专利名称：天然无机涂料组合物及其制备方法
技术领域：
本发明涉及天然无机涂料组合物及其制备方法，特别涉及一种具有良好的储存稳定性的天然无机涂料组合物及其制备方法，其中当该涂料组合物被涂覆在包括混凝土在内的无机材料上时，可提供具有良好的强度和耐候性(weatherability)的涂层。
2.相关技术的描述近来，使用混凝土为主要材料建造的建筑物通常使用以苯乙烯丙烯酸酯为基础的涂料组合物或以乙烯基修饰的苯乙烯丙烯酸酯乳状液为基础的涂料组合物进行粉刷，以获得粉刷效果和增强耐久性的效果。上述涂料组合物具有多种优点，然而当与使用硅酸盐树脂作为粘合剂相比较时，由于使用以有机物为基础的乳状树脂作为粘合剂，其对混凝土材料的渗透效果下降。因此，该以乳状液为基础的涂料组合物对基材表现出较差的物理和化学粘结性。
即当以乳状液为基础的涂料组合物涂覆于混凝土表面时，表现出较弱的渗透入所述混凝土表面部分的效果。然而。当将以硅酸盐为基础的涂料组合物涂覆于所述混凝土表面时，所述涂料组合物很容易通过混凝土孔隙渗入混凝土的内部，与氢氧化钙(混凝土的主要成分)完成化学固化反应。而且，由于水汽对所述乳液型涂层的渗透性较低，因此其长期抗霉力和耐久性也较低。特别对于有历史性的建筑而言，水汽渗透性是很重要的因素。当水汽或空气通过涂层，其通路不应该被阻断。
为解决上述问题，可推荐一种使用无机粘合剂的方法。该无机粘合剂能够在某种程度上弥补由使用以有机物为基础的乳液粘合剂所产生的缺陷。在上述无机粘合剂中包括含有硅、氧和碱金属盐的硅酸盐树脂。这些成分在地球上含量丰富，因而对环境有极佳的亲和性。因此，考虑到自然界和环境保护，其应用是有利的。
典型的以硅酸盐为基础的树脂包括硅酸钠树脂、硅酸钾树脂和硅酸锂树脂，当使用含有硅酸钠树脂的无机涂料组合物时，硅酸钠在所述混凝土表面部分的反应过程相对过快。而且，其反应程度不均匀，未反应的物质残留在混凝土的表面。当该未反应的物质接触到水时，形成水合产物，使所述混凝土表面表现出漂白现象。此外，在所述涂层固化的初期阶段，耐水性显著降低。
当使用包括硅酸钾树脂和硅酸锂树脂的常规无机涂料组合物时，存在较轻的但与使用硅酸钠树脂相似的问题。
此外，也容易出现由硅酸钾树脂的强碱性和树脂结构造成的问题。由于所述硅酸钾树脂与其它普通含水型树脂具有较低的相溶性，选择一种辅助树脂来弥补所述硅酸钾树脂的缺陷是十分困难的。而且，由于制备涂料组合物的颜料分散性能和长时间的储存稳定性较差，所述涂料组合物的状态是不均匀的，各相是分离的，或经长时间存放后产生大量沉淀。即使在形成涂层之后，还可能产生剥离现象或涂层强度的降低。
因此，包括干燥性能、抗水性、作业效率和高稳定性在内的涂层物理特性很大程度上依赖于在所述天然无机涂料组合物中所包含的硅酸盐树脂、辅助树脂、颜料等的种类和含量。此外，还有关于涂层强度和加速耐候性的问题。
发明概述因此，考虑到上述问题本发明的一个目的是提供具有优良干燥性能、作业效率、耐水性、储存稳定性、涂层强度和加速耐候性(acceleratedweatherability)，但不含任何有机溶剂的天然无机涂料组合物。
本发明的另一目的是提供一种制备具有优良干燥性能、作业效率、耐水性、储存稳定性、涂层强度和加速耐候性，但不含任何有机溶剂的天然无机涂料组合物的方法。
为实现所述目的，本发明提供了一种天然无机涂料组合物。该组合物包括约12-32％重量比的硅酸钾树脂、约5-30％重量比的辅助树脂、约30-50％重量比的包括白色颜料和填充剂的颜料混合物、约0.3-5.0％重量比的添加剂(包括润湿分散剂、稳定剂、增稠剂)和约10-30％重量比的水。
优选地，所述辅助树脂包括至少一种以下物质固体含量约为48-52％重量比、乳状液平均颗粒尺寸约为150nm、且最低成膜温度(MFFT)约为1-5℃的丙烯酸丁酯/苯乙烯(butylacryl/styrene)共聚物；固体含量约为48-52％重量比、乳状液平均颗粒尺寸约为100nm、且最低成膜温度约为15-25℃的丙烯酸丁酯/苯乙烯共聚物；及其混合物。
为实现上述目的，本发明提供了一种制备天然无机涂料组合物的方法。首先，通过将约10-30％重量比的水与约0.3-5.0％重量比的添加剂混合制备第一混合物。然后，通过将约30-50％重量比的白色颜料和填充剂加入第一混合物。然后，通过先后将约5-30％重量比的辅助树脂、约12-32％重量比的硅酸钾树脂及稳定剂混合进第二混合物中制得天然无机涂料组合物。
与常规的硅酸钾树脂相比，含有上述组分且根据上述方法制备的天然无机涂料组合物用于涂层具有良好的储存稳定性及改善的强度和加速耐候性。
发明的详细描述以下将对本发明进行具体描述。
天然无机涂料组合物本发明的天然无机涂料组合物是通过将硅酸钾树脂和适当用量的辅助树脂、着色颜料、填充剂、添加剂和水混合制备的，其中所述添加剂包括润湿分散剂(wetting dispersant)、稳定剂、增稠剂和消泡剂。
所述天然无机涂料组合物中包含的硅酸钾树脂包括分子比例约为2.6-4.0的二氧化硅(SiO2)和氧化钾(K2O)。该树脂的固体含量约为20-30％重量比。更优选地，二氧化硅和氧化钾的分子比例约为3.2，而固体含量约为30％重量比。
当所述硅酸钾树脂的用量约为所述天然无机涂料组合物的12％重量比或更低时，所述天然无机涂层的强度降低，而当用量超过32％重量比时，所述天然无机涂层容易变脆。
因此，硅酸钾树脂的用量范围约为所述天然无机涂料组合物的12-32％重量比，优选为18-26％重量比。
包含在所述天然无机涂料组合物中的辅助树脂的量约为48-52％重量比。该辅助树脂包括至少以下一种物质固体含量约为48-52％重量比、乳液平均颗粒尺寸为130-170nm、最低成膜温度约为1-5℃的丙烯酸丁酯/苯乙烯共聚物；固体含量约为48-52％重量比、乳液平均颗粒尺寸为80-120nm、最低成膜温度约15-25℃的丙烯酸丁酯/苯乙烯共聚物；及其混合物。
因为与通常的丙烯酸酯共聚物不同，所述辅助树脂与所述硅酸钾树脂具有良好的相溶性，所以这种辅助树脂可以容易地与所述硅酸钾树脂混合。此时，如果同时使用润湿分散剂或稳定剂则所述相溶性还可进一步改善。
当所述辅助树脂的用量低于所述天然无机涂料组合物总重量的5％重量比时，涂覆作业效率降低，且天然无机涂层会产生漂白现象或初始耐水性降低。当所述辅助树脂的用量超过30％重量比，所述天然无机涂料组合物对混凝土材料的渗透性的物理性能降低，且空气渗透性下降，从而使涂料层膨胀。
因此，辅助树脂的用量范围为所述天然无机涂料组合物的5-30％重量比，更优选为10-20％重量比。
包含在所述天然无机涂料组合物中的颜料包括着色颜料和填充剂。该着色颜料通常包括基本呈白色的二氧化钛，而该填充剂包括常用的碳酸钙、滑石、硅酸铝、云母、硅石、硫酸钡、硅酸镁、三组分的无机颜料(石英/云母/氯化物)等等。该三组分无机颜料是特殊的无机颜料(plastorit，Ruzenaq)包括石英、云母和氯化物。
考虑到耐水性和涂覆作业效率，优选将碳酸钙或三组分无机颜料用作填充剂，而滑石和硅石用作辅助填充剂。
所述白色颜料的优选用量约为所述天然无机涂料组合物的5-20％重量比，而所述填充剂的优选用量约为所述天然无机涂料组合物的20-40％重量比。
当所述白色颜料与填充剂的重量低于所述天然无机涂料组合物重量比的30％时，所述天然无机涂层的白度下降，且该涂层的遮盖效果降低，而当重量超过重量比的50％时，所述天然无机涂层不够坚固，且粘性、作业效率、耐水性和储存稳定性显著下降。此外，在加速耐候性测试中，所述涂层的表面部分容易被所述颜料及其类似物染污且可能引起粉化现象。
因此，所述白色颜料和填充剂的总用量约为所述天然无机涂料组合物的30-50％重量比，更优选为35-45％重量比。
另外，适用于所述天然无机涂料组合物的添加剂包括润湿分散剂、稳定剂和增稠剂，且还可包括粘度稳定剂，消泡剂和pH调节剂。
本发明优选的润湿分散剂包括约为所述天然无机涂料组合物的0.01-0.5％重量比的、固体含量约为50％重量比的磷酸盐溶液和季铵(quaternary ammonium)溶液。
优选的稳定剂包括约为所述天然无机涂料组合物的0.01％-0.5％重量比的基于甲硅烷醇的复合物稳定剂，其固体含量约为50％重量比。
优选的增稠剂包括通过将粉末型的羟乙基纤维素溶解在水中得到的溶液。优选的羟乙基纤维素的用量(指粉末的重量)约为所述天然无机涂料组合物的0.01％-0.5％重量比。此时，优选的所述添加剂的用量范围约为所述天然无机涂料组合物的0.01％-0.5％重量比。
制备天然无机涂料组合物的方法本发明的天然无机涂料组合物是通过将水、添加剂、白色颜料、填充剂、辅助树脂、硅酸钾树脂等等混合制备的。按此制备的天然无机涂料组合物具有良好的干燥特性、涂覆作业效率、耐水性和储存稳定性。此外，所述涂层的强度和加速耐候性也很优良。
以下详细描述制备所述天然无机涂料组合物的方法。首先，通过将约10-30％重量比的水和约0.3-5.0％重量比的添加剂混合得到第一混合物，其中所述添加剂包括润湿分散剂、消泡剂、防水剂及粘度增强剂。
本发明将磷酸溶液和季铵溶液用作润湿分散剂，Tego-810用作消泡剂及羟乙基纤维素用作粘度增加剂。
然后，将约30-50％重量比的白色颜料和填充剂加入第一混合物中，并高速分散从而得到第二混合物。直到混合物的细度达到5NS或更高才停止分散。
然后，依次加入约5-30％重量比的辅助树脂、约12-32％重量比的硅酸钾树脂和储存稳定剂，并将混合物混合均匀。将由此制得的混合物过滤，得到天然无机涂料组合物。因为所述辅助树脂和硅酸钾树脂的特性已经在上文详细解释了，因此关于其特性的描述在此省略。
下面将参照优选实施例具体描述由本发明方法制备的天然无机涂料组合物形成的涂层在强度和加速耐候性方面的改善。然而，本发明的范围并不局限于下列实施例。
实施例1向13.9％重量比的水中加入作为润湿分散剂的0.3％重量比的磷酸盐溶液(Sapetin D20，Welnersilicate)及0.3％重量比的季铵溶液(Betoliquart-25，Welnersilicate)，0.2％重量比的消泡剂(Tego-810，Tego)和1.5％重量比的防水剂(Phobe 1400，Tego)得到均匀的溶液。然后，加入作为增稠剂的0.5％重量比的羟乙基纤维素(Cellosize ER-4400，Union carbide)，并迅速分散约10分钟。
然后，向所得的混合液中加入10％重量比的白色颜料(TiO2R-706，Dupont)，25.0％重量比的碳酸钙(Omyacarb 5，Omya)，8.0％重量比的滑石(Talc SA-400，Young Woo Chem Tech)及1.0％重量比的硅石(Syloid 74，Grace)，并迅速分散。
分散至细度超过5NS后，依次加入作为辅助树脂的10.0％重量比的丙烯酸丁酯/苯乙烯共聚物(Acronal S-559，BASF)，25％重量比的硅酸钾树脂(Betolin P-35，Weollner SILIKAT)及储存稳定剂(Betolin A11，WeollnerSILIKAT)，并混合至形成均匀的混合物。然后，将所得的混合物过滤并包装，从而制得初始粘度为90KU，固体含量为58％重量比的天然无机涂料组合物。
实施例2用10.0％重量比的最低成膜温度约为20℃的丙烯酸丁酯/苯乙烯共聚物(Acronal 296DF，BASF)代替10.0％重量比的形成涂层的最低温度约为3℃的丙烯酸丁酯/苯乙烯共聚物(Acronal S-559，BASF)，进行与实施例1中所述相同的过程，制得初始粘度为90KU，固体含量为58％重量比的天然无机涂料组合物。
实施例3用20.0％重量比的形成涂层的最低温度约为20℃的丙烯酸丁酯/苯乙烯共聚物(Acronal 296DF，BASF)以及3.0％的含有三种组分石英/云母/氯化物的特殊无机颜料(Plastorit，Ruzenaq)代替10.0％重量比的丙烯酸丁酯/苯乙烯共聚物(Acronal S-559，BASF)和8.0％重量比的滑石(Talc SA-400，Young Woo Chem Tech)，进行与实施例1中所述相同的过程，制得初始粘度为92KU，固体含量为58％重量比的天然无机涂料组合物。
对比实施例1用9％重量比的云母(Mica SX-300)代替8.0％重量比的滑石(TalcSA-400，Young Woo Chem Tech)和1.0％重量比的硅石(Syloid 74，Grace)，进行与实施例1中所述相同的过程，制得初始粘度为94KU，固体含量为58％重量比的天然无机涂料组合物。
对照实施例2用18.0％重量比的白色颜料(TiO2R-902，Dupont)，24.0％重量比的碳酸钙(Omyacarb 5，Omya)及5.5％重量比的滑石(Talc SA-400，Young WooChem Tech)代替10.0％重量比的白色颜料(TiO2 R-706，Dupont)，25.0％重量比的碳酸钙(Omyacarb 5，Omya)及8％重量比的滑石(Talc SA-400，Young Woo Chem Tech)，进行与实施例1中所述相同的过程，制得初始粘度为92KU，固体含量为58％重量比的天然无机涂料组合物。
实验1使用刷子或辊轮将本发明实施例1、2和3及对比实施例1和2中制备的组合物涂覆在混凝土样品上，形成干膜厚度约100μm的涂层，然后干燥7天。使用KSM 5000方法对上述干燥涂层进行特性测试。检测了干燥特性、作业效率、耐水性、在50℃的储存稳定性及加速耐候性，同时检测了相对抗粉化性和涂层的相对强度。结果如表1所示。
天然无机涂料组合物的测试结果
根据本发明，天然无机涂料组合物是通过将硅酸钾树脂和适当用量的辅助树脂、着色颜料、填充剂、润湿分散剂、稳定剂和其它添加剂混合制备的。因此，制得的硅酸钾树脂与常规的硅酸钾树脂相比具有更好的储存稳定性和改善的涂层强度及加速的耐候性。
此外，包括上述树脂的涂料组合物表现出良好的作业效率、耐水性、在50℃的储存稳定性、粉化特性、涂层强度及粘度增加比例。由其形成的涂层的外观和干燥特性也很优良。
另外，关于工作地点的环境卫生、有机溶剂的异味、易发生火灾等等问题也得到改善。
虽然本发明是参照所附的实施方案具体描述的，但可以在不脱离本发明的基本精神和范围的条件下做出各种修改、结构变化及同等变换。
权利要求
1.一种天然无机涂料组合物，包括约12-32％重量比的硅酸钾树脂；约5-30％重量比的辅助树脂；约30-50％重量比的包括白色颜料和填充剂的颜料混合物；约0.3-5.0％重量比的添加剂，其包括润湿分散剂、稳定剂、增稠剂；及约10-30％重量比的水。
2.如权利要求1所述的天然无机涂料组合物，其中所述的硅酸钾树脂包括分子比例约为2.6到4.0的二氧化硅和氧化钾，且所述树脂的固体含量约为20-32％重量比。
3.如权利要求1所述的天然无机涂料组合物，其中所述的辅助树脂包括至少一种以下物质固体含量约为48-52％重量比、乳状液平均颗粒尺寸约为150nm、且最低成膜温度约为1-5℃的丙烯酸丁酯/苯乙烯共聚物；固体含量约为48-52％重量比、乳状液平均颗粒尺寸约为100nm、且最低成膜温度约为15-25℃的丙烯酸丁酯/苯乙烯共聚物；及其混合物。
4.如权利要求1所述的天然无机涂料组合物，其中所述填充剂为至少一种选自碳酸钙、滑石、硅酸铝、云母、硫酸钡、硅酸镁和石英/云母/氯化物三组分无机颜料的物质。
5.如权利要求1所述的天然无机涂料组合物，其中所述的添加剂包括至少一种以下物质粘度稳定剂、消泡剂和pH调节试剂。
6.一种制备天然无机涂料组合物的方法，包括将约10-30％重量比的水与约0.3-5.0％重量比的添加剂混合制备第一混合物；将约30-50％重量比的白色颜料及填充剂剂加入所述的第一混合物中制备第二混合物；依次将约5-30％重量比的辅助树脂、约12-32％重量比的硅酸钾树脂和稳定剂混入所述第二混合物中制备天然无机涂料组合物。
7.如权利要求6所述的制备天然无机涂料组合物的方法，其中所述的添加剂包括至少两种选自润湿分散剂、粘度增强剂、粘度稳定剂、消泡剂的物质。
8.如权利要求6所述的制备天然无机涂料组合物的方法，其中所述的硅酸钾树脂包括摩尔比为约2.6-约4.0的二氧化硅和氧化钾，且所述树脂的固体含量约为20-32％重量比。
9.如权利要求6所述的制备天然无机涂料组合物的方法，其中所述辅助树脂包括至少一种以下物质固体含量约为48-52％重量比、乳状液平均颗粒尺寸约为150nm、且最低成膜温度约为2-4℃的丙烯酸丁酯/苯乙烯共聚物；固体含量约为48-52％重量比、乳状液平均颗粒尺寸约为100nm、且最低成膜温度约为18-22℃的丙烯酸丁酯/苯乙烯共聚物；及其混合物。
全文摘要
本发明公开一种具有良好涂层强度和耐候性的天然无机涂料组合物及其制备方法。该天然无机涂料组合物包括约12－32％重量比的硅酸钾树脂、约5－30％重量比的辅助树脂、约30－50％重量比的包括白色颜料和填充剂的颜料混合物、约0.3－5.0％重量比的添加剂(包括润湿分散剂、稳定剂、增稠剂)和约10－30％重量比的水。该无机涂料组合物可用于建筑物的室内或外表面，且具有良好的干燥性能、作业效率和耐水性。
文档编号C09D1/04GK1637081SQ200410104060
公开日2005年7月13日 申请日期2004年12月30日 优先权日2003年12月30日
发明者金泰均, 李翊洙, 李元中 申请人:Dpi株式会社