CN112908431A - 一种液体硅酸盐无机涂料配方的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供了一种液体硅酸盐无机涂料配方的设计方法，涉及涂料制备技术领域，其选择燃烧热作为突破口，通过计算乳液中各有机物的总热值，将其限定在标准范围，在反推验证液体硅酸盐无机涂料配方中其它组分，工程师可根据反推结论，对配方进一步优化，调整材料的比例，方便快捷地优化出经济实用、产品质量优良的配方。从而减少研发的资金和时间投入，促进无机涂料领域的发展。
Description
技术领域
本发明涉及涂料制备技术领域，具体而言，涉及一种液体硅酸盐无机涂料配方的设计方法。
背景技术
无机涂料以其优良的性能和环保性，受到消费者的欢迎，但是产品品质良莠不齐，至今没有统一标准。为顺应建涂市场的发展，有中国建筑研究院牵头，起草制定了建工行业《建筑内外墙用液态无机涂料》标准。根据《建筑内外墙用液态无机涂料》标准的要求，无机涂料市场将迎来一场革命，淘汰部分不合格产品，一些有志于无机涂料的人士和厂家将面临配方设计的难题。
要做出合格的产品，涂料工程师必须重新选择材料、设计配方，然后反复试验、检测，以达到合格的目的。这些指标如pH、水蒸气透过率、高分子有机物含量、耐水性、耐碱性、干燥时间、施工性、容器中状态、对比率、耐沾污性、耐霉菌性(有要求时)等，相信从事涂料行业的工程师通过添加某些材料都能解决。这些增加的指标中最难解决的是燃烧性问题。燃烧性能要达到A级，就不是添加材料的问题，而是在以前配方的基础上减少某些助剂和乳液等有机物的用量问题。涂料行业从业者都知道乳液和助剂在水性涂料配方中的比例非常重要，少添加，不能保证涂料的性能，如施工性、耐洗刷性、耐沾污性等。添加比例多了，有机物质就多了，燃烧性能达不到A级，不能做出合格产品，使涂料工程师处于两难的境地。为了设计出科学、合格的涂料配方，涂料工程师千辛万苦，反复调整增减各种有机物成分比例、试验、检测，浪费很多精力、财力，几个月、甚至一年都摸索不出一个合格的配方，有的干脆放弃不做无机涂料。燃烧性能A级是困扰无机涂料配方工程师的难题，也成为阻碍无机涂料生产与发展的一道屏障。
发明内容
本发明的目的在于提供一种液体硅酸盐无机涂料配方的设计方法，其操作简单方便，可以指导工程师如何调整变换材料，优化出经济实用，且满足燃烧性能A2级的无机涂料的配方。
本发明的实施例是这样实现的：
一种液体硅酸盐无机涂料配方的设计方法，液体硅酸盐无机涂料包括硅酸盐、颜填料、乳液、助剂以及水，设计方法包括：
根据乳液中各有机成分的燃烧热和摩尔质量，计算单位质量乳液的总燃烧值；
根据A2级涂料品质所要求的热值上限，以及液体硅酸盐无机涂料的固含量，计算液体硅酸盐无机涂料的热值上限；
根际乳液的总燃烧值，以及液体硅酸盐无机涂料的热值上限，计算乳液在液体硅酸盐无机涂料中的质量浓度上限。
本发明实施例的有益效果是：
本发明实施例提供了一种液体硅酸盐无机涂料配方的设计方法，其选择燃烧热作为突破口，通过计算乳液中各有机物的总热值，将其限定在标准范围，在反推验证液体硅酸盐无机涂料配方中其它组分，工程师可根据反推结论，对配方进一步优化，调整材料的比例，方便快捷地优化出经济实用、产品质量优良的配方。从而减少研发的资金和时间投入，促进无机涂料领域的发展。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本发明实施例的一种液体硅酸盐无机涂料配方的设计方法进行具体说明。
《建筑内外墙用液态无机涂料》送审报告要求燃烧性A，分A1和A2两个级别。根据GB/T5464-2010《建筑材料燃性实验方法》检测方法，检测前用涂料样品做出体积为76m3d的圆柱体，干燥后放进炉内加热使其燃烧。根据GB/T8624--2012《建筑材料及制品燃烧性能分级》认定，A1的技术指标为(1)炉内温升⊿T≤30℃；(2)持续燃烧时间⊿t＝0秒；(3)质量损失率⊿m≤50％(4)总热值PCS≤2.0MJ/Kg。A2级技术指标为(1)炉内温升⊿T≤50℃；(2)持续燃烧时间⊿t≤20秒；(3)质量损失率⊿m≤50％(4)总热值PCS≤3.0MJ/Kg；另外A2还要根据GB/T8625-2005《建筑材料难燃性试验方法》把涂料涂在1m×0.19m水泥板上，干燥后放进实验器具内加热使其燃烧，指标符合(5)燃烧增长速率指数FIGRA≤120W/S；(6)火焰横向蔓延未达到试样长翼边沿；(7)600S总放热量THR≤7.5MJ。
也就是说A1级要符合(1)炉内温升⊿T≤30℃；(2)持续燃烧时间⊿t＝0秒；(3)质量损失率⊿m≤50％(4)总热值PCS≤2.0MJ/Kg四个技术指标。A2级要符合(1)炉内温升⊿T≤50℃；(2)持续燃烧时间⊿t≤20秒；(3)质量损失率⊿m≤50％(4)总热值PCS≤3.0MJ/Kg(5)燃烧增长速率指数FIGRA≤120W/S；(6)火焰横向蔓延未达到试样长翼边沿；(7)600S总放热量THR≤7.5MJ七个指标。
A1级共有(1)炉内温升⊿T≤30℃；(2)持续燃烧时间⊿t＝0秒；(3)质量损失率⊿m≤50％(4)总热值PCS≤2.0MJ/Kg四个技术指标。持续燃烧时间⊿t＝0秒是最严格的，也就是说，配方里不能有燃烧物质，只有这一项合格了，其他三项也能合格。我们设计配方时，就不能添加有机物质，颜填料是矿物材料是不燃烧的，所以，其他材料按以前生产配方组合即可。
A2级技术指标为(1)炉内温升⊿T≤50℃；(2)持续燃烧时间⊿t≤20秒；(3)质量损失率⊿m≤50％(4)总热值PCS≤3.0MJ/Kg；(5)燃烧增长速率指数FIGRA≤120W/S；(6)火焰横向蔓延未达到试样长翼边沿；(7)600S总放热量THR≤7.5MJ。
这些指标表明配方里可以添加有机物质，但是要有量的限制。首先，经过发明人的分析，这些指标中，(7)600S总放热量THR≤7.5MJ,涂料试样很少，不可能10分钟持续燃烧10分钟，这个标准是对其他类型的物质测试用的，可以排除；(6)火焰横向蔓延未达到试样长翼边沿，水性涂料本身不易燃，薄薄的一层涂在水泥板上，从中间点燃，全部燃烧到整块样板也不可能，可以排除；燃烧增长速率指数FIGRA≤120W/S，水性涂料里面绝大部分是矿物粉体，就是混合部分有机物质，燃烧速度也很慢，可以排除；(3)质量损失率⊿m≤50％，这个质量指干涂料的质量，涂料干燥后40％以上是不燃烧的矿物粉料，有机物完全燃烧后质量损失率也不会超过50％，可以排除；(2)持续燃烧时间⊿t≤20秒，无机水性涂料有机物含量远远少于矿物粉体，本身不易燃，燃烧后持续时间更短，不会超过20秒；这样我们只考虑(1)炉内温升⊿T≤50℃；和(4)总热值PCS≤3.0MJ/Kg。对于(1)炉内温升⊿T≤50℃，涂料公司实验室一般没有这个测试设备，只有专业检测部门才能做。(4)总热值PCS≤3.0MJ/Kg一般涂料公司也没有设备测试，但我们可以通过分析配方里的材料成分，查出每种成分的燃烧热值，然后相加就得出配方里燃烧物质的总热值，并以此来限定配方中的其它成分。
进一步地，无机涂料配方一般包括水、助剂、乳液、颜填料硅酸盐组成，其中有机物主要存在于助剂和乳液。因此，我们只需要计算助剂和乳液中的有机物燃烧热即可。更进一步地，实际上，无机涂料配方中的助剂用量通常都很少，并且必要时候还可以选择无机助剂，这样计算的方法可以更加简化，只需要计算乳液中有机物的燃烧值即可。
基于上述基础，本申请发明人提出一种液体硅酸盐无机涂料配方的设计方法，其特征在于，液体硅酸盐无机涂料包括硅酸盐、颜填料、乳液、助剂以及水，设计方法包括：
根据乳液中各有机成分的燃烧热和摩尔质量，计算单位质量乳液的总燃烧值；
根据A2级涂料品质所要求的热值上限，以及液体硅酸盐无机涂料的固含量，计算液体硅酸盐无机涂料的热值上限；
根际乳液的总燃烧值，以及液体硅酸盐无机涂料的热值上限，计算乳液在液体硅酸盐无机涂料中的质量浓度上限。
其中，单位质量乳液的总燃烧值通过下式计算，
式中，QA为单位质量乳液的总燃烧值(单位：MJ/kg)；qi为乳液中各有机物的燃烧值(单位：kJ/mol)，可以通过文献资料查找，也可以通过试验测试得到；wi为乳液中各有机物的质量百分比，为配方工程师在设计配方时可以先设定的值，Mi为乳液中各有机物的摩尔质量(单位g/mol)，可通过文献资料得到。
进一步地，液体硅酸盐无机涂料的热值上限通过下式计算，
Qmax＝Q0×α，
式中，Qmax为单位质量液体硅酸盐无机涂料的热值上限(单位：MJ/kg)，Q0为根据A2级涂料品质所要求的热值上限，取值3MJ/kg，α为液体硅酸盐无机涂料的固含量。
进一步地，乳液在液体硅酸盐无机涂料中的质量浓度上限通过下式计算，
Wmax＝Qmax/Q0，
式中，Wmax为乳液在液体硅酸盐无机涂料中的质量浓度上限，Qmax为单位质量液体硅酸盐无机涂料的热值上限(单位：MJ/kg)，QA为单位质量乳液的总燃烧值(单位：MJ/kg)。
进一步地，根据上述计算结果，为了达到无机涂料中有机物含量不超过5wt％的标准，助剂可以选择无机助剂，例如，分散剂可以选用无机钠盐，增稠剂可以用膨润土、硅灰、白黑炭、凸凹棒土等，在此种情况下，通常乳液用量即使达到10wt％，乳液中有机物的总量也不超过液体硅酸盐无机涂料的5wt％。可选地，当助剂包括有机助剂，助剂中有机物的总量应不超过液体硅酸盐无机涂料的1wt％，且乳液中有机物的总量不超过液体硅酸盐无机涂料的4wt％。
可选地，助剂包括分散剂、消泡剂、增稠剂、润湿剂中的至少一种。无机涂料对有机物的最低添加量没有规定，不添加有机物完全可以达到燃烧性A1级标准，这样的涂料只能使用在特殊要求的场所，不能作为建筑装饰使用，用作建筑装饰的无机涂料，不添加有机物世界上还没有这样的技术，业界普遍认为乳液含量越高，其施工性和涂膜的早期性能越好。不添加有机物，颜填料的分散、气泡控制、储存稳定性、成膜性等涂料的基本性能根本没法保证。
为了保证无机涂料的性能，通常情况下，分散剂的用量为液体硅酸盐无机涂料的0.3wt％～0.5wt％，消泡剂的用量为液体硅酸盐无机涂料的0.15wt％～0.2wt％，增稠剂的用量为液体硅酸盐无机涂料的0.4wt％～0.6wt％。液体硅酸盐无机涂料的固含量为40％～60％。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供了一种燃烧热为A2级别的液体硅酸盐无机涂料配方的设计方法，其包括：
S1.采用市售某苯丙乳液，其每1kg成分如下：
苯乙烯218.8g，丙烯酸丁酯238.4g，甲基丙烯酸甲酯19.56g，甲基丙烯酸9.64g，保护胶体8.36g(成分是聚乙烯醇，分解后主要成分是醋酸)，乳化剂18.85g，碳酸氢钠0.5g，过硫酸铵2.4g，以及余量的水。
其中，乳化剂、碳酸氢钠、过硫酸铵、水为不燃物，无需进行燃烧值计算，其余各成分通过查阅资料，确定参数如表1所示，
表1.乳液中各有机成分参数
按照公式
进行计算，则QA＝4376.9×21.88％÷104+5783×23.84％÷128+2642.9×1.956％÷100+0.0544×0.964％÷86.09+0.8761×0.836％÷60＝9.208+10.77+0.5170+6.05×10-6+1.22×10-4＝20.50(MJ/kg)。
S2.设计液体硅酸盐无机涂料配方的固含量为50％，按照公式Qmax＝Q0×α，计算单位质量液体硅酸盐无机涂料的热值上限，其中，Q0为根据A2级涂料品质所要求的热值上限，取值3MJ/kg。
则Qmax＝3×50％＝1.5(MJ/kg)
S3.根据公式Wmax＝Qmax/Q0，计算乳液在液体硅酸盐无机涂料中的质量浓度上限。
则Wmax＝1.5÷20.50＝0.0732＝7.32％。
也即是说，该苯丙乳液在液体硅酸盐无机涂料中的质量分数最大值为7.32％。
S4.按照质量分数上限，计算液体硅酸盐无机涂料中的有机物含量。通过表1，可以得出乳液中有机物总质量分数为49.48％，则液体硅酸盐无机涂料中的有机物含量为7.32％×49.48％＝3.62％，远未达到无机涂料中，有机物含量5％的上限。
S5.再根据助剂的用量要求，也即分散剂的用量为液体硅酸盐无机涂料的0.3wt％～0.5wt％，消泡剂的用量为液体硅酸盐无机涂料的0.15wt％～0.2wt％，增稠剂的用量为液体硅酸盐无机涂料的0.4wt％～0.6wt％来限定配方中助剂的使用，得到配方：
水20～30重量份，分散剂0.4～0.6重量份，消泡剂0.15～0.2份，润湿剂0.06～0.08重量份，增稠剂0.3～0.5重量份，钛白粉10～15重量份，重钙20～30重量份，高岭土5～10重量份，硅酸盐20～25重量份，乳液6～7.35重量份。
试验例
采用实施例1所提供的液体硅酸盐无机涂料配方制备得到无机涂料，按照《建筑内外墙用液态无机涂料》标准对其进行测试，测试结果如表2所示。
表2.液体硅酸盐无机涂料性能测试结果
由表2可以看出，通过本发明实施例1的方法设计出的液体硅酸盐无机涂料，各项性能达到内墙涂料优等品标准，燃烧性符合A2级，完全达到《建筑内外墙用液态无机涂料》标准的要求。
综上所述，本发明实施例提供了一种液体硅酸盐无机涂料配方的设计方法，其选择燃烧热作为突破口，通过计算乳液中各有机物的总热值，将其限定在标准范围，在反推验证液体硅酸盐无机涂料配方中其它组分，工程师可根据反推结论，对配方进一步优化，调整材料的比例，方便快捷地优化出经济实用、产品质量优良的配方。从而减少研发的资金和时间投入，促进无机涂料领域的发展。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种液体硅酸盐无机涂料配方的设计方法，其特征在于，所述液体硅酸盐无机涂料包括硅酸盐、颜填料、乳液、助剂以及水，所述设计方法包括：
根据所述乳液中各有机成分的燃烧热和摩尔质量，计算单位质量所述乳液的总燃烧值；
根据A2级涂料品质所要求的热值上限，以及所述液体硅酸盐无机涂料的固含量，计算所述液体硅酸盐无机涂料的热值上限；
根际所述乳液的总燃烧值，以及所述液体硅酸盐无机涂料的热值上限，计算所述乳液在所述液体硅酸盐无机涂料中的质量浓度上限。
2.根据权利要求1所述的液体硅酸盐无机涂料配方的设计方法，其特征在于，单位质量所述乳液的总燃烧值通过下式计算，
式中，QA为单位质量所述乳液的总燃烧值，qi为所述乳液中各有机物的燃烧值，wi为所述乳液中各有机物的质量百分比，Mi为所述乳液中各有机物的摩尔质量。
3.根据权利要求2所述的液体硅酸盐无机涂料配方的设计方法，其特征在于，所述液体硅酸盐无机涂料的热值上限通过下式计算，
Qmax＝Q0×α，
式中，Qmax为单位质量所述液体硅酸盐无机涂料的热值上限，Q0为根据A2级涂料品质所要求的热值上限，取值3MJ/kg，α为所述液体硅酸盐无机涂料的固含量。
4.根据权利要求3所述的液体硅酸盐无机涂料配方的设计方法，其特征在于，所述乳液在所述液体硅酸盐无机涂料中的质量浓度上限通过下式计算，
Wmax＝Qmax/Q0，
式中，Wmax为所述乳液在所述液体硅酸盐无机涂料中的质量浓度上限，Qmax为单位质量所述液体硅酸盐无机涂料的热值上限，QA为单位质量所述乳液的总燃烧值。
5.根据权利要求1所述的液体硅酸盐无机涂料配方的设计方法，其特征在于，所述助剂为无机助剂，所述乳液中有机物的总量不超过所述液体硅酸盐无机涂料的5wt％。
6.根据权利要求1所述的液体硅酸盐无机涂料配方的设计方法，其特征在于，所述助剂包括有机助剂，所述助剂中有机物的总量不超过所述液体硅酸盐无机涂料的1wt％，且所述乳液中有机物的总量不超过所述液体硅酸盐无机涂料的4wt％。
7.根据权利要求1所述的液体硅酸盐无机涂料配方的设计方法，其特征在于，所述助剂包括分散剂、消泡剂、增稠剂、润湿剂中的至少一种。
8.根据权利要求7所述的液体硅酸盐无机涂料配方的设计方法，其特征在于，所述分散剂的用量为所述液体硅酸盐无机涂料的0.3wt％～0.5wt％，所述消泡剂的用量为所述液体硅酸盐无机涂料的0.15wt％～0.2wt％，所述增稠剂的用量为所述液体硅酸盐无机涂料的0.4wt％～0.6wt％。
9.根据权利要求1所述的液体硅酸盐无机涂料配方的设计方法，其特征在于，所述液体硅酸盐无机涂料的固含量为40％～60％。
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