实验方案设计
硫酸钙晶须取代部分钛白粉对内墙涂料性
能的影响研究
学 校：四川理工学院
专业班级：环境卓越131
小组人员：杨方 胥莲曾籍 易蓉蓉
指导老师：娄三钢
2015年10月20日
目录
目录 ................................................. II
1 实验目的 ............................................ 1
2 实验设计背景 ........................................ 1
3 实验原理 ............................................ 1
4 硫酸钙晶须及钛白粉的性能 ............................ 2
5 实验材料 ............................................ 3
6 实验方法 ............................................ 3
6.1耐水性 ......................................... 3
6.2防火性 ......................................... 4
7 实验数据处理 ........................................ 5
8实验结果 ............................................ 6
9 对其他性能（如白度等）的影响研究 .................... 6
9.1影响替代后钛白粉性能的因素 ...................... 6
9.2 CaSO4、TiO2 的基础技术指标对比 ................. 7
9.3硫酸钙部分替代钛白粉的其他应用 .................. 7
10 总结 ............................................... 8
1 实验目的
硫酸钙晶须取代部分钛白粉对内墙涂料使用性能中的耐水性，防
火性及其他性能（如白度等）的影响研究
2 实验设计背景
目前钛白粉的价格居高不下，而且在国内钛复合颜料的研究尚处
于起步阶段。钛白粉具有很多优势，但是其昂贵的价格让人们不得不
考虑采用其他的产品来替代钛白粉。为了节省昂贵的钛白粉，降低成
本，长期以来人们都积极地研究和开发利用高效价廉的体质颜料取代
钛白粉，研究新的产品部分替代钛白粉势在必行。由于硫酸钙具有良
好的白度以及胶凝性，故可部分替代钛白粉添加到涂料中，最大替代
量为钛白粉用量的20%。
3 实验原理
漆膜耐水性是指漆膜对水作用的抵抗能力，材料的耐水性是指材
料在长期的饱和水作用下不破坏，其强度也不显著降低的性质。饱和
水就是水渗透到材料的多少。用特征强度降低的软化系数K来表示。
软化系数K随着材料含饱和水量的增加而降低，通常K大于等于0.85
成耐水性材料，可长期处于水中或潮湿环境中使用。对于潮湿较轻或
次要结构的材料K不小于0.75.
防火涂料是指涂装在物体表面，可防止火灾发生、阻止火势蔓延
传播或隔离火源、延长基材着火时间或增加绝热性能以推迟结构破坏
时间的一类涂料。国外在19世纪70年代就有了用灰泥、石膏、硫酸
铝钒等与水调和的建筑防火涂料。对于建筑火灾，火场温度大多在
800～1 200℃，在火灾发生的10 min内，火场温度即达到700 ℃以
上，对于裸露钢材，只要几分钟就可达到钢材临界温度。“911事件”
后，钢结构的防火问题更加引起各国政府的重视。钢结构防火涂料有
厚涂型和超薄型之分，其厚度分别为8～50 mm、3～7 mm和小于3 mm，
耐火时间为0.5—2.5 h用。钢结构防火涂料常用的防火填料有云母
粉、滑石粉、石棉粉、高岭土、氧化锌、氢氧化铝、硼酸锌、偏硼酸
钡、无机晶须等。对于防火涂料来说，其含无机填料的比例要适中，
因为含量过高，会影响涂层的发泡高度，达不到隔热的目的，但少量
的填料又不可或缺，因其可使泡沫层更致密，强度更好，从而提高其
防火性能。
硫酸钙晶须有良好的耐高温性，熔点在l 450℃，耐热性测试在
1 800℃下加热2 h仅失重0．75％，不会引起高温滑移的完整性，
温度升高时，晶须不分解、不软化，其强度几乎没有损失，使得硫酸
钙晶须在防火涂料中的应用成为可能。
4 硫酸钙晶须及钛白粉的性能
硫酸钙钙晶须是以生石膏为原料经特定工艺及配方合成的硫酸
钙纤维状单晶体，硫酸钙晶须具有高强度、高模量、高韧性、高绝缘
性、耐磨耗、耐高温、耐酸碱、抗腐蚀、红外线反射性良好、易于表
面处理、易与聚合物复合、无毒等诸多优良的理化性能。
钛白粉是白色颜料中着色力最强的一种，具有优良的遮盖力和着
色牢度，适用于不透明的白色制品。金红石型特别适用于室外使用的
塑料制品，可赋予制品良好的光稳定性。锐钛型主要用于室内使用制
品，但略带蓝光，白度高、遮盖力大、着色力强且分散性较好。
5 实验材料
对耐水性：石棉水泥板，松香，石蜡，蒸馏水，用硫酸钙晶须取
代了部分钛白粉的涂料和未用硫酸钙晶须取代的涂料。
对防火性：添加硫酸钙晶须取代部分钛白粉的防火涂料（以下简
称防火涂料）、未添加硫酸钙晶须的普通涂料（以下简称普通涂料）、
烘箱1个、酒精喷灯两盏、铁架台两台、表面光滑的胶合板十块、电
子天平1台、游标卡尺一根、秒表1块、温度计1支。
6 实验方法
6.1耐水性
对两种涂料进行耐水性的对照实验（其中B为对照）
A组：
在规定尺寸的石棉水泥板上制备标准厚度的硫酸钙晶须取代了
部分钛白粉涂料做的漆膜；
恒温恒湿养护至要求 7 天时间；
用1∶1 的松香和石蜡混合物封边；
将 2/3 浸泡在蒸馏水或自来水中，浸泡标准规定的时间后，检
查硫酸钙晶须做的试板，有无失光、变色、起泡、起皱、脱落等现象，
以及干燥后的恢复时间，以此来判断涂料的耐水性；
B组：
在规定尺寸的石棉水泥板上制备标准厚度的未被取代钛白粉做
的漆膜；
恒温恒湿养护至要求7天；
用1:1的松香和石蜡混合物封边；
将 2/3 浸泡在蒸馏水或自来水中，浸泡标准规定的时间后，检
查钛白粉制作的试板，有无失光、变色、起泡、起皱、脱落等现象，
以及干燥后的恢复时间，以此来判断涂料的耐水性；
C:
将第4步和第8步结果做对比。
6.2防火性
实验准备：
①检查胶合板表面是否平整光滑，无节疤无拚缝和有无其它缺陷。 ②胶合板在涂覆防火涂料之前，应在温度25±1℃，相对湿度60％－
70 ％的条件下状态调节至恒重(间隔24h重量变化不大于0.1％）。
③按200－250g／m^2的涂覆比值（厚浆型涂料允许增至500g／
m^2 ）将要测试的防火涂料与普通涂料分别均匀地涂于两块胶合板
表面及四周，当需要分次涂覆时，两次之间应间隔24h。
④将制好的胶合板按②条规定的条件状态调节至恒重。每种防火涂料应制五个胶合板。
实验过程：
①将经过状态调节的胶合板置于50±2℃的烘箱中烘40h，取出冷至室温称重。
②将称过的胶合板分别放置在两台支撑架上，使其涂料覆面向下。 ③将酒精喷灯置于基座上，使酒精喷灯沿到胶合板受火面的最近垂直距离为25mm。
④点燃酒精喷灯，同时按下秒表计时器，使胶合板受热1小时，熄灭酒精喷灯。
⑤将燃烧过的胶合板冷却至室温，称重。
⑥重复以上实验过程五次。
7 实验数据处理
对防火性
①失重的计算：一组胶合板燃烧前后的平均重量损失即为防火涂料试样的失重。
②炭化体积的计算：用锯子将烧过的胶合板沿着火焰延烧的最大长度、最大宽度线锯成四块。量出纵向、横向切口漆膜下面基材炭化（明显变黑色）的长度、宽度，再量出最大的炭化深度，其平均炭化体积即为防火涂料试样的炭化体积
即：V(abh)/n iiii
式中：V一炭化体积，cm^3；
a一炭化长度，cm；
b一炭化宽度，cm；
h一炭化深度，cm；
n一胶合板个数；
8实验结果
耐水性：由于硫酸钙晶须在性能方面并没有高强度的耐水性而钛白粉用在涂料方面具有防止水分通过的性能。故而，在以上对比实验中B组的实验效果当远远的比A组的实验效果更好。
防火性：适量添加硫酸钙晶须取代部分钛白粉的涂料比未添加硫酸钙晶须的普通涂料在相同实验条件下无论失重还是炭化体积都少，说明适量添加硫酸钙晶须取代部分钛白粉的涂料具有较好的防火性能。
9 对其他性能（如白度等）的影响研究
9.1影响替代后钛白粉性能的因素
用增量剂来部分取代钛白粉时，必须坚持的原则是不能对材料的性能有太大的影响，如材料的不渗透性、耐磨擦性等，同时对钛白粉的性能也不能有太大的影响。
影响替代后钛白粉性能的因素主要有以下几点：遮盖力，白度，
油分散性，耐候性，替代品的粒度分布，替代品的纯度，其他影响因素。
9.2 CaSO4、TiO2 的基础技术指标对比
纯度/% ：≥98.0 ≥98.0（金红石含量）
熔点/℃：1450 1858
晶体形状：斜方晶系 四方晶系
相对密度：2.96 3.90~4.20
pH ：10.8（10%浆液） 6.0~9.0（水悬浮液）
莫氏硬度：3.0~3.5，性脆 6.0~6.5，性脆
吸油量/% ：24~26 16~48
（注释：前CaSO4,后TiO2）
9.3硫酸钙部分替代钛白粉的其他应用
由于需求不同，因此出现了许多复合TiO2 颜料。最早的复合TiO2 颜料含有25%的锐钛矿TiO2 和75%的BaSO4；1920 年左右，第二种复合TiO2 颜料产生，含30%锐钛矿型TiO2 和70%CaSO4CaSO4 有较低的密度和高容积值，所以比常用的立德粉更为经济；在20 世纪40 年代，又开发了金红石型TiO2 和CaSO4 的复合颜料，因为金红石型TiO2 具有良好的遮盖力并且更为经济，所以几乎完全替代了立德粉，成为各种室内油性树脂涂装的主要白色颜料；1952 年，含有
50%金红石型TiO2 和50%CaSO4 的另一种颜料又被引入市场，其性能一般在纯金红石型TiO2 和30%CaSO4 的复合TiO2 颜料之间，。
由于CaSO4 具有很高的白度（能达到98%，接近钛白粉）、良好的油分散性、优异的耐候性以及均匀的粒度分布等，所以人们一直在研究其在替代钛白粉领域方面的应用。
选取两种色母料，一种采用高密度聚乙烯树脂（HDPE）制备，另一种采用高抗冲聚苯乙烯树脂（HIPS）制备。颜料和树脂的比例分别为58%和42%，然后用CaSO4 部分替代钛白粉（金红石型），替代量分别为钛白粉用量的10%、15%、20%、25%。本试验中所用的有效成分CaSO4 含量大于98%，最大粒径为20 滋m，中等粒径为4 滋m，主要测试制品的不透明度和白度。
由相关测试结果可知，用高纯度硫酸钙代替钛白粉后对HDPE 和HIPS 制品的不透明度影响非常小，HDPE 和HIPS 用高纯度CaSO4代替钛白粉后对制品的白度影响非常小。
CaSO4 和TiO2 按一定比例混合，其效果要比立德粉好，并且经济适用性好，成为各种室内油性树脂涂料的主要白色颜料。
CaSO4 作为部分替代物，若粒径很小，就能均匀地分散到漆料中，则涂膜平整，光滑如镜，光泽度好；反之，粒径过大，涂膜粗糙，光泽度降低，并会带有其他底色，着色后色调发暗。
10 总结
由于硫酸钙晶须在性能方面并没有高强度的耐水性而钛白粉用
四川理工学院 正文
在涂料方面具有防止水分通过的性能。
适量添加硫酸钙晶须取代部分钛白粉的涂料比未添加硫酸钙晶须的普通涂料在相同实验条件下无论失重还是炭化体积都少，说明适量添加硫酸钙晶须取代部分钛白粉的涂料具有较好的防火性能。
CaSO4 的折射率较低，用于涂料时其不透明度和遮盖力比TiO2 和其他折射率高的颜料要低，但像TiO2等高折射率的颜料耐候性不好，且价格高。所以CaSO4可以用来部分替代TiO2 和其他高折射率的颜料，这样不仅可以改善其他颜料的不足，还可以降低成本。
9