第五期内容概要：
无机硅酸盐涂料用色浆体系
专栏作者｜徐凯斌
上海澳润化工有限公司
无机涂料用色浆体系
涂料主要有保护和装饰两大功能。对于建筑涂料来说通常装饰功能更加重要，而色彩是提高装饰性的最好表现形式，因此无论是内墙还是外墙涂料的色彩都非常丰富，每个建筑涂料企业为了服务好客户，促进产品销售均建立起自己完善的建筑涂料调色色浆体系。合成树脂乳胶涂料色浆体系一般由十到十六支色浆组成，常包含多种无机色浆和有机色浆。
无机硅酸盐建筑涂料作为建筑涂料的一种，无论内墙还是外墙自然也需要调配万千色彩，需要高质量、品种齐全、可覆盖尽可能多色域的色浆体系来进行调色。那么现有的普通乳胶漆调色用水性色浆能否用于无机硅酸盐涂料的调色？无机硅酸盐涂料对色浆有哪些要求？无机硅酸盐涂料用色浆与普通乳胶漆用色浆的主要区别是什么？这些都是涂料工程师在开发无机硅酸盐涂料时最先遇到的问题。
无机涂料用色浆的颜料要求
无机硅酸盐建筑涂料与普通乳胶漆一样都属于水性建筑涂料，并且目前市场上大多数无机硅酸盐涂料中也会加入一定量乳液（<5% W/W）来改善某些性能（如第二代和第三代无机硅酸盐涂料），涂装的基材、施工方法、应用环境也基本相同，因此它们使用的调色色浆也基本相同，一般都是主要由水、颜料、润湿分散剂、保湿剂、消泡剂等组成的水性无树脂色浆体系，在使用这些色浆时需要考查评估它们的着色力、色空间、耐候性、遮盖力、耐碱性、环保性、价格、与基础漆的相容性和展色性等指标，以及能否满足相关质量标准要求、期望使用年限、实际应用性能要求等。
无机硅酸盐涂料同普通乳液漆相比较，对色浆用颜料另有一些特殊要求。
颜料类型—无机颜料
说到无机硅酸盐涂料用色浆的特殊要求不得不提及一个普遍存在的误区：由于无机硅酸盐涂料在国内还是一个新产品，大家还比较陌生，缺乏足够的认识。许多人认为无机涂料的碱性比乳胶漆高，因此对色浆的耐碱性要求高；只要色浆耐碱性好，加入到无机硅酸盐涂料中能长期保持稳定，不褪色即可。
无机硅酸盐涂料的碱性强，pH值一般在11~12，最佳pH值在11.0~11.5；而一般乳胶漆的pH值在8~10，最佳pH值在8.5~9.0。这要求无机硅酸盐涂料用色浆必须有更好的耐碱性，色浆在加入到无机涂料中能长期保持稳定，不褪色。色浆在高碱性条件下保持稳定除要求润湿、分散等助剂有较好的耐碱性外，最重要的是颜料的耐碱性好。从表8德国凯伯(Heubach)公司Heucotone水性无溶剂色浆体系中25种色浆的耐碱性来看，这些颜料无论是无机还是有机的，耐碱性都达到最高5级的要求，都能满足无机硅酸盐涂料高碱性的要求。澳润化工实验室对国内市场主要乳胶漆用水性色浆在无机硅酸盐涂料里的耐碱性进行过系统评估，发现无论是无机色浆还有机色浆加入到无机硅酸盐涂料中近一年时间里，颜色均没有发生变化，也说明绝大多数乳胶漆用色浆均可以满足无机涂料高碱性要求。
表8. 常用水性建筑色浆的技术参数
从表8中最右一列可以说明这些色浆在无机硅酸盐涂料同有机硅涂料（SREP: Silicone Resin Emulsion Paint）中的适用性
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为了更好地找出硅酸盐涂料和有机硅涂料的共性，我们有必要首先对有机硅涂料有所了解。有机硅涂料（SREP: Silicone Resin Emulsion Paint）是一类在欧洲外墙广泛使用的建筑涂料，因高耐候性和防水透气性而著称。其主要原料组成如图30所示，经典参考配方见图31，基料由硅树脂乳液和普通丙烯酸乳液组成。有机硅树脂有如天然的石英主链结构一样，由硅原子与氧原子组成，只是第四个氧原子被憎水的有机基团所取代。因此，硅树脂是有机改性的石英结构，具优异的耐候性，热稳定性和憎水性，可形成三维网格结构，但这种结构硬而脆，需要提高柔韧性。而有机聚合物基料则可以满足这一要求，丙烯酸乳液赋予有机硅涂料良好的柔韧性与成膜性。实验发现硅树脂乳液和丙烯酸乳液的混合比例约为1:1时能达到最佳的性能平衡。为了保证有机硅涂料的良好透气性和耐候性，总基料量不宜过多，一般在20%左右，使涂料的PVC稍大于CPVC，约在65%左右。（注：关于SREP涂料中PVC计算一直存在争论，许多人认为SREP涂料中的有机硅树脂在漆膜中的分布是不均匀的，主要沿着漆膜空洞的内壁分布，而不是平均均匀分布整个漆膜中；同时在固化过程中有低分子醇释放出来，实际成膜物质较由有机硅树脂的固含量计算值要低，因此不能按普通涂料的方法去计算硅树脂涂料的PVC。）在这种较高PVC涂料中，基料仅在颜填料表面形成一层极薄的膜，但不能形成完全致密的包裹和封闭，颜、填料之间仍然有大量空隙没有被基料填满，所以具有很高的水蒸气透过率；但同时对涂膜表面的颜填料的保护不如高质量乳胶漆，特别是漆膜中粒径小的有机颜料在强力擦洗或持续雨水冲淋等外力作用下更容易从涂层中脱落洗出。这也是硅树脂涂料同无机硅酸盐涂料的一个重要的共同特征。
图30 硅树脂外墙涂料的主要组成
图31 硅树脂外墙涂料参考配方
很显然强碱性不是无机硅酸盐涂料和有机硅树脂涂料的共同点。因为硅树脂涂料的碱性和普通乳胶漆一样，一般pH值在8~9。因此认为耐碱性高的颜料色浆可用于无机硅酸盐涂料的观点是片面的，高耐碱性是无机硅酸盐涂料用色浆的必要条件，但不是充分条件。
无机颜料和有机颜料各有优缺点，无机颜料同有机颜料相比最突出的优点是无机颜料的耐候保色性要好得多，其原因除无机颜料化学性质稳定、耐紫外线极佳外，还有一个重要原因就是无机颜料的粒径通常比有机颜料要大得多。颜料一般粒径越大耐候性越好，保存在漆膜中越持久。在内墙表现为不脱粉掉色，良好抗干擦和湿擦能力；在外墙中表现为在雨水冲刷和老化共同作用下不易褪色发花，具有更好的保色性能。颜料在涂料中的这种现象有如台风季节的暴雨容易造成泥砂（相当如涂膜的有机颜料）流失，而大石块（相当如涂膜中的无机颜料）一般会保存下来。由于无机粘结剂固化形成空间网络骨架结构，不能形成连续致密的有机膜，因此可以把无机树脂固化后的结构想象为网兜，而不是塑料袋，石块、鸡蛋等稍大的物体可以安全地装进网兜，但砂子、米粒等小颗粒装进网兜则会很容易漏出来，而应改用塑料袋来装。
碳黑是一种很特别的颜料，常温下稳定性非常好，因此古代字画可保存千年至今。碳黑色浆也是建筑涂料最常用的一种色浆，用于外墙涂料有很好的耐候性，同时也是很好的紫外线吸剂。许多颜色里都需要或多或少加一点黑色色浆，特别是各种不同深浅、不同色相的灰色。从碳黑的耐候性来说这些灰色应该保色性非常好，但实际上由碳黑调配的灰色乳胶漆因为褪色，甚至短期褪色的质量投诉并不少。究其原因是因为碳黑虽然稳定性、耐候性好，但因粒径小，容易被雨水冲洗掉而褪色，这种问题在PVC较高的乳胶漆中、低温高湿环境下施工以及华南地区、华东地区的梅雨季和台风季更容易出现。
图32为朗盛化学对无机颜料和有机颜料（含碳黑）在硅酸盐水泥砖块中户外25年耐候性实验的对比结果，从图中可以看出，无机颜料钴蓝和氧化铁黑在经过25年老化后颜色基本不变，但酞菁蓝和碳黑则都严重变浅。这些颜料在无机硅酸盐涂料中的表现同硅酸盐砖块（相当于纯硅酸盐无机涂料或无机装饰砂浆）中非常相似，耐候性遵循相同规律。图33为瓦克化学在高分子有机物含量较无机涂料稍高的有机硅涂料中对有机颜料和无机颜料进行4年户外暴晒耐候性比较测试的结果，无机颜料氧化铁黄、铁红、铁黑和铬绿耐候性极好，颜色几乎没有变化，但红、橙、黄、绿、蓝五种有机颜料褪色非常明显，根据经验可知，这些有机颜料在有机硅涂料中褪色较高品质乳胶漆中严重。
图32 不同颜料在无机材料（水泥砖）中耐候性对比
图33 无机颜料和有机颜料在有机硅涂料（SREP）中耐候性对比
有机颜料（包括碳黑）的平均原级粒径一般为10~100nm，参见表9中最右一列。无机颜料的平均原级粒径为100~1000nm，无论是最常用钛白（一般在250~300nm）、氧化铁系列颜料（铁黄参见图34）还是其它无机颜料（参见表10）。
表9 常见有机颜料应用指南和物理性能
图34 氧化铁黄粒径尺寸
表10 几种无机颜料应用指南和技术参数 （摘自HeuBach产品资料）
不仅无机硅酸盐涂料和硅树脂涂料体系中需要使用无机颜料色浆，其它颜料体积浓度（PVC）在临界颜料体积浓度（CPVC）附近的较高PVC建筑涂料、超高耐候性要求的氟碳涂料、彩瓦涂料等最好也需要使用无机颜料色浆，慎用有机颜料色浆来调色。即使是耐光性、耐碱性极佳，常温下非常稳定但粒径极小的碳黑色浆，特别是我国南方多雨地区以及高湿低温环境条件下施工时也极易出现褪色发花现象。据说某外企的外墙涂料鲜艳的黄色原来是用高耐候性的有机色浆来调色，但在一次工程中因大面积褪色而产生巨额赔款后为了安全起见不再使用有机黄色浆，而全部使PY184钒酸铋黄颜料浆来调色。笔者也帮助涂料客户处理过在无机硅酸盐内墙涂料因为使用碳黑调色而出现干擦严重掉色的质量投诉，改用铁黑色浆后则消除了掉色问题。
此外，无机硅酸盐涂料中若用有机颜料色浆调色还会产生其它一些问题。满足JG/T26标准对于高分子有机物限量的要求无机硅酸盐基础漆，若用有色机颜料色浆来调色，由于这些有机颜料在检测时会当作高分子有机物而导致最终色漆不能满足标准的要求。
从工程设计对涂料耐候性的期望来说，无机外墙涂料的耐候性应达二十年以上，但即使是高耐候性的有机颜料在高质量外墙涂料中的使命一般认为只能达到5～８年，这显然远不能满足无机硅酸盐涂料的实际需求。无机硅酸盐涂料区别与普通乳胶漆的最主要特点之一是其超强耐候好，显然，能同无机硅酸盐树脂的使用寿命相匹配的只有无机颜料。
从以上分析可知，无机硅酸盐涂料用色浆同普通乳胶漆调色用色浆最大的区别是无机硅酸盐涂料用色浆体系只能选用无机颜料，而不可使用有机颜料。
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颜料的其它要求
采用无机颜料生产的无机涂料用色浆因颜料的高耐候、大粒径等基本特性，可保证无机涂料的色彩同无机树脂一样具有持久的耐候保色性能和耐擦洗性，同时有机物含量不会超过标准要求。
无机涂料用色浆采用的无机颜料还应符合以下一些性能要求：
1. 高耐碱性：无机颜料应具有极佳的耐碱性，在无机涂料的强碱性条件下长期贮存不褪色；虽然大多数无机颜料有很好的耐碱性，但也有些无机颜料的耐碱性也不佳，如铁蓝遇碱反应变成棕色；
2. 无重金属：许多含铅、铬、钼的黄色和橙红色无机颜料等属于重金属无机颜料，不可用于无机涂料用色浆的颜料，但氧化铬绿中的铬为Ⅲ价铬，安全无害，并不属于相关有毒有害物质标准或环境标志产品技术要求中的受控物质，可以安全使用；
3. 展色性好：良好的展色性是色浆调色的基本要求，但氧化铁黑色浆可能是颜料特殊结构（磁性氧化铁Fe3O4）的缘故，其在普通乳胶漆里相容性也很差，极易出现指研处颜料变深的现象，也可以理解为铁黑发生絮凝。因此对氧化铁黑色浆的分散剂的分散稳定能力提出很高要求，且在强碱性保持长期稳定，同时要求无机涂料中的颜填料达到理想的分散效果。
无机涂料用色浆体系的组成
性能优异、原材易得、价格便宜、环保无毒的无机颜料是氧化铁系列颜料，包括氧化铁红（黄相和蓝相）、氧化铁黄和氧化铁黑以及由这些颜料复合出不同色相的氧化铁棕等颜料，这同普通乳胶漆用色浆体系相同。只是通常乳胶漆用色浆体系中的无机氧化铁色浆最常用是氧化铁红和铁黄，氧化铁黑并不常用，而常用碳黑来替代氧化铁黑。原因之一是碳黑的着色力比黑色铁强得多，碳黑色浆的调色成本更低；还有一个原因是碳黑色浆在乳胶漆中的展色性更佳，相容性更容易调整；而氧化铁黑色浆的展色性大多数较差，相容性调整不易。
由于氧化铁系无机颜料的颜色较暗，且色域不全，局限性大，无法满足无机硅酸盐建筑涂料对色彩的需要，因此还要增加不同色域、颜色更加鲜艳的更多无机颜料。黄色一般可增加PY184钒酸铋黄和PY53镍钛黄，绿色可以增加PG17氧化铬绿和PG50钴绿，蓝色有PB28钴蓝和PB29群青。鲜艳的橙红色无机颜料一般是重金属颜料，且耐碱性差，因此无机硅酸盐涂料在红色色域缺少无机颜料，选择较少。现一般采用二种方法来补充：一是增加一种黄相铁红，这种铁红比蓝相铁红明度高不少；二是明度高的无机颜料钛铬黄PBr24同高耐候、粒径相对较大的有机大红PR254复配出较鲜艳的复合钛红。
图四为原欧洲最大色浆公司CPSCOLOR(现已被Chromaflo收购)无机硅酸盐涂料用基础无机色浆体系,由七支色浆组成,除普通色浆体系中常有的钛白和氧化铁系列（铁红、铁黄和铁黑）外，还增加了三支无机色浆：氧化铬绿、钒酸铋黄和钴蓝。
图35 硅酸盐涂料色浆体系(原CPSCOLOR)
氧化铬绿化学组成为三氧化二铬，颜料指数PG17，暗绿色，耐酸、耐碱、耐高温和耐候性优异，红外反射性能接近天然叶绿素，安全无毒，价格适中，广泛应用于搪瓷和涂料的着色。需要特别说明的是虽然铬是重金属元素，但国内外相关法律法规中对重金属铬的限量均是对六价的铬，而不是三价铬，氧化络绿中的铬是三价的，水溶性极低，对环境和生物都是安全无毒的。
钒酸铋黄，颜料指数为PY184，为鲜艳高明度黄色（鲜艳度接近高性能有机颜料），耐候性好，耐酸耐碱，安全环保无毒（用来代替重金属黄颜料镉黄和铬黄），是一种高性能高环保鲜艳黄色无机颜料，但价格昂贵，调色成本高。
钴蓝，颜料指数Pb28，带绿相的蓝色，极好的耐光、耐候、耐酸碱、耐化学品和耐高温性，安全环保无毒，但价格高。
图36 硅酸盐涂料色浆体系(KEIM FARBEN)
图36是世界第一个无机硅酸盐涂料发明者，也是现如今世界上产量最大、品种最全的专业无机硅酸盐涂料生产商KEIM FARBEN的基础调色色浆体系，共由十支无机色浆组成，其中仅氧化铁系就有六支（铁红-两支、铁黄、铁黑、铁棕、棕土），同原CPSCOLOR无机色浆体系相比，氧化铬绿和钴蓝相同，用镍钛黄替代了铋黄，并增加了一支带红相的蓝色浆-群青。
镍钛黄，颜料指数为PY53，具有优异的耐光、耐候、耐高温、耐化学品性，不渗色，不迁移，公认的性能稳定、环保无毒的颜料。但缺点是着色力弱，调色成本高，鲜艳性比有机颜料差得多，也远不如铋黄。
群青，颜料指数PB29,是最古老和最鲜艳的带红光的蓝色无机颜料，安全环保无害，耐碱、耐光、耐候、耐高温，但不耐酸；常用来消除白色涂料中的黄光（吊白）和外墙涂料调色，价格适中。
KEIM FARBEN无机硅酸盐色浆体系还有一些补充色浆，见图37，用于特别应用场合。这些色浆绝大部分也是无机颜料色浆，如9012为钴绿和9018为钒酸铋黄。钴绿颜料指数为PG50，较氧化铬绿鲜艳，耐候耐酸耐碱耐高温，环保无毒，但价格较氧化铬绿高得多，可以作为氧化铬绿的补充。极少数色相由于没有无机颜料可选，只有选择有机颜料，如9019大红，但该色浆不推荐应于外墙调色。
图37 无机硅酸盐涂料补充色浆体系（KEIM FARBEN)
上海澳润化工在系统全面地研究了欧洲知名色浆公司和无机涂料生产商的无机硅酸盐涂料色浆体系后，并结合中国国情推出CROSFECT无机色浆体系，见表11，共由十支色浆组成。其中氧化铁色浆四支，铁红选择蓝相和黄相两种是因为铁红价格便宜，着色力强，调色成本低，两支不同色相可以覆盖更宽的色域。没有选择铁棕和复合棕土是因为这两种颜料可以通其它氧化铁颜复配而得，没有必要增加色浆支数。绿色除选择了常见的氧化铬绿以外，还增加了更加鲜艳的钴绿；蓝色除选择了钴蓝外还增加价格低得多，更鲜艳带红相的群青；黄色保留了PY184钒酸铋黄，而放弃PY53钛镍黄是考虑到钛镍黄价格高、着色力差，颜色还不够鲜艳，更接近氧化铁黄覆盖的色域，而铋黄则鲜艳得多，可覆盖更宽色空间；由于缺少安全环保、高耐碱、高明度红色无机颜料，而红色又是国内很流行的建筑色彩，故在体系中增加了一支由无机颜料钛铬黄P.Br.24和高耐候、粒径相对较粗的DPP有机红P.R.254复合而成的大红色浆-复合钛红7200，用于内墙高明度红色、橙色域的调色。
表11 澳润化工CROSFECT®无机硅酸盐涂料用色浆主要技术指标
CROSFECT®无机硅酸盐涂料用色浆体系具有以下特点：
A. 色浆体系共有10支，基本覆盖整个色空间；
B. 所用颜料无重金属颜料，安全环保，完全符合相关法律法规要求；
C. 耐碱性优异，在无机硅酸盐涂料不会褪色；
D. 极好的耐候性，保色性强，特别适用于无机硅酸盐外墙涂料的调色，也可用于硅树脂外墙涂料以及其它高要求外墙涂料的调色；
E. 所有色浆的颜料粒径较粗，可消除无机硅酸盐涂料表面容易脱粉的弊病；
F. 同无机硅酸盐涂料相容性好，展色性佳；
G. 低价格的氧化铁系色浆占比较多，可保证大多数颜色的调色成本较低；
H. 部分色浆价格昂贵，如钴蓝、钴绿、铋黄、复合钛红等色浆，因此部分鲜艳色彩的调色成本会较高。
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