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水性涂料用流平剂
G. Hobisch ,I. Kriessmann ,W. Staritzbichler (Solutia Austria GmbH) U. Kubillus (Solutia Chemicals(Thailand)Ltd. )
1 前 言 为了减少溶剂释放对环境的污染,水性涂料在各领域(如木器,塑料,汽车等) 的应用越来越广泛。随着水性涂料技术的不断提高,水性涂料对底材的保护和装饰作用与溶剂型涂料不相上下。对水性涂料而言,除了涂料的物理机械性能外,便于施工和涂膜无缺陷也是至关重要的。本文分析了水性涂料涂膜出现缺陷的原因和不同类型的流平剂对改善涂膜外观的效果。
2 涂膜缺陷的成因 在涂料施工过程中常出现的涂膜缺陷有桔皮、鱼眼、缩孔、缩边、贝纳德旋涡、浮色、发花等。与其相关的影响因素是表面张力、底材粗糙度、湿膜厚度、施工后涂料触变性、涂膜的湿边时间和干燥时间等。 水性涂料通常是非牛顿流体,有其特性粘度和触变性。由于在涂料施工过程中剪切力变化,涂装后涂料的触变性是影响流平性的重要因素。自干涂料在涂装后即达到最低粘度,容易流平;烤漆在烘烤阶段达到最低粘度,物理干燥过程的溶剂挥发,或化学干燥过程中的交联都会引起粘度的增大,并且这种粘度的增大会超过因温度升高而引起的粘度下降。因此,涂膜的干燥和湿边时间会极大的影响涂膜的流平性。涂膜越厚,涂膜的湿边时间越长,涂膜的表面张力越小,其表面流平性就越好。底材的粗糙度越低,涂膜的平滑度就越好。不过,通常涂膜厚度不能超过涂料的流挂膜厚。 由于底材的粗糙度、湿膜厚度、涂装后涂料的触变性和涂膜的湿边时间都由涂料体系、施工方式和固化条件而定,因此,只有表面张力这一因素是可通过调整配方来改变的。为此,应仔细研究表面张力及其相关现象。
3 表面张力及其相关现象 液相中的每个分子都受到周边分子(包括溶剂分子) 的吸引力,这些吸引力均匀地分布在各个方向,而不存在某个方向的力。如果一个分子处于液体与空气的界面上,那末该分子将只受到来自液体内部的吸引力,因此,该分子具有较高的自由能。所有的体系都有达到最低自由能的趋向,对于均一相的液体,它的自由能是最低的。表1 列出了常用的涂料组分的表面张力。由表1 可见: 水的表面张力为73 ×10 - 5N/ cm ,是所有液体中最高的;氨基树脂、醇酸树 脂和丙烯酸树脂的表面张力在30 ×10 - 5 ～ 60 ×10 - 5N/ cm 范围内,为中等表面张力;有机溶剂的表面张力在18 ×10 - 5～30 ×10 - 5N/ cm 范围内,随化学成分的不同和极性的不同而变化。 表2 列出了各种底材的表面张力值。总体来说,涂料的表面张力必须小于或等于底材的表面张力,否则涂料无法润湿底材。玻璃的表面张力为70 ×10 - 5N/ cm ,很容易涂装;而未处理过的钢板、聚烯烃,尤其是聚四氟乙烯的表面张力非常低,涂装困难。 除了表面张力本身,表面张力的差异也会影响涂膜性能。如果低表面张力的颗粒落到高表面张力的湿膜上,就会形成表面张力梯度。如果两种表面张力不同的液体混合在一起,其中表面张力低的液体会迁移到表面上,这种趋向会造成缩孔。另外,温度、浓度、溶液挥发速度或涂料组分之间的密度不同都可形成表面张力梯度,引起涂膜表面不平整。通常,上述这些现象都可借助流平剂来解决。
4 流平剂的作用 加入流平剂会影响涂膜的外观、层间附着力和再涂性。常规的流平剂有丙烯酸共聚物、有机硅和氟碳表面活性剂三类。以甲基丙烯酸酯作为单体的均聚物和共聚物通常可作为流平剂,通过控制它们同基料树脂的不相容的程度来起到流平的作用。选择不同的单体,控制平均分子量和用不同的官能团改性都可改变流平效果。有机硅类流平剂的表面张力低,表面活性极高,这是因为有机硅可在表面上富集大量的甲基基团。新一代的有机硅流平剂常用聚醚改性、聚酯改性或烷基改性。除此之外,还可通过调节分子量和硅含量来达到调节流平剂性能的目的。氟碳类流平剂是所有流平剂中对降低表面张力最有效的,但是存在再涂时易起泡的缺点。 本文主要讨论以丙烯酸共聚物为基料的流平剂,考察水性汽车涂料体系中的中涂漆用流平剂的最优化。试验的中涂漆配方采用水性聚酯树脂与氨基树脂拼用。 颜料和填料直接分散在中和好的水性聚酯树脂基料中,调节pH 值到810～814 ,以去离子水调节粘度到0112 Pa·s。我们对4 种丙烯酸类流平剂进行了比较:A 为未改性的丙烯酸树脂;B 为含羟基丙烯酸树脂;C 为氟改性的丙烯酸树脂;D 为氟改性的含羟基丙烯酸树脂。评估流平剂对涂料的流平性和防缩孔的影响。考察了流平剂的分子量、极性(以羟基含量体现) 、氟改性、固化温度及流平剂用量(012 %、014 %、016 % ,以涂料总量计) 对涂膜性能的影响。评估的方法是: 将中涂漆涂布在玻璃板上,室温闪干10 min ,然后于150 ℃烘烤20 min ,最后于190 ℃下过烘烤20 min (过烘烤条件是对金属底漆而言) 。通过考察涂膜的光泽和缺陷评估流平剂的效果。测试结果以0～5 表示,0最佳。
5 结果与讨论 测试结果分别见图1～3。纵坐标由0～5 表明涂膜的缺陷程度。每张小图表的横坐标以0～3 表示三个不同的羟基含量。从左到右四栏分别表示不同的氟含量,最左的一栏为0 氟含量,最右一栏为最高氟含量。每张图表中的每一行表示某个特定分子量,最上一行为低分子量,大约3 000～5 000 ,中间一行为中等分子量,约15 000～20 000 ,最下一行为高分子量,约50 000～100 000。
A 类流平剂是未任何改性的低分子量的聚合物,它的流平作用和防鱼眼作用较差。在较高温烘烤时有明显的迁移,导致涂膜表面出现发粘和浮油的现象。当流平剂的分子量增大时,流平效果明显改善,迁移也得到有效抑制。高分子量的流平剂具有高亲油性,其用量过高时,引起光泽下降,鱼眼增多。这是由于流平剂同基料树脂的不相容性造成的。A 类流平剂会降低耐石击性,尤其是其用量较大和过烘烤的状态下这方面的影响更明显。B 类流平剂改善了聚合物的极性。当极性较低时,流平性很好。羟基含量高的流平剂几乎无流平性,这是由于分子内和分子间力超过其他合力,使得流平剂无法移动到涂膜的表面。如果增大高极性流平剂的分子量,则会造成涂膜失光。 B 类流平剂的分子量从中到高时,对再涂附着力有很大影响。低分子量的B 类流平剂在高用量和过烘烤的情况下轻微影响涂膜的耐石击性。 C 类流平剂的流平性极好,但是迁移程度高。如其用量大并在高温下烘烤,涂膜有发粘的现象。氟改性流平剂非常高效,只需加入少量即可有明显效果。但这类助剂的层间附着力较差,耐石击性和划格法附着力差,不适用于多层涂料。 D 类流平剂比无氟改性的流平剂高效得多。它只有在低可交联极性基团、高氟含量,并且在高温下烘烤才会发生迁移。在广泛的分子量范围和宽极性基团含量的范围内,该类流平剂的效果都极好。只有在高分子量,高氟含量并低羟基含量时才会造成涂膜失光。就再涂性而言,只有当氟含量高、羟基含量低时才有影响。
6 结 语 流平剂的分子量对涂膜流平性和再涂性的影响是相同的。羟基含量增加会改善涂膜的附着力,但对流平性有负面影响。氟含量增加可改善涂膜流平性,但会降低附着力。适宜的氟含量和羟基含量的结合,可达到优异的流平性的同时也不降低涂膜的附着力。 |
