充顔料以两种基本形态存在：无水石膏和石膏(或石膏粉)。在涂料工业中广为应用的只有第一种形态。无水石膏可通过煅烧石膏而制得。无水石膏色泽明亮，在涂料中分散良好，可用于一些有光涂料以及要求其特殊性能的其他类型产品中。无水硫酸钙稍溶于水并形成石膏，所以在乳胶漆中应用贮存时会形成细长状结晶体。然而正是这种水溶性使其能与乳胶漆中某些组份反应，因而无水石膏粉的应用十分有限。
5、重晶石或硫酸钡：BaSO4
实用的硫酸钡填充顔料有两种形态：研磨后的重晶石粉以及沉淀硫酸钡。在通过研磨和漂洗工艺生产重晶石粉过程中，近期的进展是改进色相和细度;而且有优异色相和更细粒径的沈淀法硫酸钡在涂料工业中尚未大量应用，因为前者已能满足要求，且成本更低。硫酸钡的主要用途是工业底漆，包括汽车底漆。因为吸油量低，密度大，粒状或球形结构，所以具有良好的填充性能，有助于光泽并具有良好的保旋光性。硫酸钡几乎都用于头道漆光泽很重要的这类涂料中。化学隋性使其在高酸性条件下应用的某引起需要抗化学性涂料中是大有价值的。
6、二氧化硅：SiO2
实用的二氧化硅主要有三种不同类型：由石英进行研磨和分级而制得的普通二氧化硅、硅藻土;合成二氧化硅(白炭黑)。
石英型或结晶型二氧化硅：用途相当有限。这类填料分散困难，容易沈底结块。由于不耐磨，所以在辊磨或球磨中研磨时会严重变色。它是木器填充剂中所用的主要填料，为此，它具有良好的综合性能，吸油量低导致收缩性也低，与基料不起反应，涂膜粗糙度良好。
硅藻土或无定形二氧化硅：由于消光效果好，这类二氧化硅用途很广。其二氧化硅含量大约为83%～95%。大多数产品是白色，少数是浅灰、浅粉或米色。表观密度低，吸油量高，加上不规则的结构，这些综合因素使其产生很高的消光效应、增稠能力和良好的悬浮性能。硅藻土广泛地应用于内用平光墙面涂料。由于孔隙多，质地脆，所以对平光墙面涂料的去污和耐擦洗性能有负面影响，但比其他多数填料在磨擦和洗涤之后更能增亮光泽。这类二氧化硅也已用于户外房屋涂料消光，有报道说有助于综合耐久性，具体应用比例根据稠度、刷涂性和流动性结果而定。制漆中不用研磨只用高速搅拌或卵石磨进行简短分散是有利的，否则，这种二氧化硅的脆性粒子可能被破坏，从而大大降低其消光能力和在涂料中的悬浮性能。由于在涂料生产中二氧化硅粒径明显降低是不现实的，所以仔细选择硅藻土的品牌并用Hegman计测定细度是非常重要的。
合成二氧化硅：这也是一种无定形二氧化硅，通过合成法生产，消光能力很强，适用于硝基喷漆、清漆和磁漆以降低光泽。
7、云母：K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O
云母中包含有组成和性质各不相同的几种矿物，由上式表示的白云母是云母粉填料常用的原料。云母以象书本一样多层晶状薄片体形式存大于自然界。当矿石在压缩空气作用下剥离成碎片，再经过湿磨和干粉便制得云母填料。湿磨后品种用途最广，粒径相当大，约为325目(43μm)。也有粒径仅为5～10μm的品种。
云母具有独特的片状结构，这是其赋予涂膜特殊性能的根本原因，包括增强涂膜的机械力，增加水份或湿气渗透过涂膜所必须通过的路径的长度。在油性房屋用漆中加入少量云母粉可防止产生裂纹;在墙用乳胶漆中也具有防裂和改进洗刷性功能。云母粉在涂料中的用量比例一般很低，只有顔填料总量的5%。少量云母可作为一些美国联邦规格结构钢材底漆的一种特殊组分，能提高耐盐雾性和耐久性。在户外涂料中，云母通过反映光线而赋予涂膜亮光，这对于有些产品是很重要的。
8、硅酸钙：CaSiO3
由硅灰石制得的硅酸钙具有针状结构，良好的亮度和很低的吸油量，适用于油性房屋涂料，平光或半光内用涂料和乳胶涂料。其pH约为9.9，在碱性条件下的乳胶漆中能起到缓冲作用。
合成硅酸钙是一种水合硅酸硅酸钙，由硅藻土和石灰经水热反应制得。粒形可由“圆形”到针状而变化。所有品种的平均粒径都为1.6～3.8μm，属于胶体范围。其较好的品种为白色。这类填料性能比硅藻土优越，其极高的吸油量意味着具有很强的消光能力和高干遮盖效应。在涂料中应用比例不大，只有填料总量的10%。其吸水量特高，推荐用于乳胶漆。
小结：涂料用非金属矿物填料种类繁多，不仅限于以上几种。同时以上几种非金属矿物填料也不仅用于涂料行业，还广泛应用于各种高分子材料、造纸等领域。随着塑料、橡胶、纸张、涂料等行业的高速发展，对非金属矿物填料的需求也越来越大。据不完全统计，当前我国非金属矿物填料行业总产量已经突破2000万吨，市场容量巨大。
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