CN1171957C - 含有天然彩色矿石粉的涂料 - Google Patents

Abstract

本发明涉及天然彩色矿石粉作为涂料添色剂的用途，所述天然彩色矿石粉为无放射性的任何天然彩色矿石粉，以及涉及含天然彩色矿石粉的涂料。本发明的涂料具有抗老化、不褪色、憎水、憎油、憎污、自洁等功能。

Description

含有天然彩色矿石粉的涂料

发明领域

本发明涉及彩色矿石粉作为涂料添色剂的用途，以及涉及含有彩色矿石粉的涂料。

技术背景

国际上惯用色浆做外墙涂料的添色剂，色浆含有机物，在紫外线的辐射下易褪色，这是一直困扰涂料行业的一大难题。国外外墙涂料的标准(如美国和德国)使用年限为2年，而在国内，由于种种条件限制，外墙涂料的使用年限为10年，褪色问题严重影响了建筑物的外观，也制约了外墙涂料在国内的发展。目前，国家正在淘汰玻璃幕和瓷砖，取而代之以外墙涂料，对国内涂料行业来讲，急需寻找一种抗老化、不褪色的新型材料来代替色浆，以彻底解决褪色问题。

此外，目前国内外市场上的涂料难以同时达到憎水、憎油、憎污、自洁的功能。

发明内容

本发明人经过大量研究发现，通过在涂料中加入天然彩色矿石粉，能够获得抗老化、不褪色、憎水、憎油、憎污、自洁的优异涂料。

因此，本发明的目的是提供天然彩色矿石粉作为涂料添色剂的用途。所述天然彩色矿石粉可以是无放射性的任何天然彩色矿石粉，例如翠绿石、竹绿石、伏牛黄石、满天红石、枣红石、雪花白石、墨黑石、牡丹红石、银玉灰石、朱红石、玉绿石、紫晶红石、菊花黄石、丹顶红石、珍珠黑石、宝石兰石、晚霞红石、豫红石、玫瑰石、汉白玉、红砂岩、石英砂、三星石、金红石、玉石等。它们的粒度例如可以是100-1000目，甚至更高，但通常为200-800目，例如200目，400目，800目等。

本发明的另一个目的是提供含天然彩色矿石粉的涂料。

在本发明的一个实施方案中，本发明的涂料包括25wt％以上的彩色矿石粉。

在进一步优选的实施方案中，本发明的涂料包括10-35wt％粘合剂，25-35wt％无放射性天然彩色矿石粉，15-25wt％高岭土，0.5-3wt％金红石钛白粉，4-7wt％滑石粉，20-35wt％水，0-5wt％其它添加剂，如分散剂、悬浮剂、杀菌剂、防霉剂、抗氧化剂、阻燃剂等中的一种或多种。其中粘合剂可以是丙烯酸和苯丙(苯乙烯-丙烯酸)乳液，优选是用少量植物蛋白胶(0.005-0.02wt％，基于丙烯酸或苯丙乳液)改性的丙烯酸和苯丙乳液。另外，植物蛋白胶也可作为其它添加剂加入。关于植物蛋白胶的制备，可以参阅同一申请人的中国专利申请98124834等。植物蛋白胶也可以用纤维素(包括天然和改性纤维素如甲基纤维素)代替。

本发明的天然彩色矿石粉作为涂料添色剂，其原理如下：

一、天然彩色矿石粉的聚团原理

将1800目重质碳酸钙中加入30％的水分，研磨45分钟后，在容器中静置，经4小时后，重质碳酸钙不凝聚，在乳液中处于半沉淀半悬浮状态。在高倍显微镜下，发明人发现：重质碳酸钙颗粒中虽然包含有微量活性物质(硅)，但在涂料的生产和应用过程中不具备条件激发其活性物，所以沉淀后的碳酸钙颗粒不能重新组合凝聚，一旦受到外力的作用，就会立刻悬浮起来。

在相同的环境条件下，用400目的彩色矿石粉做同样的试验。将400目的彩色矿石粉中加入30％的水，研磨45分钟后，在容器中静置，经2小时后，彩色矿石粉开始分层、沉淀；12小时后，完全沉淀，并组合、凝聚，形成具有一定硬度，密实而富有弹性的整体；同时容器上半部分的液体里悬浮着与彩色矿石粉相同色调的活性物质，据中国科学院地球化学研究所所资源环境测试中心检测，样品呈椭球状、短柱状，宽度20-40纳米的占32％，40-60纳米的占49％，60-80纳米的占11％，80-100纳米的占8％，由于其比重小于水的比重，经长期的放置不聚团。不沉淀。

通过到上述对比试验的观察和分析，得出以下结论：以重质碳酸钙为骨料的内外墙乳胶漆在成膜以后，碳酸钙颗粒镶嵌在乳液形成的软膜体中，颗粒与颗粒之间的空隙只能由乳液软膜体填补。乳液软膜体是水溶性物质，水分子很容易透过它进入膜体内，无法达到憎水、憎油、憎污、自洁的功能，这也是世界涂料行业一个无法跨越的难题。当纳米技术出现以后，国内外一些大规模的涂料生产企业试图采用在超微碳酸钙中加入纳米材料来填充碳酸钙颗粒间的空隙的方法来达到憎水、憎油、憎污、自洁的功能，但由于纳米材料易挥发、易聚团，粒度与碳酸钙颗粒不匹配而未能成功。即使成功，这种涂料昂贵的价格在国内外也都难以推广。在高倍显微镜下观察，这种涂料膜体的截面并不平整，排列格式不规则，而且依然存在大量毛细孔。由此可见，以碳酸钙为骨料的内外墙涂料只能达到防水的功能而无法彻底达到憎水、憎油、憎污、自洁。

天然彩色矿石粉颗粒的内部含有不同剂量的活性物质，遇水后单位空间的颗粒数达到一定值，水中的氢化物激活了彩色矿石粉中的活性物质，使之向颗粒体表面扩散，在水中作辐射状自由扩散运动。颗粒体内含有的活性物质通过扩散互相聚合，聚合成团的活性物质被禁固在颗粒间一定大小的空隙中，不断增长。把这个定型的空隙假设为模型，聚团的活性物质就根据颗粒间的模型越长越大，空间饱和后结为一个整体，众多活性物质把彩色矿石粉包裹起来，就像镶嵌在活性物质聚结成的膜体中一样。由于活性物质在填充彩色矿石粉颗粒粒之间的空隙时，微量的水分子来不及排出而被封锁在活性物质和彩色矿石粉之间的空隙中，使颗粒与活性物质之间构成半真空的状态。例如，将凝聚后的矿石粉固体从水中取出，切割成长15cm，宽5cm，厚0.5cm的长方体，把它两端提起来使中间悬空。在重力的作用下，长方体中心向下弯曲、下陷，位移逐渐加快，30秒钟左右，长方体从中间断开。这种现象从微观上的解释是：颗粒和活性物质之间构成了半真空状态，当两颗粒子受到一对相反方向的作用力时，颗粒之间发生相对位移，当位移达到一定的距离后，空气的逐步侵入使颗粒和活性物质缓慢地分开。大量的颗粒与活性物质在不同位置上被分开，在宏观上就表现为长方体的弯曲。在这一过程中，长方体上某区域受力越大，在微观上该弯曲区域颗粒与活性物质的断裂面就越大，等到颗粒与活性物质完全剥离，长方体就发生断裂。活性物质填充了颗粒间的空隙，聚团后表面的毛细孔也被活性物质封闭，而初聚团时活性物质的体积略大于水分子，膜层含水量在1％以下时，它排列聚合成的结构体中所形成的空隙比水分子体积小，但比空气体积大，因此，彩色矿石粉和它体内包含的活性物质所形成的结构体可以阻挡水的侵入，但空气却可以自由通过。同时部分扩散水中的活性物质，由于单位空间的密度达不到活性物质聚合的要求而无法与颗粒聚合，只能在水里作自由扩散运动，在宏观上表现为乳液状混合物。

发明人充分认识到天然彩色矿石粉聚团现象是自然科学本能的一种体现，这给研究者带来了兴奋点。因为在涂料行业，各国专家无不在寻求能增强膜层密实度的物质，以彻底解决涂料的憎水自洁问题。为了把这一现象合理地运用到涂料的开发应用中，研究者进行了深入地研究，并邀请了四川大学矿石专家和国家地矿部的研究人员，对一批无放射性彩色矿石进行分析，确定每一种彩色矿石的元素含量、活性物质的种类和单位含量，并对彩色矿石粉遇水沉淀并凝聚的机理进行论证和定论。

二、彩色矿石粉为骨料的内外墙涂料的成膜机理

彩色矿石粉颗粒含有活性物质，这种活性物质的比重比普通碳酸钙的比重略大，普通的乳液无法有效地把彩色矿石粉颗粒悬浮起来均散在乳液中。针对这种情况，研究者用植物蛋白胶添加剂对乳液进行改性(植物蛋白胶是研究者针对上述情况特别研制的，植物蛋白胶具有超强的渗透力和内聚力，将它用作涂料的添加剂，随着水分子的挥发产生巨大的内聚力，跨越常规涂料的附着力与渗透力，大大增强膜层的密实度，使之与墙体表面形成无界面的整体)，增加乳液的含固量以增大乳液对固体颗粒的悬浮力。在高倍显微镜下，研究人员观察了彩色矿石粉颗粒在液体(乳液和水的混合物)中的悬浮和聚合过程：在含有40-50％水分的液体中，乳液把彩色矿石粉包裹起来，通过助剂控制彩色矿石粉颗粒的间距，抑制活性物质的激发和聚合，使彩色矿石粉颗粒长久地悬浮在液体中。

以彩色矿石粉为骨料的内外墙涂料在涂装到墙体表面后，涂料中的水分一部分渗透到墙体内，另一部分则挥发到空气中，彩色矿石粉颗粒的间距随水分子的挥发和植物蛋白胶的渗透而逐渐缩小。当液体含水量降到15％以下时，彩色矿石粉颗粒的间距缩小到可以激发颗粒中的活性物质的程度，活性物质开始激发并缓慢向颗粒体外扩延，逐步填充了颗粒间的空隙，同时加快了水分子往膜体外的挥发速度。水和乳液混合液中含有大量的超微活性粒子，其中部分超微活性粒子被挤压到膜层表面开始排列组合，填充膜层表面的超微毛细孔。随着水分子的进一步挥发，单位空间的活性物质的密度达到一定程度后，颗粒开始排列并聚合成团，紧密地吸附在膜层的表面，使膜层变得更加密实，光泽度更高。乳胶漆的干燥软膜由于含有大量活性物质而形成了中性密实膜体，超微活性物质在膜层之间起到活性增强作用。当液体含水量降到5％以下时，活性物质被全部激发并完全聚团，膜层中颗粒与颗粒之间的填充物也基本完全固化。当液体含水量降到1％以下时，膜体表面的混合物(乳液和活性物质)完全固化成膜，膜层表面的密实度最强，光泽度达到最高，形成无毛细孔的彩色石粉密实膜层，用高倍显微镜观察，在添加剂植物蛋白胶产生的内聚力和渗透力的作用下，膜层表面平整度如同玻璃面细密光洁，与墙体表面形成无界面的整体，从而具有了憎水、憎油、憎污、自洁的优异功能。

天然彩色矿石粉在内外墙涂料中的实用价值

抗老化、不褪色：

天然彩色石粉的材质与碳酸钙相比更为密实，且含有活性物质，用于涂料中活性物质发生无间隔的聚团填充颗粒间空隙，最终形成坚硬、平整的密实膜层，不易被外来的氧化物、酸性物质(酸雨)及有害气体侵入粉化，具有良好的抗老化性能；天然彩色石粉属于天然无机物，紫外线的辐射对它的褪色率极低。对用含有机物的色浆调色的外墙涂料和以天然彩石粉为骨料的外墙涂料作同步老化试验，紫外线照射200小时后，色浆开始褪色；照射超过300小时，含色浆的外墙涂料已面目全非，而以天然彩色石粉为骨料的外墙涂料通过500小时紫外线照射，无褪色现象发生，从国家检测中心得到的数据表明，这是国内外所有色浆涂料无法相比的，充分证明天然彩色石粉是良好的抗老化、抗紫外线辐射材料，用天然彩色石粉做骨料生产而成的外墙涂料，就可以彻底解决褪色问题。这一发现给涂料行业带来了一项重大突破。

研究者在深入研究天然石粉的抗老化、抗紫外线辐射的特性的同时，又有重大发现：天然彩色石粉颗粒中富含活性物质，用天然彩色石粉做内外墙涂料的骨料，在一定条件下活性物质被激发，发生无间隔的聚团，自行产生粒径在纳米级和亚米级之间的物质。植物蛋白胶属于亚米级粉体，粒度接近纳米尺度，将它用作改性乳液的添加剂，在涂层表面初形成厚度400-500微米的膜层，植物蛋白胶随水分子的渗透产生超强的渗透力，携带活性物质渗透进入基体内部，在墙体毛细孔中形成坚硬的骨架；当膜层厚度达到300-400微米时，在水分子蒸发的作用下，植物蛋白胶遇水膨胀将由活性物质被激发而产生的纳米到亚米级之间的物质推到膜体表层，由于植物蛋白胶增强了乳液的粘性，乳液将这些微细物质包裹起来，使其不致挥发，同时在植物蛋白胶的巨大内聚力的收缩作用下，将这些微细物质牢固地聚合在基体表面，二次填充颗粒间的毛细微孔，饱和后结为无空隙的整体，增强涂膜的密实度和坚硬度，形成超微密实的表面硬膜；随着水分子的蒸发，加之在植物蛋白胶添加剂超强内聚力的作用下，膜体逐渐收缩，厚度最终达到200微米左右。最终形成平整密实的表面防护屏。膜层跨越了普通涂料的附着力与渗透力，与基体表面形成平整、密实、无界面的一体，实现国际上对纳米材料的应用标准，水滴、油滴或雾滴与基体表面的接触角度接近零度，打破了化学领域水溶剂不憎水，油溶剂不憎油的常规定律，达到憎水、憎油、憎污的优异功能，水分子不存在，但空气可以自由流通，从根本上杜绝了霉菌的生长环境，从而达到防霉自洁功能。

发明人对所用彩色矿石粉的特点及所含活性物质的特性制定了新的涂料配方及生产工艺流程。经过三年反复的试验和批量生产使用，并对建筑物施工后的效果进行跟踪观察，没有任何褪色现象出现，耐洗刷性和抗污染性能良好。经过国家涂料检测中心两次反复测试，抗老化试验通过500小时紫外线照射，褪色程度为0-1级，超越国家≤2级的测试标准，彻底杜绝了褪色问题。耐洗刷性方面，经500次洗刷，漆膜无破损，远远超出国家指标。彩色矿石粉作骨料的内外墙涂料的所有测试指标均达到甚至超出国家标准。用彩色矿石粉作骨料的内外墙涂料可以和世界上任何知名品牌的涂料相比。

本发明涂料的检验结果如下表所示：

序号	检测项目	技术指标	检测结果
							(优等品)
1	在容器中状态	刷搅拌混合后无硬块，呈均匀状态	搅拌混合后无硬块，呈均匀状态	合格
					2	施工性	涂二道无障碍	刷涂二道无障碍	合格
3	涂膜外观	涂膜外观正常	涂膜外观正常	合格
					4	干燥时间(h)	≤2	＜2	合格
5	对比率	≥0.90	0.91	合格
					6	耐水性(96h)	无异常	无异常	合格
7	耐碱性(48h)	无异常	无异常	合格
					8	耐洗刷性(次)	≥1000	5000通过	合格
9	耐人工老化(500h)			合格
					9.1	粉化(级)	≤1	0
9.2	变色(级)	≤2	1
					10	涂料耐冻融性	不变质	不变质	合格
11	涂层耐温变性(10次循环)	无异常	无异常	合格
					12	耐沾污性(5)	≤15	1.5

以下结合实施例来说明本发明。应该理解的是，这些实施例仅用于说明的目的，不构成对本发明的任何限制。

实施例1

配方如下表：

序号	原材料名称	重量份	重量(kg)	供应商
					1	水	30.1	301
2	HEC(增稠剂)	0.5	5
					3	DP270(分散剂)	0.5	5	Rhodia
4	DF681F(消泡剂)	0.3	3	Rhodia
					5	TIONA 568(钛白粉)	3	30	Milennium
6	天然彩色石粉	32	320
					7	高岭土	15	150
8	植物蛋白胶改性丙烯酸乳液	11	110
					9	醇酯12(成膜助剂)	1	10
10	丙二醇	2	20
					11	Acticide HF(杀菌剂)	0.2	2	Thor
12	Acticide EPW(防霉剂)	0.5	5	Thor

按常规方法制成天然彩色石粉墙乳胶漆。

实施例2

配方如下表：

序号	原材料名称	重量份	重量(kg)	供应商
					1	水	30.1	301
2	HEC(增稠剂)	0.5	5
					3	植物蛋白胶	0.2	2
4	DP270(分散剂)	0.5	5	Rhodia
					5	DF681F(消泡剂)	0.3	3	Rhodia
6	TIONA 568(钛白粉)	2	20	Milennium
					7	天然彩色石粉	28	280
8	高岭土	20	200
					9	植物蛋白胶改性丙烯酸乳液	11	110
10	醇酯12(成膜助剂)	1	10
					11	丙二醇	2	20
12	Acticide HF(杀菌剂)	0.2	2	Thor
					13	Acticide EPW(防霉剂)	0.5	5	Thor

按常规方法制成天然彩色石粉墙乳胶漆。

Claims (3)

1、含有天然彩色矿石粉的涂料，包括：10-35wt％用植物蛋白胶或纤维素改性的丙烯酸乳液或苯乙烯-丙烯酸乳液，25-35wt％的无放射性天然彩色矿石粉，15-25wt％高岭土，0.5-3wt％金红石钛白粉，4-7wt％滑石粉，20-35wt％水，0-5wt％其它添加剂。

2、根据权利要求1的涂料，其中其它添加剂包括分散剂、悬浮剂、杀菌剂、防霉剂、抗氧化剂和阻燃剂中的一种或多种。

3、根据权利要求1的涂料，其中无放射性天然彩色矿石粉选自翠绿石、竹绿石、伏牛黄石、满天红石、枣红石、雪花白石、墨黑石、牡丹红石、银玉灰石、朱红石、玉绿石、紫晶红石、菊花黄石、丹顶红石、珍珠黑石、宝石兰石、晚霞红石、豫红石、玫瑰石、汉白玉、红砂岩、石英砂、三星石、金红石和玉石。