涂料 | 涂料中礦物填料應(yīng)用特性總結(jié)

1、概述

涂料是一種呈現(xiàn)流動(dòng)狀態(tài)或可液化之固體粉末狀態(tài)或厚漿狀態(tài)的，能均勻涂覆并且能牢固地附著在被涂物體表面，并對(duì)被涂物體起到裝飾作用、保護(hù)作用及特殊作用，或幾種作用兼而有之的成膜物質(zhì)。

涂料產(chǎn)品除油漆之外，還包括了利用各種合成樹(shù)脂、乳液等為主要原料生產(chǎn)的溶劑型涂料、乳膠型涂料、水溶性涂料、粉末狀涂料等。

涂料中的無(wú)機(jī)填料又稱(chēng)體質(zhì)顏料，有時(shí)也稱(chēng)顏料增量劑，可分為非功能性填料和功能性填料。前者主要起增量作用，以降低涂料的原材料成本；后者除具有增量作用外，還具有改進(jìn)涂料或涂膜的某些性能的功能，如控制流變性、改進(jìn)附著力、控制光澤、提高遮蓋力、防止腐蝕和優(yōu)化顏料積濃度等。

涂料是無(wú)機(jī)填料的主要用戶(hù)之一，目前世界上涂料產(chǎn)量約2300萬(wàn)噸/年，共消費(fèi)填料約600萬(wàn)噸/年。我國(guó)已成為世界上的涂料生產(chǎn)大國(guó)之一，目前生產(chǎn)的涂料約300萬(wàn)噸/年，大約消耗無(wú)機(jī)填料80萬(wàn)～100萬(wàn)噸/年。

2、填料在涂料中的功能和要求

涂料中的填料（體質(zhì)顏料），通常是白色或稍帶顏色的，折射率小于1.7的一類(lèi)顏料。它具有涂料用顏料的基本物理和化學(xué)性能，但由于折射率與成膜物質(zhì)相近，因而在涂料中是透明的，不具有著色顏料的著色力和遮蓋能力，是涂料中不可缺少的一種顏料。由于填料絕大多數(shù)來(lái)自天然礦石加工產(chǎn)品，其化學(xué)穩(wěn)定、耐磨、耐水等特性好，且價(jià)格低廉，在涂料中起骨架作用。通過(guò)填充增加涂膜的厚度，改善涂膜力學(xué)性能，并能起耐久、防腐蝕、隔熱、消光等作用。另一方面把它作為降低涂料制造成本的一種途徑，利用其價(jià)廉、價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于彩顏料，在滿(mǎn)足漆膜遮蓋力的前提下，適當(dāng)添加體質(zhì)顏料來(lái)補(bǔ)充彩色顏料在漆中應(yīng)有的體積。

涂料中使用填料，降低成本不是唯一作用。填料所起的主要作用與功能是：

1）在涂料中起骨架、填充作用，增加漆膜厚度，使漆膜豐滿(mǎn)堅(jiān)實(shí)；

2）調(diào)節(jié)涂料的流變性能，如增稠、防沉淀等；

3）改善漆膜的機(jī)械強(qiáng)度，如提高耐磨性和耐久性；

4）調(diào)節(jié)涂料的光學(xué)性能，改變涂膜的外觀(guān)，如消光等；

5）成膜物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使之成一個(gè)整體，使涂膜能有效地阻擋光線(xiàn)的穿透，提高其耐水性和耐候性，延長(zhǎng)涂膜的使用壽命；

6）作為涂料中的填充劑，減少樹(shù)脂用量，降低生產(chǎn)成本；

7）對(duì)涂膜的化學(xué)性能起輔助作用，如增強(qiáng)防銹、抗?jié)瘛?a href=http://www.cdysjx.com/ target='_blank'>阻燃性等。

8）不同的涂料品種和等級(jí)對(duì)填料的技術(shù)要求是不一樣的，但對(duì)涂料用填料的一般要求如下。

9）白度應(yīng)高，特別是在對(duì)涂膜顏色要求很高的涂料中，白度一般要求在90%以上。

10）易分散，這不僅有利于降低涂料生產(chǎn)時(shí)研磨分散的能耗和時(shí)間，更重要的是有利于涂料性能的發(fā)揮，因?yàn)樘盍虾皖伭系姆稚⒑脡?，?duì)涂膜性能（光澤、顏色、耐久性等）有直接的影響。

11）要有較低的吸油性，吸油值低才能提高涂料的臨界顏料體積濃度（CPVC）,節(jié)約樹(shù)脂基料，才能適應(yīng)符合環(huán)保要求的現(xiàn)代高固體分涂料的要求，才能制備出含量更高的預(yù)分散填料漿，才能與吸油值日趨降低的顏料（特別是鈦白粉）相配套。涂料常用非金屬礦物填料的吸油值 如表1.1所示

12）應(yīng)當(dāng)有確定的粒度和窄的粒度分布，篩余物應(yīng)盡可能低，現(xiàn)在涂料要求填料在許多應(yīng)用領(lǐng)域里具有微細(xì)化甚至超細(xì)化的粒徑，這樣才能發(fā)揮它在涂料中的空間位隔作用，使涂膜中的顏料粒子均勻分布，從而大限度地發(fā)揮顏料的遮蓋（如鈦白粉）、著色（如彩色顏料）和防銹（如防銹顏料）等潛力，起到部分替代顏料的作用。 

13）能使涂料具有良好的流變性（流動(dòng)性、流平性、懸浮性、增稠性等），使涂料在儲(chǔ)存時(shí)不沉淀，便于施工成膜，形成光滑平整的涂膜。

14）應(yīng)與涂料中的基料、顏料和其他添加劑有良好的相容性但同時(shí)也應(yīng)有一定的惰性，不與上述成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

15）具有適宜的比表面積，因?yàn)樗绊懼苛系酿ざ?、流變性、分散穩(wěn)定性、沉降性和吸油量等。

16）具有確定的粒子形狀和晶體形態(tài)，使涂料具有確定的折射率等光學(xué)性能和保證填料在涂料中應(yīng)有的功能。

3、涂料中常用的填料類(lèi)型

涂料中常用的填料有碳酸鈣（重鈣、輕鈣）、重晶石粉（硫酸鋇）、滑石粉、高嶺土（瓷土地）、多孔粉石英（二氧化硅）、白碳黑、沉淀硫酸鋇、云母粉、硅灰石、膨潤(rùn)土等。

1）碳酸鈣

碳酸鈣是涂料用主要的填料（體質(zhì)顏料）

涂料用碳酸鈣的分類(lèi)

按特性分類(lèi)  涂料用碳酸鈣按特性主要分輕質(zhì)碳酸鈣和重質(zhì)碳酸鈣。輕質(zhì)碳酸鈣和重質(zhì)碳酸鈣。輕質(zhì)碳酸鈣（沉淀碳酸鈣）分普通沉淀碳酸鈣、微細(xì)碳酸鈣、超細(xì)碳酸鈣、活性碳酸鈣；重質(zhì)碳酸鈣（天然產(chǎn)品）分重質(zhì)碳酸鈣、重質(zhì)微細(xì)碳酸鈣、重質(zhì)活性碳酸鈣。

按結(jié)晶形態(tài)分類(lèi)  沉淀碳酸鈣改變工藝、控制結(jié)晶，可以得到立方晶系、針狀結(jié)晶、紡錘形結(jié)晶、鏈狀結(jié)晶等微細(xì)碳酸鈣晶體。

按晶體顆粒大小分類(lèi)  沉淀碳酸鈣按晶體大小可以分為：微粒碳酸鈣（平均粒徑44～60um）；中粒碳酸鈣（平均粒徑15～44um）；微細(xì)碳酸鈣（平均粒徑1～15um）；超細(xì)碳酸鈣（0.1～1um）；超微碳酸鈣（<0.1um）。

重質(zhì)碳酸鈣產(chǎn)品按粉末細(xì)度粒級(jí)分為單飛粉（細(xì)度粒級(jí)200目）、雙飛粉（細(xì)度粒級(jí)325目）和四飛粉（細(xì)度粒級(jí)400目）；超細(xì)碳酸鈣（細(xì)度粒級(jí)1250目）。

碳酸鈣在涂料中的應(yīng)用

碳酸鈣是涂料生產(chǎn)中重要的填充劑。碳酸鈣在漆膜中起骨架和底材（鋼板、木質(zhì)）的填平作用，增強(qiáng)漆膜沉積性和滲透性。尤其用于金屬防銹底漆中，它與金屬表面形成氫鍵，增加其漆膜附著力，并可吸收氫離子以阻止金屬形成微電池的腐蝕傾向。另外，碳酸鈣的面朝候性好，具有耐磨損、低電解液含量、PH值穩(wěn)定效應(yīng)、可提高耐腐蝕性能和涂料的流變性等。粗級(jí)別碳酸鈣限用于膩?zhàn)?、填孔化合物、金屬的底漆及其他產(chǎn)物，它們需要高顏料量、流動(dòng)性及粗的表面；中等粒級(jí)的碳酸鈣用在建筑涂料及室內(nèi)無(wú)光或半光漆上；細(xì)粒級(jí)的碳酸鈣主要是沉淀碳酸鈣，用于印刷油墨。

重鈣可用于各種內(nèi)用、外用涂料中，適宜在水性涂料中應(yīng)用，由于耐酸性差，妨礙了它在外用涂料中的應(yīng)用。在一般涂料中，重鈣的加入量為10%～35%，在各種浮雕化涂料中含量高達(dá)50%。

涂料工業(yè)采用重鈣除用于增量外，主要用于部分取代鈦白粉（一般為10%～20%，量大時(shí)為30%）和彩色顏料，取代輕鈣和沉淀硫酸鋇，防腐蝕以及部分取代防銹顏料。

重鈣用于室內(nèi)建筑漆時(shí)，可單獨(dú)使用或滑石粉并用。與滑石粉相比，碳酸鈣可降低粉化速率，改善淺色漆的保色性和增加抗霉菌性。

和重鈣相比，輕鈣具有小的粒徑和窄的粒徑分布范圍、高的吸油量和亮度，輕鈣可用在需求大消光效果的地方。在半光、無(wú)光油漆和無(wú)光乳膠漆中較普遍將輕鈣和重鈣混合使用。

2）滑石粉

滑石粉是溶劑型涂料中一種通用型填料，由于更細(xì)粒級(jí)別的滑石粉問(wèn)世，使它進(jìn)入了水性系統(tǒng)。目前在各種底漆、中間涂料、路標(biāo)漆、工業(yè)涂料以及內(nèi)外用建筑涂料中應(yīng)用。由于滑石粉質(zhì)地柔軟和磨蝕性低，有良好的懸浮性和分散性，因而在我國(guó)涂料工業(yè)消費(fèi)滑石粉填料的比重較大。

片狀結(jié)構(gòu)的滑石粉具有優(yōu)良的涂刷性、涂膜的流動(dòng)性和平滑性、耐水性及磁漆珠不滲入性，主要用于底漆和中間涂料。纖維狀滑石粉吸油量更高些，并且具有良好的流變性，可改善涂料的諸多性能，如防儲(chǔ)存時(shí)沉降和涂刷時(shí)流掛、改進(jìn)施工性能等。

涂料工業(yè)用滑石粉有許多級(jí)別的產(chǎn)品，如普通粒度的滑石粉（-325目）、微細(xì)級(jí)（-20um和-10um）滑石粉、超細(xì)微級(jí)滑石粉（-5um）、化學(xué)預(yù)處理的滑石粉等，分別適用于各種特定的用途和目的。

較粗粒級(jí)的滑石粉用于某些需要粗糙的漆膜中，如內(nèi)墻底漆中間層和斑紋漆；超細(xì)級(jí)滑石粉用在控制半光磁漆的光澤、稠度和流掛；微細(xì)級(jí)和超微細(xì)級(jí)滑石粉除了能改進(jìn)涂膜性能外，還具有空間位隔能力，可部分取代TiO2等顏料；化學(xué)預(yù)處理的滑石粉也可取代TiO2顏料。

滑石粉的一個(gè)缺點(diǎn)是吸油量偏高，因此在需要低吸油量的場(chǎng)合，它必須與吸油量低的填料和重晶石粉配合。另外，滑石粉的耐磨性不高，在需要高耐磨性的場(chǎng)合，要加入其他的填料加以彌補(bǔ)。含有其他非金屬礦物的滑石粉，因雜質(zhì)礦物易與酸（如酸雨）反應(yīng)，故不適合于要求高耐候性的外用涂料中。工業(yè)滑石粉因含有有色雜質(zhì)而白度下降，因而對(duì)填料明度要求很高的場(chǎng)合，一般不用滑石粉作填料?；劬哂邢庑裕仕话悴挥糜诟吖鉂赏苛现?。

3）高嶺土

高嶺土是國(guó)外涂料工業(yè)廣泛采用的填料之一。以美國(guó)用量為大，近年為30萬(wàn)噸/年左右，其中煅燒高嶺土為10萬(wàn)噸/年以上。

常見(jiàn)用于涂料的高嶺土包括超細(xì)高嶺土、煅燒高嶺土、活性高嶺土（經(jīng)表面改性處理）等。高嶺土可用于各種涂料中，但以水性建筑涂料為主，特別是內(nèi)用乳膠漆，由于高嶺土在水基性涂料中具有較好的遮蓋力，從而能部分替代鈦白粉顏料。超細(xì)高嶺土可部分替代鈦白粉，約代用鈦白粉量的10%左右，可降低漆的成本，而對(duì)漆的光澤、遮蓋力，儲(chǔ)存穩(wěn)定性影響不大。煅燒高嶺土折射率由原來(lái)1.56提高到1.62，彌補(bǔ)了原遮蓋力和白度的不足。另外煅燒高嶺土能提高涂料的不透明性和涂膜的牢固性，比未煅燒土更具有耐洗刷性和抗粉化性。煅燒高嶺土代替部分鈦白粉在公路標(biāo)線(xiàn)漆、粉末涂料、建筑外用乳膠漆等得到了一定應(yīng)用。在外墻涂料中超細(xì)高嶺土和煅燒高嶺土可代替15%～20%的鈦白粉。在溶劑稀釋漆中某些高嶺土表現(xiàn)出較差的懸浮性，但經(jīng)表面改性處理過(guò)的煅燒高嶺土可克服這些缺點(diǎn)。

4）二氧化硅

多孔粉石英（主要成份SiO2）

多孔粉石英屬于一種火山灰沉積巖。該產(chǎn)品自然粒徑細(xì)（0.5μm左右），顆粒分布均勻，比表面積大（8.3m2/g），外形結(jié)構(gòu)近似球型無(wú)棱角狀。以電子顯微鏡圖象看，其表面全是納米級(jí)的介孔，平均孔徑約為8.8nm（納米）。

多孔粉石英表面含有一定數(shù)量的羥基（-OH）-硅醇。作為極性官能團(tuán)，用于粉末涂料中有助于提高產(chǎn)品的附著力和粘結(jié)性。另一方面，由于羥基的存在，更容易通過(guò)偶聯(lián)劑表面處理，增加其交聯(lián)、補(bǔ)強(qiáng)的作用，增加產(chǎn)品的物理力學(xué)性能又可提高涂膜的拉伸強(qiáng)度。

多孔粉石英中含有Zro2，二氧化鋯性質(zhì)穩(wěn)定，硬度高，加上多孔粉石英的多孔結(jié)構(gòu)使得涂料有較好的硬度表現(xiàn)，和抗沖擊的性能。

多孔粉石英屬于二氧化硅體系一種，使用的安全性被認(rèn)可，已廣泛用于粉末涂料、建筑外墻涂料，厚質(zhì)拉毛涂料、防火涂料、防水涂料、環(huán)保涂料、防腐涂料等，廉價(jià)的多孔粉石英可以降低粉末涂料的成本，同時(shí)替代硫酸鋇以減少產(chǎn)品中可溶性鋇的含量，達(dá)到環(huán)保要求。

天然多孔粉石英在涂料中主要起增量和半補(bǔ)強(qiáng)作用，可用于各種涂料和建筑涂料，特別是底漆和中間涂料，細(xì)粒晶體SiO2在環(huán)氧和聚酚粉末涂料中可取代高達(dá)50%的TiO2。

天然多孔粉石英由于它是多孔、高孔隙率的結(jié)構(gòu)，具有各種不同的粒子形狀和結(jié)構(gòu)特征，再加有有極好的吸油量（19～25g/100g）,不規(guī)則的結(jié)構(gòu)和吸油量的結(jié)合產(chǎn)生非常好的消光效果、高的增稠能力和好的顏料懸浮性，涂料中用它作為消光劑。主要用于平光乳膠漆和清漆、底漆及某些混凝土涂料中，它還在涂料中作增加遮蓋性顏料遮蓋力的填料。

白炭黑（或稱(chēng)輕質(zhì)二氧化硅）由于比表面積大，熱穩(wěn)定性好可防止顏料沉淀，尤其在乳膠漆中使用，調(diào)整漆的有效黏度，改善漆膜流掛并起消光作用，對(duì)漆膜耐熱穩(wěn)定性好。

氣相二氧化硅是一種多功能體質(zhì)顏料，又是性能優(yōu)良的涂料流變控制劑。在液體涂料中，它的流變控制功能包括：增稠、觸變、防流掛、覆蓋邊緣；在固體粉末涂料體系中，增進(jìn)粉末的自由流動(dòng)，防止結(jié)塊和流體化。

5）硫酸鋇

用作涂料體質(zhì)顏料的硫酸鋇有天然和合成兩種，天然產(chǎn)品稱(chēng)重晶石粉，合成產(chǎn)品稱(chēng)沉淀硫酸鋇。

硫酸鋇外觀(guān)為致密的白色粉末，是惰性物質(zhì)，密度為4.5g/cm3,在體質(zhì)顏料中重，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，幾乎不溶于水、乙醇和酸，在熱硫酸中能溶，耐堿、耐光。雜質(zhì)含量少的呈玻璃光澤，解理面呈珍珠光澤。重晶石粉的吸油量極低（6g/100g）。沉淀硫酸鋇擁有優(yōu)越的顏色及細(xì)的粒子。

重晶石粉填料主要用于要求高涂膜強(qiáng)度、高填充力和高化學(xué)惰性的工業(yè)底漆和汽車(chē)中間涂料，也用于需要較高光澤的面漆中。在乳膠漆中，由于重晶石折射率高（1.637），微細(xì)重晶石粉可具有半透明性白色顏料的功能，可在涂料中取代部分鈦白粉。

6）硅灰石

硅灰石主要成分為偏硅酸鈣（CaSiO3）,具有似針狀結(jié)構(gòu)，且有好的亮度、折射率（1.62）和相對(duì)低的吸油量（20～26g/100g）。

硅灰石在涂料中可作為體質(zhì)顏料和代替部分白色顏料，起遮蓋、增量作用，降低漆的成本。使白漆保持長(zhǎng)久明亮的色調(diào)。

針狀結(jié)構(gòu)的硅灰石（長(zhǎng)徑比為10:1 ～20:1）,在涂料中可起平光劑的作用，改進(jìn)涂膜機(jī)械強(qiáng)度，有時(shí)在增強(qiáng)性涂料中代替有害的石棉。涂料中一般多用較細(xì)粒級(jí)（如325目）和微細(xì)級(jí)（10um）硅灰石粉，因?yàn)橛欣谕苛险谏w力的發(fā)揮?？捎糜谟托越ㄖ苛?、吸聲（隔聲）涂料、路標(biāo)漆、聚乙酸乙烯乳膠漆等。表面處理的硅灰石可用于工業(yè)醇酸、環(huán)氧等防腐蝕涂料中，提高金屬底漆的防腐蝕性，并部分取代活性防銹顏料。

7）云母粉

涂料中主要應(yīng)用白云母，也可少量應(yīng)用金云母。主要利用它的高徑厚比的片狀結(jié)構(gòu)、良好的耐熱性、耐候性、透明性、耐化學(xué)性、紫外屏蔽性等性能，在防腐蝕涂料、功能性涂料中作填料。在涂料配方中主要用于一些特種油性和水性涂料，其加量從工業(yè)涂料的大約20%到浮雕花紋建筑涂料大約40%不等。

濕磨云母粉的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域，是用作鈦珠光顏料的載體原料。涂料、油墨、塑料等行業(yè)都需要不同規(guī)格系列的云母鈦珠光顏料。

8）石墨

天然石墨因具有片狀結(jié)構(gòu)和良好的遮蓋率，可用于鋼結(jié)構(gòu)維護(hù)涂料中；它的良好導(dǎo)電性和黑顏色，使它可用于電子計(jì)算機(jī)電屏蔽涂料中，這種涂料可含高達(dá)75%的石墨。另一種用途是防靜電地板涂料。它可用于耐熱涂料、底漆、封閉涂料以及耐水涂料，由于耐光性好，可用于汽車(chē)油漆中，作為一種效應(yīng)顏料。

9)氫氧化鋁

在無(wú)機(jī)阻燃添加劑范疇內(nèi)，氫氧化鋁是用量大和應(yīng)用廣的，它不僅阻燃性能好，也可以防止發(fā)煙、不產(chǎn)生滴下物、不產(chǎn)生有毒氣體，因此，獲得較廣泛的應(yīng)用，使用量也在逐年增加。使用范圍：熱固性塑料、熱塑性塑料、合成橡膠、涂料及建材等行業(yè)。

氫氧化鋁作為無(wú)機(jī)阻燃劑，雖然具有優(yōu)良的阻燃效果，但是其填充量就有了一定高的標(biāo)準(zhǔn)，這么高的填充量勢(shì)必影響高聚物與無(wú)機(jī)物填料的相容性和力學(xué)性能，從而導(dǎo)致阻燃制品的性能受到嚴(yán)重影響。鑒于以上原因，越來(lái)越多的個(gè)人或者研究機(jī)構(gòu)對(duì)氫氧化鋁進(jìn)行表面改性（我們叫它活化），活性氫氧化鋁就此產(chǎn)生。活性氫氧化鋁的分子式是AL(OH)3或AL2O3·3H2O，分子量為78，白色粉末，主要含有氫氧化鋁，偶聯(lián)劑等。

采用優(yōu)質(zhì)原料經(jīng)超微氣流粉碎分級(jí)，偶聯(lián)劑表面活化后的氫氧化鋁——活性氫氧化鋁在本質(zhì)上解決了傳統(tǒng)氫氧化鋁的缺陷問(wèn)題。1.活性氫氧化鋁作為添加型無(wú)鹵素抑煙劑、阻燃劑,其特點(diǎn)是添加量大、阻燃效果好、成本低，很好地改進(jìn)了材料的抗電弧性、增強(qiáng)抗沖擊強(qiáng)度和抗彎曲強(qiáng)度。2.其表面積有所增大，增加了流動(dòng)性，粒度分布均勻，穩(wěn)定性好，不產(chǎn)生腐蝕性氣體。在樹(shù)脂中分散性好，加入量較多時(shí)，不易發(fā)生彎曲發(fā)白現(xiàn)象。使用于塑料中，不揮發(fā)，不滲出，能長(zhǎng)期保留在塑料中。與其他多種物質(zhì)有著良好的相容性。

活性氫氧化鋁的應(yīng)用范圍

活性氫氧化鋁在制品的生產(chǎn)中應(yīng)用范圍已經(jīng)得到了極大的擴(kuò)展，特別是這些年來(lái)，活性氫氧化鋁在電線(xiàn)電纜中的應(yīng)用取得了實(shí)質(zhì)性的突破，在電線(xiàn)電纜中應(yīng)用氫氧化鋁作為阻燃劑填料，更加高效的提高了電線(xiàn)電纜的電氣性能，同時(shí)也增加了電線(xiàn)電纜的阻燃能力，并且實(shí)現(xiàn)了低污染。另活性氫氧化鋁應(yīng)用于絕緣材料、阻燃膠管、膠帶、風(fēng)筒布、電器材料等方面。

注：活性氫氧化鋁要貯存于干燥通風(fēng)的庫(kù)房?jī)?nèi)，運(yùn)輸過(guò)程中要防止受潮、雨淋和包裝破損。

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