論水性涂料中的水 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 發(fā)表時間：2011-3-17 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
不知不覺進入涂料行業(yè)已經(jīng)第九個年頭了，這許多年一直從事水性涂料的研發(fā)和生產(chǎn)，對涂料中的水也有著越來越多的認識。我們不斷看到越來越多的涂料品種水性化，水性木器漆、水性金屬漆、水性塑膠漆、水性汽車漆、水性光固化涂料，水性化已經(jīng)成為當今涂料業(yè)發(fā)展的趨勢之一。在強調低碳經(jīng)濟的時代，涂料水性化對于減少碳排放保護地球環(huán)境更有意義。 水是很神奇的物質，無色透明，沒有味道，無毒無害，又無處不在。水的冰點是0度，沸點是100度。所以我們的水性涂料要求保存在零度以上。水化學性能穩(wěn)定，不燃不爆，所以我們的水性涂料都是非危險品，生產(chǎn)、存放和運輸過程都很安全。水是極性溶劑，根據(jù)相似相溶的原理，作為涂料基本成分的基料和顏填料必須借助于乳化劑和分散劑分別乳化在和分散在水里。乳化劑也稱作表面活性劑，是一類很特別的物質，分子鏈的一端帶有極性，而另一端則是非極性的，而我們的成膜物質，往往是有機高分子材料則被乳化，存在于表面活性劑形成的膠束中，通過雙電層保護或者空間位阻的方式彼此隔絕，由此而穩(wěn)定懸浮在水中。而涂料中的顏填料則是通過帶有負電荷的分散劑吸附在顏填料表面，形成顏填料的分散漿料的形式存在于水中。這類分散劑有可能是無機鹽類，比如某些偏磷酸鹽，現(xiàn)代涂料生產(chǎn)往往采用高分子類的分散劑，比如聚丙烯酸的鈉鹽或者銨鹽。 水與我們的生活工作，息息相關。作為涂料行業(yè)中的水，不僅是指涂料以水作為溶劑，作為分散載體，而且水也參與到水性涂料的生產(chǎn)制造過程中，生產(chǎn)過程中幫助調整生產(chǎn)工藝，提高涂料質量，生產(chǎn)結束用來清洗工具和設備，涂料施工時的水又作為稀釋劑在使用。本文著重討論了水和水性涂料的關系，總結下來有以下幾點。
一、合理用水，提高水性涂料生產(chǎn)工藝水平 增稠劑的預分散。很多的增稠劑，比如堿溶脹類增稠劑或者疏水改性堿溶脹類增稠劑在生產(chǎn)過程中，往往需要預稀釋才能加入分散缸中。由于這類增稠劑都是酸性的，在沒有加入涂料中的時候，它們的分子鏈都是團聚在一起，一旦加入到涂料中，遇到堿性環(huán)境，分子鏈上的羧基基團互相排斥，舒展開來，一方面吸附周圍的水分子，減少溶劑的自由流動，另一方面由于自身體積的龐大，限制了其他涂料成分的自由移動，疏水改性的增稠劑同時還能夠吸附到不同乳膠粒子表面，互相牽扯，從而達到增稠的目的。在PH值越高的環(huán)境中，這類增稠劑的效果越明顯，但是集中添加，往往帶來局部增稠過度，導致涂料絮凝的風險越大。解決方法是將這類增稠劑用水預先稀釋，增稠劑和水的比例一般在1：1或者1：2，在加入的時候緩慢滴加，同時加大分散速度，這樣就能夠有效避免粘度不均，絮凝返粗的現(xiàn)象。 纖維素的預制漿料。用于水性涂料生產(chǎn)的一般都是羥乙基纖維素，這類纖維素都是剛性的分子鏈骨架上連接很多的親水基團。纖維素要能夠在水性涂料中發(fā)揮作用，首先必須要良好的分散。由于分子量比較大，直接在生產(chǎn)過程中往往很難溶解得好，在涂料中既不能夠起到增稠作用，又形成了小顆粒影響了涂料的細度。解決的方法是用水制作纖維素的預分散漿料。先將纖維素加入到高速攪拌的水中，然后再加入一些個有機胺調節(jié)PH值，在堿性條件下，纖維素能夠更好的溶解。一般制得纖維素漿料的濃度為2%左右。這個過程也可以在涂料研磨階段之前直接在分散缸內完成。同樣的方法還適用于消光粉的預分散，不同的是纖維素漿料需要加入有機胺來幫助溶解，而消光漿則是通過加入少量分散劑來幫助在水中的分散。 成膜助劑的預稀釋。成膜助劑是大部分水性涂料所必須要添加的成分。它可以幫助水性涂料降低最低成膜溫度，形成性能更好的涂膜。成膜助劑根據(jù)分子量的大小，分子極性的強弱，其干燥速度和成膜效果各不相同。在水性涂料中，成膜助劑根據(jù)非極性強弱，分別存在于乳膠粒子的內部，和乳膠粒子與水的界面上，完全溶解于水的溶劑，只能夠是溶劑而不能夠是成膜助劑，比如酒精和乙二醇。水性涂料中常用的成膜助劑包括十二碳醇脂，乙二醇丁醚，二丙二醇丁醚等。對于那些分子量大，非極性較強的溶劑，比如說醇脂十二，建議采用水按1：1，或者1：2的比例預先稀釋后在涂料攪拌的過程中加入。醇脂十二在水中不能夠溶解，攪拌的目的是形成短暫的小油滴分散體。如果十二碳醇脂不經(jīng)稀釋，直接加入，可能是局部的乳膠粒子內部融入大量的成膜助劑而導致體積急劇膨脹，突破乳化劑雙電層的保護，而導致凝膠破乳。而對于乙二醇丁醚等非極性不強的成膜助劑，則可以不用水預稀釋直接加入攪拌的涂料中。 防腐劑的預稀釋。我們的水性涂料往往都是陰離子保護體系，即乳化劑親水端都是帶負電的。這種水性涂料中使用的防腐劑往往是異噻唑啉哃類防腐劑，另外防腐劑中往往還有銅離子，所以這類防腐劑往往呈透明藍綠色。由于銅離子為二價陽離子，如果局部濃度過高容易使陰離子保護的膠乳破乳。水性金屬防銹漆中使用的亞硝酸鈉防閃銹劑往往也是用水配置成15%的溶液，在涂料攪拌的過程中緩慢加入，以免造成破乳。在涂料施工的時候，往往加入水來調整施工粘度。如果水中含有較多的鈣鎂粒子，即我們通常所說的水的硬度較高，加入到涂料中，很容易導致涂料的破乳。筆者曾經(jīng)碰到這樣的事件，一個知名涂料企業(yè)的工程內墻涂料在上海地區(qū)的銷售非常好，客戶非常認可該產(chǎn)品的質量，但是銷售到四川以后，卻遭遇到“質量門”問題，當?shù)氐目蛻粲盟尤胪苛虾蟀l(fā)現(xiàn)每一桶都會絮凝結塊，經(jīng)該公司仔細調研得出結論，四川地區(qū)多采用地下水，水質較硬，水中含有較多的鈣鎂離子，破壞了乳膠粒子的陰離子雙電層保護，造成涂料破乳，而上海地區(qū)的自來水鈣鎂離子較少，所以未出現(xiàn)這樣的問題。后來該公司花費大量的人力精力處理該事件。我們不能夠改變消費者的使用習慣，要求他們一定要使用去離子水稀釋涂料，只有企業(yè)自己通過改變配方增加涂料的鈣離子穩(wěn)定性，比如說增加一定的乳化劑來增強乳膠粒子的穩(wěn)定性。我們的國標中也有鈣離子穩(wěn)定性的指標。因此對于帶有陽離子的組分加入，一定要用水預稀釋。 按照上述的要求，我們在涂料的生產(chǎn)過程中，多個地方需要用水來調整工藝。另外我們一些原料桶有殘余的原料，特別是一些粘度較高的乳液，抽取或者傾倒后有較多乳液殘留在桶壁上，需要用水沖洗后加入缸內。筆者這里給出個建議，也是很多涂料企業(yè)目前在使用的方法，我們先把配方總的用水計算出來，單獨稱量計重，如果有通過預制漿料加入的則扣除這部分的水。在實際生產(chǎn)的時候，不要一次性把水全部加完，而是結合工藝要求，分步預稀釋，預混合，保證涂料各組分的充分均勻分散混合，最好還要通過適量加入或者減少一定的水來達到出廠粘度的要求。同樣的配方，添加同樣的數(shù)量的組分，得到的粘度未必相同，最后需要用水來調整。
二、水性涂料的各項指標的計算 我們在設計水性涂料配方的時候，往往需要知道涂料的重量固含量和體積固含量，同時考慮到配方的某些性能和環(huán)保性需要知道涂料的顏填料體積含量(PVC）和有機揮發(fā)物含量(VOC）。 涂料的重量固含量等于，一定重量的涂料干燥成膜后的重量除以液體涂料的重量。而涂料的體積固含量等于，一定體積的涂料干燥成膜后的體積除以液體涂料的體積。涂料的重量固含量和體積固含量可以按照《GB 9272-2007 液態(tài)涂料內不揮發(fā)分容量的測定》所規(guī)定的方法，測定由涂布成膜的一定體積的液體涂料按規(guī)定條件固化(或干燥）后，所能得到的干涂料重量和體積——不揮發(fā)分容量的方法，除以液體涂料的重量和體積。涂料的密度也可以通過重量和體積的比值計算，用比重杯就可以直接得出來。 涂料配方的設計中，一個重要的內容就是根據(jù)性能要求，決定顏填料和基料的比例。顏料體積濃度(PVC）就是涂料配方中的一個重要參數(shù)，其定義為在涂料的干膜中顏料和體質顏料(填料）所占的體積比。當PVC為某值時，基料剛好填滿顏填料無規(guī)則堆積所形成的空隙，這時的PVC值被稱為臨界顏料體積濃度CPVC。當涂料配方的PVC值超過CPVC值時，成膜物質不足以填充顏填料堆積所形成的空隙時，涂層的物理和化學性能將出現(xiàn)一個轉折點。 ＶＯＣ含量的定義是：“涂料中總揮發(fā)物含量扣減水分含量，即為涂料中揮發(fā)性有機化合物含量�！币话阏f來，材料中所含ＶＯＣ越少，它對人體的危害就越輕微。我國的《室內裝飾裝修材料有害物含量》規(guī)定：墻面漆中的VOC含量須≤200克／升。VOC是指"1升涂料中含有有機揮發(fā)物的重量"，理論計算公式是：VOC=(X%-H2O%）×Dc×1000，其中X%為總的揮發(fā)物含量，Dc為液體涂料體積。實測的方法可以按照國標《GB/T 23985-2009色漆和清漆 揮發(fā)性有機化合物(VOC)含量的測定》。 由于水的特殊性，它的密度是1千克/升，而且在涂料干燥成膜的過程中能夠完全揮發(fā)。如果我們知道配方中各種組分的添加比例，他們的有效含量和密度。我們可以通過計算的方法計算出這四個指標。這樣的數(shù)據(jù)可以給我們提供一定的參考。最終準確的數(shù)據(jù)還是需要按照國標的方法實測得到。 下面以一個常見的外墻涂料的配方來說明下，我們如何通過理論數(shù)據(jù)的計算，得到涂料的重量固含量和體積固含量，以及顏填料體積含量(PVC）和有機揮發(fā)物含量(VOC）。
非揮發(fā)性涂料組分重量 水的重量＋有機揮發(fā)物含量 541.62 液體涂料的重量固含量= ——————————— = ———————————— = ———— = 54.16% 液體涂料總重量 液體涂料總重量 1000 干膜組分體積 276.79 液體涂料的體積固含量= ———————— = ————— = 37.6% 液體涂料總體積 736.07 顏料和填料的體積 47.62＋62.50 固體漆膜的顏基比= ————————— = —————— = 39.78% 40 PVC 干膜組分體積 276.79 有機揮發(fā)物含量 20＋16 有機揮發(fā)物含量= ——————— = ———— ＊1000 = 48.91 克/升 液體涂料總體積 736.07
三、保護環(huán)境，污水的零排放 水性涂料的生產(chǎn)用水除了要求水中潔凈無雜物外，一般要求使用去離子水，因為我們的水性涂料一般都為堿性，水中如果存在太多的鈣鎂離子的話，容易導致涂料破乳，前面我們也分析討論過這個問題。因此我們生產(chǎn)用水盡量使用去離子水。我看過很多涂料廠，一般采用兩個噸桶，高低放置，上面的桶放入普通自來水，中間采用離子交換樹脂，下面的桶接入去離子水，用于生產(chǎn)用水，同時也有必要加入些防腐劑，防止水質變化，影響涂料。 水的循環(huán)利用。水性涂料用水一般分為兩個方面，一方面作為水性涂料有效物質的分散載體進入成品當中，在產(chǎn)品進行涂裝后，揮發(fā)進入空氣中，前面兩章我們重點討論了這部分的水的作用和使用情況。另一方面是清洗設備用水，比如每天生產(chǎn)結束要進行設備的清洗，生產(chǎn)不同品種的涂料需要對設備進行清洗，生產(chǎn)不同顏色的涂料也需要清洗。當然我們可以通過添置設備，某個分散釜固定生產(chǎn)某一產(chǎn)品或某一種顏色的涂料來降低清洗用水的使用量并且減少涂料的損耗，就像色漿生產(chǎn)企業(yè)，固定一臺砂磨機生產(chǎn)一種顏色。但是前提是你的生產(chǎn)量足夠大才能夠保證連續(xù)生產(chǎn)不間斷，并且有足夠的資金添置設備，對于中小涂料企業(yè)而言有一定的難度。因此我們的清洗用水必須收集加以循環(huán)利用。 對于生產(chǎn)色漆的缸，每次生產(chǎn)完清洗后的水也必須要加以回收利用，但是必須要分色。我們企業(yè)的經(jīng)驗就是設置六個大的沖洗水回收桶，其中三個分別是回收透明色，白色和黑色用，而其他三個沖洗水桶用來回收和紅黃藍三原色相接近的顏色的沖洗水。在下次生產(chǎn)涂料的時候，根據(jù)不同的顏色的涂料，加入不同的沖洗水。這樣不至于對調色產(chǎn)生較大的影響。另外由于自然界的微生物無處不在，這些沖洗用水長時間放置的話容易發(fā)臭，最好也在里面加入些防腐劑。 注意原材料加入和成品包裝的跑冒滴漏。我們涂料企業(yè)在生產(chǎn)過程中，特別是原材料的添加和成品包裝的過程中，要注意避免跑冒滴漏，一方面降低損耗，避免浪費，另一方面任何的跑冒滴漏都需要用水去清洗，必然形成廢水。如果直接排放到自然水體中，必然污染環(huán)境，因此必須要減少原材料加入和成品包裝過程中的跑冒滴漏。水性涂料生產(chǎn)企業(yè)可以采用一些必要的輔助設備，比如可以采用工業(yè)集塵設備來減少粉料添加時的漫天飛塵，既保證了生產(chǎn)工人的呼吸健康，又能夠回收少部分顏填料，還能夠保持整個車間一個整潔的環(huán)境，以免到處都是灰塵。在成品包裝的時候，盡量采用自動灌裝設備。自動灌裝設備提高了包裝的效率，并且由于采用電控閥門，不光計量精確，而且避免手動閥門時最后流出的涂料斷斷續(xù)續(xù)灑在地上。另外在添加一些液體的涂料原材料的時候，由于自身的粘度較高，往往不能夠滴加干凈，這時候切記用水將容器中的原材料沖洗下倒入缸內。采用全自動一體化生產(chǎn)設備，可以在進出兩方面杜絕原材料和成品的跑冒滴漏，但是一體化設備最好能夠連續(xù)化生產(chǎn)，否則管道和缸體的清洗也是一項廢水的工作。 與生產(chǎn)過程中的節(jié)水措施相比，我們可以通過合理安排生產(chǎn)計劃來減少清洗用水。比如某些常備產(chǎn)品，我們可以在當月的某一天集中生產(chǎn)，因為同一產(chǎn)品連續(xù)生產(chǎn)，中間可以省卻清洗的步驟。又比如說因為砂磨機的生產(chǎn)效率低，我們可以讓砂磨機連續(xù)生產(chǎn)，制備常用的基礎漿料作為半成品，以備生產(chǎn)之需。另外我們制備色漆的時候盡量，特別是在小批量多顏色的時候，盡量在桶包裝內調色。 污水處理池的設置。盡管我們采取各種各樣的措施避免污水的排放，但是不可避免的仍然有部分的廢水不能夠被回收利用，這時候我們就需要污水處理池。其實我們水性涂料生產(chǎn)企業(yè)并不需要太復雜的污水處理設備，往往是建個水池，把不能夠回收利用的廢水收集，加入些聚丙烯酰胺絮凝劑，待其完全沉淀后，上部的清水仍然可以回收利用，而下部的沉淀風干后，作為固體廢棄物由一些專門的固體垃圾處理公司帶走。
理論上講，我們的水性涂料生產(chǎn)企業(yè)可以做到污水的零排放，每個企業(yè)都可以測算下，這個月用了多少水，這個數(shù)據(jù)可以從每個月的水費中找到，多少水是進入到最終產(chǎn)品中，從生產(chǎn)涂料的數(shù)量和他們的固含量可以理論計算出。中間的差值就是被我們浪費的水。各個企業(yè)的實際情況不盡相同，生產(chǎn)的品種不一樣，使用的設備條件不一樣，關鍵是要有一份環(huán)保的愛心，把節(jié)約用水，愛護環(huán)境真正落實于行動，實實在在放在心中。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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