涂料流平剂的应用研究进展

涂料流平剂的应用研究进展

涂料流平剂的应用研究进展

梁博科①　蔡立彬①　崔英德②
( ①西北工业大学材料科学与工程系,西安　710072 ;②广东工业大学轻工化工学院,广州　510090)

　涂料是一种流动状态或粉末状态的有机物,能均匀覆盖在物体表面上,并且牢固地附着在物体表面,统称为涂料。涂料不仅能起防护、装饰作用,而且还具有绝缘、导电、防静电、示温、防霉、杀菌等特殊功能,涂料技术的发展反映了一个国家的工业化程度、科技的发展、人民生活水平以及国防力量等综合因素,它在国民经济发展中正发挥着愈来愈突出的作用。粉末涂料以其100 %的固体分,生产与施工中无VOC 排放,有利于环境保护,同时由于其利用率高达90 %～95 % ,涂装周期短,生产效率高等优越性能而广泛应用于家电、机械、电子、建筑、化工、航天航空、矿山冶金等各个领域。

我国自80 年代以来,已大量研究应用,现已初步形成了一个较完整的体系,但涂料不管采取何种涂装手段,经施工后,均存在溶剂蒸发、聚合物流动的成膜过程,由于溶剂蒸发、聚合物与基材的润湿程度不同往往造成漆膜出现张力梯度,从而导致漆膜出现皱纹和缩孔,一旦出现这种现象,则漆膜的装饰性及漆膜的耐水性、耐溶剂性均会下降。国内外较多地进行了缩孔形成机理的研究,研究认为:涂膜缩孔的形成与其自身的流平性关系甚大。通过大量的实践,在电子显微镜下观察,不难发现涂膜的缩孔,可以看到绝大多数的缩孔都是由很少部分未被充分润湿的颗粒与周围不相容的树脂所形成的旋涡状结构,如图1 所示。

C. Patton 先生对此现象的解释为:涂料在熔融流平,在局部地方形成了表面张力梯度,即缩孔部分为低表面张力物质,由于低表面张力物质总是呈现伸展扩展趋势,使得它从中心向四周扩散,而四周紧近相触的高表面张力部分又呈收缩趋势,在二者相互作用下,永久性缩孔就得以形成。对如何控制涂料缩孔现象也有较多的报道,集中在两个方面: (1)改进涂料的涂装技术如: 静电喷涂法、流化床涂装法、静电流化床涂装法与粉末电泳涂装法等; (2) 对粉末涂料本身进行控制,如原材料的控制,选择流平剂。两种办法对比起来,添加防缩孔的流平剂是克服这些弊病的有效方法。

流平剂是一种涂料助剂,它能促使涂料在干燥成膜过程中形成一个平整、光滑、均匀的涂膜。目前流平剂的设计应保证具有下面三个功能: (1) 降低涂料与基材之间的表面张力,使涂料与基材具有最佳的润湿性,即减小因溶剂挥发导致的张力梯度,以相溶性受限制的长链树脂为主要组成物,常用的有聚丙烯酸脂类、醋丁纤维素类, 其产品主要有[1 ] :EASTMAN 的CAB - 551 - 0. 01 和CAB - 551 -0. 2 ,其加入量一般为涂料总量的0. 1 %～0. 2 %等; (2) 能调整溶剂的挥发速度,降低粘度、提高涂料的流动性, 在溶剂型涂料中常以芳烃、酮类、酯类或多官能团的优良溶剂———高沸点溶剂混合物为主要组成,它调整了溶剂的挥发速度,使涂料在干燥过程中具有平均的挥发速度及溶解力,主要产品有:德谦公司的411 、433 、455 、466 等,加入量一般在0. 1 %～1. 0 %之间(按涂料总量计) ; (3) 在漆膜表面能形成单分子层,以提供均一的表面张力,以相容性受限制的长链硅材脂为主要组成,常用的有二苯基聚硅氧烷,甲基苯基聚硅氧烷、有机基改性硅氧烷、氟化硅氧烷等,其主要产品有BYK - 300 ,BYK - 306 ,BYK- 323 等。另外含氟表面活性剂对于广大范围的树脂及溶剂具有优良的相容性和表面活性,能有效地改善浸润性、分散性、流平性。其在热固型水溶性环氧、氨基树脂白色面涂料中有很好的应用。Hajas , J ano 等[2 ] 研究了以化学组成和分子量不同的各种聚丙烯酸为基础的不同种类的流平剂在粉末涂料中的应用技术,通过激光光波测定表征了粉末涂膜的流动性随添加剂浓度的变化。

以前,对涂料流平剂的研究基本上处在凭实践经验摸索的水平上,随着涂料流变性测量技术的发展,人们开始了对流平剂改善涂料流平性机理的研究如: st rivens[3 ] 讨论了流变添加剂控制涂料流动性,产生流变性结构的基本原理,添加剂的类型及如何测定流变性结构的方法,陈义芳[4 ]研究了热固性丙烯酸粉末涂料的流变性,作者采用国产挤出式毛细管流变仪,考察了丙烯酸树脂分子量、粘度,流平剂等因素对丙烯酸粘度的影响。石秀强、陶婉蓉等[5 ]用Inst ron321 型毛细管流变仪讨论了醋酸锌、苯甲酸衍生物及硅砂对聚丙烯酸酯熔体粘度(η) 的影响。结果表明聚丙烯酸酯熔体是非牛顿流体,其流动活化能随着剪切速率的增大而减小。加入醋酸锌后,η有明显的提高;而同时加入等摩尔的醋酸锌和苯甲酸衍生物后,η保持不变,加入硅砂后,η有明显提高。胡晓川、舒红凤、刘亚康等以威森伯格流变仪和挤出式毛细管流变仪,对影响甲基丙烯酸缩水甘油酯( GMA) 类丙烯酸粉末涂料流变性能的诸多因素,如基体树脂的分子量、流平剂用量、固化剂用量等进行了较多的研究,其中流平剂的用量对涂料的影响见图2 。

图2 　流平剂的用量对涂料的影响
目前,涂料用流平剂种类较多,我们按其使用的场合大致可分为三类,一是粉末涂料用流平剂,二是溶剂型涂料用流平剂,三是乳胶涂料流平剂。表1列出了近几年来主要报道研究的产品。

　由表1 可见,近几年来,国内外对水性涂料用流平剂进行了大量的研究。由于环保型涂料如:水性涂料、粉末涂料等的研发,带动了与其相关的流平剂的发展。
流平剂的制备工艺流程如图3 所示,主要包括溶解、聚合、过滤、相变、成品包装等5 个步骤。


　丙烯酸系流平剂的合成一般用丙烯酸丁酯与胺、烷基酯聚合,聚合引发剂一般用BPO、AIBN ,聚合温度控制在80～90 ℃,溶剂用甲苯、二甲苯、环己烷等,聚合物的相对分子量控制在4000～10000 ,分子量分布越窄,流平效果越好。目前流平剂聚合的方法有乳液聚合、离子聚合、自由基聚合等方式。流平剂自70 年代末开始研究以来,原来单一功能的涂料流平剂已经不能满足社会的要求,无毒、无污染、多功能的涂料流平剂才能满足人们的需要。同时从提高经济效益与社会效益的角度考虑,应注重原料的选择、生产技术路线的优化,改良现有产品。如吴克让等人[15 ]用酰胺改性得到多功能流平剂HT105B ,有效地解决了“相溶性”的问题。