几种非金属矿物在建筑涂料改性中的应用

    摘要：介绍了几种非金属矿--膨润土、硅藻土、高岭土以及累托石的基本性能及其在建筑涂料中的应用。

    关键词：非金属矿物；建筑涂料；膨润土；硅藻土；高岭土；累托石

    1 引言

    建筑涂料作为建筑物的装饰、保护材料涂刷在建 筑物表面，要求有一定的细度、附着力、遮盖力、耐沾污 性、耐洗刷性、耐老化性、耐热性、流平性、较短的干燥 时间、适宜的最低成膜温度等。当以常规的配方制备的建筑涂料达不到要求的性能时，就要求对其进行改 性。由于非金属矿物具有其他矿物材料所不具备的多种特性，如可塑性、黏性、高强度和化学稳定性等，因而人们在制备建筑涂料时，常加入各种非金属矿物材料， 用于改善或增强涂料某方面的性能，同时还可以降低 涂料的成本。

    在建筑涂料的改性制备中，常用的几种非金属矿物有膨润土、硅藻土、高岭土及累托石等。膨润土是以蒙脱石为主要成分，并与众多矿物如高岭石、水铝英石 和绿泥石等伴生的一种非常重要的黏土矿物；硅藻土是一种水合 Mg 、 Al 、 si 的黏土矿，主要成分为高岭 石、水云母、蒙脱石和少量的石英、长石及有机物质 ；高岭土是以高岭石为主体，由多种黏土矿物组成的含水铝硅酸盐混合体；累托石是一种由类云母单元层和 蒙脱石单元层在特殊自然条件下构成有序混层结构的 稀有黏土矿物。

    2 非金属矿在建筑涂料改性中的应用

    2.1 改善涂料的分散性、稳定性

    膨润土系层状硅酸盐矿物，具有优良的亲水性，与 适量的水结合成胶体状，在水中能释放出带电微粒，这种微粒的电斥性使之在涂料中具有良好的分散、悬浮、 稳定等特性，因此常用于涂料中作分散剂。

    以膨润土、水玻璃和水等为原料制备水性内墙涂料。试验表明，在水性内墙涂料中加入适量的膨润土制备出的涂料比一般涂料分散更均匀 ( 不易沉淀 ) ，更耐水，涂膜更平整、光滑、均匀，保色性、耐候性更好。蒙脱石矿物晶体构造属 2 ：1 型层状硅酸盐， 构造单元层是由两片 (Si — Al) -O 四面体和中间一片 [Al(Mg ， Fe)— (O ， OH)] 八面体组成，结构单元层中存 在着阳离子异价类质同象置换，使得蒙脱石晶胞像一个带电的“大阴离子”，具有吸附阳离子的能力，但是阴 阳离子问的束缚力较弱，这些阳离子可以交换。正因如此，蒙脱石可与涂料成膜物中的有机分子中的极性基团生成“蒙脱石一有机分子”复合物，这种复合物一旦生成后不可逆转，失水后成为疏水性物质，因而增加了涂膜的耐水性。

    以聚乙烯醇 (PVA) 、轻质碳酸钙、滑石 粉、膨润土、适量助剂为原料制成了涂料。试验结果表明，加了膨润土的涂料和未加膨润土的涂料相比，耐水性由 1 d 变为 7 d ，涂膜由掉粉变成了不掉粉。高岭土作为涂料的添加剂，能改善涂料体系的贮存稳定性、涂刷性；改善涂层的抗吸潮性、抗冲击性等机械性能；改善颜料的抗浮色和发花性 。

    用水洗高岭土、钛白粉、碳酸钙、成膜助剂等多次制备建筑涂料。试验发现，使用高岭土制得的涂料在长时间贮存后，其表面未发现其他乳胶涂料常见的分水现象。

试验还测得，含有 15%高岭土的乳胶涂料的触变指数为 3 .8 ，而用等量的碳酸钙取代高岭土后制得的乳胶涂料的触变指数为 2.5 ，这说明含有高岭土的涂料具有良好的触变性、贮存稳定性。这样在施工时就不会流挂，并具有良好的流平性。采用高岭土作添加剂，有助于满足对涂料提出的日益严格的性能和耐久性方面的要求。当制备低 VOC 、高固体分涂料而要求更薄和无疵平滑、光亮的涂膜时，尤其需要高岭土作添加剂。

    由于累托石黏土颗粒极细，其铝硅酸盐矿物结构中 si-O 四面体与 Al-O 八面体片中的羟基或氧原子和有机硅树脂中的烷氧基或环氧树脂中的羟基及环氧基形成氢键，形成交织网状结构，使得累托石矿物与涂料中有机物彼此联结，使体系的黏度和稠度增加，起到防止或减缓涂料中颜填料矿物沉降的作用。

    以有机硅树脂、钛白粉等为原料，以钙基累托石取代部分填料制备有机硅树脂涂料，将制得的涂料干燥，成膜后在 200 ℃ 下烘烤 3 h 。试验表明，钙基累托石用于高温涂料，涂层附着牢固，无起泡脱落现象，且放置过程比较稳定，不沉淀结块，涂层外观质量明显改善。经钠化改型的累托石分散于水中，其电动电位增大，颗粒不易絮凝而具有良好的悬浮效果。以累托石为悬浮剂制备涂料 ] ，现场试验证实，累托石在涂料中的悬浮性和触变性好，涂料的流平性、涂刷性、防开裂性、涂层表面强度和耐高温性等指标均优于以膨润土作悬浮剂配制的涂料。

    2 ． 2 提高涂料的遮盖力

    作为白色填料，高岭土本身并没有遮盖力，但以一 定的比率加入到涂料中，则可起到增量剂的作用，提高 涂料的遮盖力。高岭土添加剂已在几乎所有类型的水性和溶剂型涂料中被用于对多种颜料的改性。有一个制造商在一种建筑用醇酸漆中以一种高亮度细粒高岭土添加剂取代了 8 %-10%的各色颜料，结果油漆 性能几乎未发生任何变化。

    美国 Engelhard 公司以一种明亮型细粒高岭土产品取代了 17%的酚菁绿颜料和 14%的钛白，所得涂层具有高反射率和颜色强度。这是因为，高岭土粒子改善了颜料粒子之间的问隔。以高岭土为基础的颜料具有不降低遮盖力、光泽、硬度、柔韧性和其他性质，还能使其性能得到改善的能力。

    从矿源选择、加工方法、配方改进等方 面入手，做了一系列试验，分别用高岭土和碳酸钙在水性涂料中代替 15%的钛白粉，最后结果显示，在很大的颜料体积浓度范围内，采用高岭土取代 15%的钛白粉，涂料体系的遮盖力基本没有改变；在相同的用量下，高岭土比碳酸钙具有更佳的遮盖力。

    2.3 制备特殊功能的涂料

    由于硅藻土多孔，因而具有吸湿和放湿的呼吸功 能以及优良的吸附性能。由合成树脂和硅藻土组成涂 料，当涂膜表面的温度低于露点时，可迅速吸收大量的湿气或结露水；而当高于露点时，能迅速释放吸收的水分，从而有效地防止墙面和天花板等处产生结露现象，起到自动空调的作用。

    日本报道利用硅藻土成功研制了几种环保建材， 一 是用经高温燃烧后的硅藻土多孔粉加热烘干，分级后制备成内墙涂料，能有效地调节室内空气的湿度；二是将一种经熔融处理的改良水泥混入硅藻土，并按 0 .3%-0 .5%的配比往混合物中添加水，把它涂抹在内墙尤其是厕所的墙面上，具有明显的除臭功效 1131 。瑞典弗伦高技术公司也利用硅藻土本身有数目为活性炭数千倍的超微细孔，研制成一种能吸收难闻气味的墙壁涂料，把硅藻土加入灰泥中，涂抹在墙上，具有吸臭作用。
除了上述作用之外，在涂料中加入硅藻土，还可控制涂料的光泽度。昆明某研究单位研制成一种硅藻土内墙涂料，其特点是墙面不反光，室内光线柔和，而 且内墙的颜色可随审湍变化而改变。

    2 ． 4 降低涂料成本

    在涂料中加入适量的改型钙基膨润土后发现涂料中基料的用量降低了 1/3- 1/2 ，从而大大降低了涂料的成本。

    在涂料中加入一定量的高岭土取代昂贵的钛白粉来提高涂料的遮盖力，这样也降低了涂料的成本。在以聚乙烯醇 (PVA) 为主要成膜物的水性涂料中，由于高岭土与聚乙烯醇的聚合作用可以增加涂膜强度，因而可以减少聚乙烯醇用量，使涂料成本降低约 400 元/t 。

    3 结论与展望

    随着房地产业的发展，全球对建筑涂料的需求量越来越大，有资料显示， 2005 年全球建筑涂料的需求 量高达 3 000 万 t 左右，与此同时，人们对建筑涂料品 质、功能性的要求也越来越高，高性能、高档次、高性价比的涂料越来越受到人们的欢迎。譬如说对环保要求的提高，需要开发出具有抗污染及治理污染物性能的建筑涂料。

    非金属矿物材料由于其在晶体结构、物理和化学性质方面的独特性质，所以在建筑涂料性能的提高方面具有较大的应用，例如在膨润土上覆盖具有反应活性的材料，使建筑涂料具有抗菌性能及去除有机污染物的性能等。

    综合上述分析可知，膨润土、硅藻土、高岭土、累托石等非金属矿物在建筑涂料中具有各自特殊的用途。随着科学技术的发展，对这几种非金属矿产资源研究的逐步深入，其用途将被不断地开发完善，其在建筑涂料改性中将有着广阔的应用前景。