矿物粉体材料在乳胶漆及腻子中的应用进展

矿物粉体材料在乳胶漆及腻子中的应用进展

赵留喜1，孙亚光2，余丽秀3

（1.郑州工业贸易学校，河南 郑州 450052；2.河南工业大学材料科学与工程学院，河南 郑州 450052；3.中国地质科学院郑州矿产综合利用研究所，河南 郑州 450006）

1 前言

乳胶漆及腻子是建筑装修中的重要材料，按基本用途分为内墙和外墙用产品，按附加功能分为耐擦洗、耐老化、抗沾污、负离子、全效净化、高弹性等各种特定功能的乳胶漆或腻子，其配制原料按作用功能分为：成膜物、填料、助剂(功能添加剂、分散剂、润湿剂、消泡剂、成膜助剂、防霉剂、流平剂、增稠剂等)三类。其中，填料的用量在乳胶漆中占到40%～65%，对乳胶漆的性能与成本影响较大；腻子填料用量也较大，但所用粉体品种相对较少。乳胶漆及腻子用粉体材料按生产工艺分为合成材料、天然物理加工材料(也称矿物粉体材料)，而矿物粉体材料又主要是非金属矿物粉体材料，其在乳胶漆及腻子中主要起填料和某些功能添加料的作用。随着非金属矿物提纯、超细粉碎、表面改性技术的发展，质优、价廉的非金属矿物粉体材料在乳胶漆及腻子中的使用品种、用量逐年扩大和增加，尤其是作为填料的粉体材料用量增加幅度更大，大量的替代了成本较高的各种合成粉体材料；而选择某些功能矿物粉体材料配制的新型乳胶漆及腻子品种也日益得到人们认可，乳胶漆专用粉体材料成为近年来非金属矿加工领域的研究热点，乳胶漆及腻子用粉体材料也成为非金属矿物粉体材料重要的应用方向之一。
 

2 乳胶漆及腻子用矿物粉体材料品种和应用

粉体最早用于乳胶漆及腻子中是为了增加涂料和腻子体积，仅起填充作用以降低产品成本，主要定义为填料。随着矿物深加工技术的发展，粉体经过进一步精制和改性，附加上了许多其它功能。乳胶漆及腻子用矿物粉体材料在配方设计过程中如再通过品种选择及合理搭配，可以改善乳胶漆及腻子的许多性能，主要表现为：①有效降低乳胶漆漆膜的光泽；②提高乳胶漆的硬度、耐磨性和抗拉伸强度；③改善乳胶漆的白度，提高乳胶漆的粘度，改善沉降性能；④在高PVC(颜料体积浓度)乳胶漆中，提高乳胶漆的干膜遮盖力；⑤提高乳胶漆的固含量和漆膜丰满度，改善乳胶漆的施工性能；⑥降低VOC(挥发性有机化合物)含量；⑦释放负离子功能；⑧改善乳胶漆的耐擦洗性、抗沾污性和老化性等。按照矿物粉体材料在乳胶漆及腻子中起的作用，可将粉体材料分为普通填料、活性填料、功能材料。

2.1 普通填料

2. 1. 1 重质碳酸钙

重质碳酸钙主要成分是CaCO3，是用量最大的非金属矿物粉体材料品种，在乳胶漆的各种内、外墙产品和配套腻子中都有大量的应用。早期使用的重质碳酸钙粉体其筛分粒度一般多控制在0.045～0.075μm，俗称大白粉或双飞粉。随着重质碳酸钙超细粉碎、形貌控制、表面改性等加工技术的发展，原料价格低廉、白度高、化学性质稳定的重质碳酸钙在乳胶漆和配套腻子中得到大量的应用，已大量取代成本相对较高、耐老化性能稍差的轻质碳酸钙。超细重质碳酸钙粉体材料对缩短乳胶漆生产过程中的分散砂磨时间、提高遮盖力、改善乳胶粘度、降低钛白粉用量及改善腻子的打磨性能等均有显著效果。

随着中国大量优质、高白度重质碳酸钙资源的发现和加工技术的进步，重质碳酸钙粉体已大量取代轻质碳酸钙。目前在内墙乳胶漆中应用效果较好重质碳酸钙粉体是粒度控制d97＜10μm、d50约为1.5μm、白度＞95%、CaCO3≥98%的乳胶漆专用重钙粉体材料，在性价比上较其他常用粉体有较好的综合优势。

2. 1. 2 高岭土

高岭土是以高岭石为主要矿物成分的粘土矿，高岭土分为水洗高岭土和煅烧高岭土。水洗高岭土成本低，在内墙乳胶漆中适量使用具有改善涂膜手感的效果；煅烧高岭土白度高、粒径小，在外墙涂料中使用超细煅烧高岭土可替代适量的钛白粉而不会降低涂料的耐老化性能，并且还因能够消除高钛白粉含量对涂膜的光絮凝作用和增加入射光的有效散射而使遮盖力提高，近年来在外墙涂料中得到较多应用。乳胶漆用高岭土一般选择d97约为15μm、d50约为2μm、白度＞92%的超细高岭土。

2. 1. 3 滑石粉

滑石是一种层状含水硅酸盐， 理论化学式3MgO·4SiO·H2O，触摸有滑腻感，天然质纯的滑石矿很少，矿体常伴有绿泥石、蛇纹石、菱镁矿、透闪石、白云石等。滑石粉用于乳胶漆中可改善涂料的施工性、流平性，且硬度较高，同时还能有效提高涂层的耐蚀性；在配套腻子中应用能够改善腻子的批刮性。但在乳胶漆用量大时易引起结块性沉淀，在涂刷施工后也易引起粉化，并且高白度的滑石资源量有限，其用量近年来逐步减少。

2. 1. 4 重晶石粉

重晶石粉主要成分是BaSO4，性质和用途相近的是合成的沉淀硫酸钡。重晶石粉可用于各种中、高档的内、外墙乳胶漆和配套的高档腻子。因其密度接近钛白粉，因而可用其取代少量的钛白粉，既不会使涂料的遮盖力明显降低，也不会因为使用它而改变了涂料的PVC，因而在乳胶漆中适量使用重晶石粉不会显著改变涂料的物理力学性能。

从白度指标考察，天然高白的重晶石原矿资源较重质碳酸钙少，块矿加工成同样粒度的粉体其加工成本较重质碳酸钙高，因此，其在乳胶漆中的应用也有一定局限。

2. 1. 5 硅灰石粉

硅灰石主要成分为CaSiO3，呈纤维状晶型结构，加工后的粉体可保持长径比＞10的特性。硅灰石粉体白度高，也因其纤维状结构，分散后不仅提高涂膜的洁白感，而且能增加涂膜的强度，在复层涂料中硅灰石粉体被广泛作为抗裂纤维。

2. 1. 6 白云石粉

白云石主要化学成分为MgCO3，同时也含有一定量的CaCO3。白云石粉在乳胶漆中的主要作用与重质碳酸钙粉相似，但耐候性较重质碳酸钙粉稍差。

2. 1. 7 云母粉

云母粉主要成分为铝硅酸盐，其具有连续层状的结构，分为白云母、黑云母、锂云母等。白云母理论化学式为KAl2[AlSi3O10](OH)2，乳胶漆中主要是用白云母边角料加工的白云母粉。云母片在涂膜中能平行取向排列，因而能增大涂膜的封闭性能，在多种外墙涂料适量应用，能够提高涂膜的耐老化性和耐腐蚀性。绢云母是白云母或钠云母呈致密微晶集合体的亚种，为中低温热液蚀变矿物。绢云母加工后的粉体保留矿物具有的丝绢光泽，粉体润滑、细腻、白度较高，用其配制的漆料耐候性较好，但其白度较高白度的重钙粉相比较低，在大量应用的白色乳胶漆中用量受到限制。

2.2 活性填料

2. 2. 1 石膏粉

石膏主要成分为CaSO4，商品销售的产品分为生石膏(二个水)、熟石膏(半个结晶水)。石膏粉遇水能够发生水化反应生成凝胶而具有一定的强度，主要在乳胶漆配套的内墙腻子中应用，能够起胶结作用而降低粘结剂的用量，内墙石膏腻子已经成为乳胶漆的重要配套产品。

2. 2. 2 灰钙粉

灰钙粉主要成分是Ca(OH)2，是一种气硬性胶凝粉体材料。灰钙粉作为活性填料配制的建筑涂料流平性好、漆膜手感滑润、耐水性和耐湿热性好、成本低，灰钙粉也具有良好的干遮盖力，能使漆料在钛白粉用量不高的情况下具有较高的遮盖力；使用灰钙粉配制的乳胶漆具有较好的环保性，能够长期吸收环境中的二氧化碳；且因为灰钙粉的碱性较高，配制漆料时防霉剂和成膜助剂用量少；但灰钙粉在涂料中应用也有缺限，如用于旧墙面时易发黄等。

2. 3 功能性材料

2. 3. 1 电气石粉

电气石俗称“碧玺”，是一种以含硼为特征、化学组成复杂的环状硅酸盐矿物，其成分用(Na，K)R3Al6B3Si6O27(OH)4表示，其中R可能是Mg(镁电气石)、Fe(铁电气石)、Mn(锰电气石)、(Li+Al)(锂电气石)等。

电气石的主要用途是作宝石、压电、热释电材料，而加工的电气石粉在温度、压力变化时其晶体可产生电势差，致使周围的空气发生电离，被击中的电子附着于邻近的水和氧分子并使它转化为空气负离子，移动时能将负电荷输送给环境中的细菌、灰尘、烟雾微粒以及水等，电荷与这些微粒相结合能达到净化环境空气的目的；此外，电气石结晶体两端随着温度的变化可产生电压，其所含极性离子在平衡位置振动能引起偶极距变化产生远红外电磁辐射，能使人体产生热效应和共振吸收，对人体有保健作用。负离子涂料同一般乳胶漆的主要区别是在其制作过程中添加了电气石粉，但普通的电气石粉产生负离子量有限，一般需经超细粉碎、溶胶凝胶法包覆改性、离子交换掺杂以及高温激活等手段提高负离子发生量，具有负离子释放量高、发射远红外线、抗菌并净化空气的作用。

2. 3. 2 膨润土

膨润土以层状硅酸盐矿物蒙脱石为主要成分，蒙脱石理论组成为(1/2Ca,Na)0.7(Al,Mg,Fe)4(Si,Al )8O20(OH)4，其结构是以二个硅氧四面体夹一个铝氧八面体构成单位晶胞，蒙脱石四面体中的硅被铝、八面体中的铝被镁或铁同晶置换，使片层表面具有过剩的负电荷，并通过层间吸附Na+、K+、Ca2+、Mg2+等阳离子达到晶胞电荷平衡，膨润土能直接或提纯后使用。

膨润土吸附水后其体积能够增大至原体积的几到十几倍，且在水体系中能够释放出带电微粒而使涂料的粒子产生静电斥力，所以有显著的增稠和悬浮作用，已成为内、外墙乳胶漆中常用的价廉增稠、悬浮剂，在粉状涂料中也能大量应用。膨润土色泽偏黄或粉色居多，对白度要求高的配方其应用量受到一定的局限。

2. 3. 3 石英粉

石英粉主要成分为SiO2，密度大、硬度高、耐化学腐蚀性好，在功能型建筑涂料中，石英粉及砂是耐磨地面涂料和耐酸涂料的主要填料，也是乳胶漆配套用高档墙面腻子的主要原料。

2. 3. 4 海泡石

海泡石是一种富镁硅酸盐，理论式为Mg8[Si12O30](OH)412H2O，外观灰白色，其微观组织呈针束状，相对密度小，空隙发育良好，吸附和水化能力很强，在水溶液中能够高度分散，具有较高的粘度，并能够产生触变效应，其悬浮体系具有很好的稳定性。在乳胶漆配方中能够起到增稠、悬浮作用，被用作乳胶漆增稠、流变剂。

2. 3. 5 硅藻土

硅藻土是一种生物成因的硅质沉积岩，主要由硅藻的遗骸所组成，成分以SiO2·nH2O表示，矿物成分以蛋白石及变种为主，常伴生各种粘土、石英及白云石等，纯净的硅藻土为白色，实际色泽因伴生的铁或有机质被污染成其他颜色。硅藻土其孔隙度大、吸附性强、质轻、熔点高，用作保温隔热、防霉、吸音的乳胶漆功能材料添加剂使用。

2.3. 6 膨胀珍珠岩粉

珍珠岩是一种由火山喷发经急剧冷却而成的玻璃质酸性熔岩，因其具有珍珠裂隙结构而得名。其成分随产地不同而略有差异，一般含量(%)为：SiO268～75、Al2O3 9.0～14.0、Fe2O3 0.9～4.0、Na2O 2.5～5.0、K2O 1.5～4.5及结晶水2～6等。珍珠岩在1 200℃高温条件体积可膨胀数倍至30倍，其膨胀后的粉体是制作优质超轻绝热漆料和腻子的功能添加材料。
 

3 乳胶漆及腻子用矿物粉体材料技术进展

3.1 新型矿物粉体材料开发进展

3. 1. 1 电气石粉

室内环境是人们活动最频繁、最密切的地方，当空气中负离子浓度较高时，能抑制多种病菌的繁殖，降低血压和消除疲劳，促进人体的生长和发育，空气负离子也被喻为“空气中的维生素”。而有效的提高空间负离子方法是涂刷负离子内墙乳胶漆。电气石的众多应用领域是以粉体为基础的，注重粉体细、比表面积大的超细电气石粉研究，使其压电性、热电性效果的发挥更好；负离子激发剂是由稀土氧化物和光催化半导体材料在一定温度和压力下活化而成，能有效激发电气石粉释放负离子量。

3. 1. 2 膨润土

膨润土是开发应用较早的品种，在聚乙烯醇类建筑涂料中曾作为防沉、增稠剂而得到大量应用；由于其显著的增稠、抗沉降效果，膨润土也在丙烯酸树脂乳液乳胶漆中得到应用。膨润土在水相中的增稠效果较好的是低电解质浓度的溶液，而在高电解质体系中添加量将受到一定限制。膨润土主要矿物成分为蒙脱石，蒙脱石是天然纳米材料，通过提纯、晶片解离技术，可以制得在乳胶漆体系中呈一维纳米分散的超细蒙脱石粉，其具有较好的增稠、抗沉降、耐老化等性能。

3. 1. 3 高岭土

高岭土是在乳胶漆中应用量较大的粉体，以水洗高岭土改善涂膜手感而用于内墙涂料，以煅烧高岭土增加涂膜厚度、提高遮盖力而用于外墙涂料。煅烧高岭土用于耐候性要求高的外墙涂料能降低钛白粉用量，对降低乳胶漆成本具有较好的效果。乳胶漆用高岭土其研究重点是在合理保护其晶片结构的前提下，使其片层充分解离，使高岭石的结构特性充分发挥。

3. 1. 4 海泡石

海泡石作为粘土矿物因其空隙发育良好，吸附和水化能力较强，在水溶液中能够高度分散，具有较好的增稠、抗沉降性能；又因其微观针束状结构而具有较好的补强效果，是乳胶漆中新型的天然增稠、增强功能粉体材料。
3.2 重视填料的应用性能研究

重视填料的应用性能的突出标志是加强对填料的深度加工。例如，过去使用的填料一般都在400目以下。随着加工技术的发展，现在涂料中使用800目以上细度的填料已经十分常见。目前中、高档涂料用填料一般为2000目，甚至更高的细度范围，而且使用时直接高速搅拌即可达到乳胶漆的细度要求，免去砂磨工序。这里需要指出的是，填料的细度并不是越细所有乳胶漆指标越好，因为细度高意味着在相同质量分数的情况下分散剂的用量要增大，以及因其吸油量的增大而导致成膜填料的用量相对减少，即涂料的PVC降低等，故选择填料的细度应当适宜。

除了超细加工以外，将矿物粉体材料进行纳米尺寸的精细加工更成为目前研究的热点。已经得到的用于乳胶漆的纳米类矿物粉体材料主要有碳酸钙、膨润土、海泡石等。但是，纳米尺度的矿物粉体材料的作用、性能和添加量等在乳胶漆中的应用已超出原有填料的范围，而成为新的功能涂料组分。因此，在乳胶漆中选用的矿物粉体品种及性能要结合性价体综合考虑。

3.3 加强填料作用机理研究

对乳胶漆用矿物粉体材料的选用要结合其要求有针对性的选择，对要求高遮盖、手感好、易施工、成本低的配方其填料主选体系为重钙系列；对要求高遮盖、高耐候性、成本适中的配方其填料主选体系为具有片状结构的(高岭土、云母等)矿物粉体系列，因层片状结构能在涂膜中平行取向排列，从而使涂膜的抗渗透性提高，耐侯性增强等。
 

4 矿物粉体材料应用存在的问题

(1) 产品质量不稳定。

由于资源分布及规模的局限，矿物粉体加工企业分散及规模偏小，其质量检测、控制手段和措施缺失，导致产品质量不稳定。如以不同产地膨润土为增稠、悬浮剂采用相同的配方时，常因为膨润土产品中蒙脱石的含量不同而导致涂料粘度产生较大的差异，使涂料的质量受到影响；再如因填料的细度、白度不稳定而导致涂料的贮存稳定性、白度、色差和涂膜手感以及其他物理性能变化较大等，在实际应用中也较为常见，这类问题会直接影响矿物粉体材料的应用。
(2) 精深加工产品少。

目前对矿物粉体材料除了进行超细加工以外，其它方面的深加工技术配套工艺仍较为落后，例如采取矿物提纯、配矿加工、粉体粒度及形貌控制、接枝改性等工序进行质量控制，使天然产出的矿物成分波动性可控，加工后的矿物粉体材料能保持稳定的技术指标，这些目标的达到必须与矿物鉴定、选矿提纯、粉碎加工、表面处理等学科进行系统配合，才能达到预定的产品质量目标。