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        涂料的流動與流平

        來源: 發布時間:2017-11-09 17:38 瀏覽次數:24

        涂料的流動與流平

        一、前言

        涂膜的流平是涂料表觀性能的體現,實際上流平性好壞涉及到涂料的許多方面,例如粘度、涂料的流變性、原材料匹配性、顏料分散工藝的設計、助劑的選擇及應用技術、涂裝工藝及涂裝環境等諸方面因素??梢哉f涉及到涂料生產及涂裝的全過程,絕非單獨依靠流平劑所能控制的。

        以實際工作經驗為基礎,擬對涂料的流動與流平及其與流平劑的關系作如下介紹:流平劑在涂料的流動與流平中所發揮的作用。流平劑種類不同作用機理和發揮的效果亦不同,即使流平劑的種類相同結構不同,使用效果亦不同。所以應用流平劑時要根據涂料需要克服的問題和助劑的結構類別進行選擇。應用時要注意流平劑與其他助劑的匹配性及其負面作用和克服對策。

        掌握了流平劑的應用對提高涂料產品質量水平會有一定幫助的,另外對流平劑的開發也是有益的。

         

        二、影響涂料流動與流平的因素

        涂料流動成膜的力是外加的剪切力。即外力作用于涂料使其鋪展成膜。流平的動力是表面張力即涂料自身收縮的力,這是在外力消失后,使涂膜表面達到光滑平整狀態的主要作用力。

        由此可以得出這樣的結論:流動與流平兩個定義之間沒有什么太大的區別,涂料要達到光滑平整的表面需要具有良好的流動與流平特性。

        2.1涂料流體性質對流動與流平的影響

        不管是流動還是流平都是涂料的運動形式,都要受到涂料粘度的影響。涂料流體性質不同,粘度與剪切速率呈現出不同的關系,所以對流動和流平的影響程度也不一樣。如何利用涂料這一屬性即達能到流動與流平的目的,又能克服涂料某些弊病是我們技術人員所追求的目標。

        涂料大約有五種流體類型:牛頓流體、塑性流體、假塑性流體、膨漲流體、觸變流體。假塑性流體和觸變流體是涂料最常用的兩種流體結構。它們對防沉、防浮色發花、防流掛、防止立面涂裝時的波紋都是相當有益的。但對流平和光澤會造成一定影響。只要注意選擇觸變劑,合適地調節流掛極限膜厚度,仍有可能達到理想的涂膜流平效果。

        由式1中可以看出極限膜厚度與屈伏值成正比,只要改變屈伏值就可以調整涂膜厚度。也就是說選擇觸變劑類別及用量是達到流平與防流掛的關鍵??梢圆捎昧鲯鞂嶒灩瓮科鬟M行實驗。也可以采用貼條稱重法進行實驗。實驗證實流平劑特別是有機硅類流平劑對防流掛有一定幫助。


        三、涂膜表面形態對流平的影響

        構成涂膜形態不規整有兩種原因,一是由涂裝工具產生的痕跡,如刷痕取決于鬃毛刷的類型,刷痕的深淺不一。滾痕取決于滾涂機和繞線棒,滾涂或刮涂產生的凹凸的狀態不等。涂膜的不規整度越大流平越困難。二是基材形狀造成的,基材表面是粗糙的要得到光滑平整的涂膜是比較困難的。找平的方法是刮胒子和厚涂底漆。遇到上述情況造成的表面流平問題,最好的辦法是保持涂料的高表面張力,增強基材潤濕鋪展能力,保持涂膜最佳極限厚度,采用良溶劑稀釋樹脂,并控制其揮發速度及平衡??蓞⒖脊?span>2。

        2式中不難看出涂料的表面張力高和涂膜厚度大對縮短流平時間是有利的。所以在這種涂料中最好不要選擇強降低表面張力的流平劑。要選擇基材潤濕劑和不降低戓少降低表面張力的流平劑配合使用。例如TegoTego? Wet 260Tego? Flow 300。

        四、涂膜干燥時間對流平的影響

        涂料的流動與流平受粘度影響,粘度受溶劑影響??刂迫軇]發速度,使涂料保持低粘度液態時間越長越有利于涂膜的流平,也就是說通過控制溶劑的揮發速度可獲得適宜的流平性。對涂料而言,溶劑的溶解參數不同,溶解力亦不同。溶解力強的,涂料固含量高,粘度低,流平性好,涂膜豐滿度高?;旌先軇┑娜芙鈪狄欢ㄒc樹脂匹配?;旌先軇┒鄶凳怯烧嫒軇?、稀釋劑和助溶劑組成,在溶劑揮發時一定要控制揮發平衡,溶劑揮發到最后,真溶劑要占相對大的比例。這樣可以保證涂膜在干燥過程中粘度不會發生突變,處于平衡增長的狀態。對涂料的流動與流平是有一定控制作用的。

        五、基材潤濕對涂膜流平的影響

        取一滴水,滴到不同的底材上,其鋪展情況大不相同。有的成球狀接觸角很?。ㄈ?span>PP或PE塑料模),有的雖不鋪展但接觸角卻較大(如在玻璃板上)。取一塊相同的基材例如涂過油漆的馬口鐵板,滴上不同的物質。水——不鋪展;200﹟溶劑油——鋪展;加添了Tego? Wet KL245基材潤濕劑的水,不但鋪展而且速度快面積大。究其原因,滴加的流體的表面張力不同,與底材的表面定向排布狀況不同,能在界面定向排布的,能降低界面張力的,就能產生鋪展潤濕。

        涂膜的流平不單純取決于表面張力,涂膜鋪展潤濕的能力對涂膜流平也是相當重要的。鋪展潤濕取決于液/固界面張力。

        這種關系可用潤濕功來解釋:固體的表面能為E1,涂布后為E2涂布前后的表面能差為△E。它就是展布系數,用(S)表示。表面能可用表面張力表示即:

        WS是展布系數,又稱之為鋪展功。只有正值時液體才能在基材上鋪展潤濕。

        WS =0時,rL=rS-rSL),此時應該是液體的表面張力比基材表面張力大,液體不展布或回縮。

        WS <0時,rL>rs-rSL),液體的表面張力大于固體的表面張力,液體涂布在固體的表面上增加了固體的表面能為了順應能量趨向最小的規律,即使施加外力使液體鋪展開,但最終也必然要回縮的。

        WS>0時,rL<rS-rsL),這里的關鍵是固/液界面張力小于固體的表面張力,這是鋪展潤濕的第一個條件。另外固體表面張力與固/液界面張力之差大于液體的表面張力,那末液體表面張力就一定小于固體的表面張力,這是鋪展潤濕的第二個條件。這兩個條件決定了液體必定會在固體上展布潤濕。增強了涂料的流動與流平性。

        展布潤濕能幫助于流平,流平的前提是涂料的表面張力必須低於基材的表面張力。如此還不夠,必須添加基材潤濕劑使其在固/液界面定向排布,能否在固/液界面定向是基材潤濕劑能否降低固/液界面張力的關鍵。也是基材潤濕劑好壞的標志。

        通過上面的論述可以得出這樣的結論:作用于涂料流動和流平絕非是一種單一的因素,是幾種力同時發揮作用,所以我們應稱其為合力。影響涂料流動與流平的因素有以下幾種:

        這些作用力除剪切應力是凃裝時由涂裝設備決定的外加動力外,其他的力在配方設定時就基本固定了,受條件影響會有些變化,但變化不大。比如粘度和表面張力,施工時加添溶劑兌稀會有所變化,但差距不會太大。

        粘度低有助流動,但對防流掛不利(流平與流掛是矛盾的)。表面張力高有助于流平,但對潤濕不利(流平與潤濕是矛盾的);表面張力高可以促進流動和流平,但不刊于表面控制易出現表面缺欠。兌稀粘度會產生變化,這對流體的性質特別是假塑性流體和觸變流體會有影響。

        解決矛盾是提高涂料質量的方法之一,最捷徑的途徑是使用添加劑,特別是基材潤濕劑和流平劑。

        六、基材潤濕劑

        涂膜流動與流平涉及到涂膜的表面及底面(與基材接觸的界面),一般人們比較重視表面特性而忽略了底面,實際就流動與流平而言底面控制是非常重要的??刂频酌孀詈玫闹鷦┚褪腔臐櫇駝?。

        3.1 基材潤濕劑的作用機理

        有人認為只要降低涂料的表面張力低,涂料對基材就會有良好的潤濕鋪展性,這種觀點不對。烷基壬基酚乙氧基醚類表面活性劑可將水的表面張力降到35mN/m;一種非離子有機氟表面活性劑可將水的表面張力降到l7mN/m。取兩種相同量的水溶液滴到聚酯膜片,烷基壬基酚乙氧基醚的水溶液產生了鋪展潤濕,但氟助劑的水溶液成球狀體,接觸角很小不展布。

        究其原因,基材潤濕劑必須能夠在基材界面處定向排布。因此要求分子必須具備兩親結構,有親油基和疏油基。這樣在涂料中才會形成親溶媒的一端朝向涂料,疏油的一端朝向固體界面,定向排布形成界面層。基材潤濕劑必須是低表面活性物,在固/液界面處定向排布后降低固/液界面張力。

        由于基材潤濕劑在固/液界面處的吸附,使涂料表面能低于基材的表面能這樣就會產生潤濕鋪展,提高了涂膜的流動和流平性能。

        3.2 基材潤濕劑的種類

        3-2-1傳統型的表面活性劑

        這類助劑有很多。最有代表性的就是非離子型的烷基乙氧基的化合物。例如OP-4OP-40,后面的數字表視環氧乙烷的含量。使用時要參考其HLB值。這類助劑品種多,應用范圍廣泛。在洗滌劑工業、紡織印染工業、織物整理工業、造紙工業等方面均有應用。多數作潤濕劑和乳化劑使用。

        3.2.2聚醚改性的聚硅氧烷

        這類產品Tego具有獨特性,品種多性能全,應用領域廣泛,效果極好。它是以硅氧烷為中間段,在端基分別用親水和親油的聚醚改性,這樣使分子即具有較強的降低表面張力的特性,又具有兩親結構,極易在界面處定向排布,形成降低固/液界面張力的特性。

        Tego? Wet KL245、Tego? Wet 260、Tego? Wet270、Tego? Wet 280、Tego? Twin 4000、Tego? Twin 4100都是極具代表特性的基材潤濕劑。有效份都是100%、都可以水油兩用。

        Tego? Wet KL245特別適合水性涂料及油墨,鋪展面積是烷基壬基酚乙氧基醚的8倍;

        Tego? Wet 260比較適合溶劑涂料,性能與245類似;

        Tego? Wet 270具有良好的防縮孔(基材原因)和孔隙滲透效果;

        Tego? Wet 280具有良好的霧化性,噴出的涂膜均勻不會有透底的現象特別適用水性汽車漆;

        Tego? Twin 4000除具良好的基材潤濕效果外,還有很好的消泡性,可以用在厚漿涂料比如彈性拉毛墻漆;

        Tego? Twin 4100潤濕效果也很好,幾乎不穩泡,即使攪拌時產生泡,也會很快就消失。另外噴涂水性漆時幾乎看不到有暗泡產生。

        3.2.3非離子的有機氟化合物

        這類潤濕劑市場產品不多。與具有碳氫鏈憎水基表面活性劑相同,按離子型態劃分可分成陽離子型、陰離子型、非離子型和兩性的表面活性劑。一般非離子型的有機氟化合物可作基材潤濕劑使用。性能與有機硅化合物無太大區別。

        3.3基材潤濕劑應用指南

        基材潤濕劑類別不同、應用效果也不同。使用時要根據涂料種類,涂裝材質,認真地選擇基材潤濕劑的類型、添加量及與其他助劑的匹配性。

        3.3.1 基材潤濕劑與流平劑的區別

        基材潤濕劑有促進流動與流平的作用,但不同于流平劑。它是在涂膜與基材的界面處發揮作用,降低固/液界面張力,不影響涂膜的層間附著力。而流平劑是在涂膜的表面處發揮作用,是消除表面缺欠控制表面狀態的活性劑,有些品種雖有促進流動與流平作用,有些品種會影響層間附著力。

        3.3.2 基材潤濕劑在低表面能材質上的應用

        在低表面能材質上涂裝時,涂料中最好添加基材潤濕劑。能提高涂料在基上的潤濕鋪展性,增強涂膜表面的光滑平整度。能防止因基材表面張力低造成的縮孔、縮邊等不良現象。還能提高涂膜的附著力。在面漆,特別是水性涂料中,最好采取基材潤濕劑配合流平劑使用,這樣涂膜的上下兩個面可以同時得到控制,即提高了涂膜的流平性又控制了涂膜的表面狀態。

        3.3.3 基材潤濕劑對顏料分散的作用

        基材潤濕劑可當顏料潤濕劑使用,能將低表面能的顏料分散在高表面能介質中,可以增強顏料潤濕效率,縮短研磨時間。提高色漿濃度。對顏料的貯存穩定性也有一定的幫助。但顏料潤濕分散劑作基材潤濕劑使用就不一定有效?;臐櫇窈皖伭蠞櫇?,兩者即有相同之處又有不同之處:前者是展布功,后者是浸漬功。兩者共同之處都是降低固/液界面張力。但作用條件和結果卻不同,基材潤濕與三個界面有關,是三種不同介質的界面,要求的效果是液體在固體上的鋪展成膜;顏料分散潤濕是浸漬潤濕只與二個界面有關。是在同一溶媒中兩種不同介質的界面之間的關系。最終要求顏料穩定地分散在溶媒中特別在水性體系中,顏料潤濕分散劑一般不能作基材潤濕劑,但基材潤濕劑卻可以作顏料潤濕劑使用。例如前面介紹的Tego? Wet Kl245、Tego? Wet 260等都可以作顏料潤濕劑使用,降粘效果非常好,提高分散效率特別明顯。

        七、流平劑

        流平劑是人們經常使用為人所熟悉的一種界面活性劑。之所以稱其為界面活性劑,不是因其結構,而是因其在界面處發揮作用而得名的。它與樹脂溶媒相容受限,被排擠至氣/液界面處,發揮了表面活性作用。使涂料的表面張力處于平衡狀態,克服了因表面張力差而造成的表面缺陷。

        4-1 流平劑在涂料中的作用

        涂料性能有許多缺陷和不足之處,單純使用樹脂、顏料、溶劑是無法解決的,必須使用一些添加劑。流平劑是這些添加劑中不可缺少的一種。

        4-1-1防縮孔

        涂膜表面產生縮孔是常見的弊病。產生縮孔的原因是表面張力不平衡造成的。產生縮孔的物質,其表面張力一定比涂膜低,被稱之為縮孔施體。涂膜的表面張力一定比縮孔施體高稱其為縮孔受體。原因可以規納以下幾種:

        ①幾種樹脂混拼時,當溶劑配合適宜時可以相溶甚至能形成透明的涂膜。但當溶劑配合不當時,在溶劑揮發過程中有的樹脂會析出,產生膠粒變成縮孔施體。

        ②外界物體污染,空氣中低表能的飄浮物,烘道中的硅膠粒子等落到涂膜表面上。

        ③涂料中混含有低表面能的物質如不溶性油、硅油、膠粒等材質。

        ④基材表面張力不平衡,有個別地方被低表面能的物質污染或者基材的表面能過低。

        ⑤在含未經潤濕分散劑處理的顏料或亞光粉的涂料中,添加基材潤濕劑,這時基材潤濕劑會吸附到裸露的粒子表面,就會形成縮孔施體。在水性亞光漆中經常發生此種弊病。

        克服縮孔的最好辦法是使用基材潤濕劑配合有機硅類表面狀態控制劑。有些底漆不必或不能使用流平劑,單獨使用基材潤濕劑就可以達到防縮孔的目的。例如Tego? Glide 410、Tego? Glide 432、Tego? Flow ATF2再配合上面已介紹的基材潤濕劑。

        4-1-2防桔皮、防止顏色發花、防止消光漏光及發花

        產生這些弊病的根本原因,是因溶劑揮發涂膜表層和下層的表面張力不平衡,下層低,上層高。另外表層的密度大于下層。下層富含溶劑的涂料以靠表面張力將其推向表面,而重力又導致表層涂料向下沉,這便產生了下沉、擴展、上升的渦流運動。結果會形成不規則的邊緣相接的六角形網格。稱其為貝納爾渦流。網格中心新上來富含溶劑的涂料表面張力低,推其向邊緣運動,在此堆積形成小丘狀,這便是桔皮。這種運動也會導致顏色和顏料含量不同。這便是造成色漆發花,亞光漆亞粉排布不均勻造成漏光和消光發花的主要原因。

        Marangoni運動是產生這些弊病主要根源,只要降低涂膜的表面張力,那么下層的涂料就不能被推到表面,就產生不了上述的弊病。所以添加能控制表面狀態的,可以降低表面張力的,有機硅類流平劑是最好的方法。例如TegoTego? Glide 450、Tego? Glide 410、Tego? Glide 110、Tego? Glide A115等等。Tego這類助劑有數拾種供您選擇。如果有機硅類助劑解決不了問題,這時再考慮選擇有機氟類助劑。但要注意成本和穩泡性。

        4-1-3 防止波紋

        波紋的產生也是表面張力不均衡造成的。但要注意是立面噴涂還是平面噴涂。平面噴涂時,涂膜干燥速度不均,快干地方的表面張力高于慢干地方,這時表面張力就會推動慢干地方的涂料向快干地運動,產生左右方向的波紋。這可以用降低表面張力的有機硅類流平劑解決。但當立面噴涂產生上下波紋時,最好不要用降低表面張力的流平劑解決,否則會越加越嚴重。

        這是因為涂料下墜,下面的表面張力高于上面,所以推動涂料由下向上運動,重力下沉這就產生了上下波紋。越加降低表面張力的流平劑,下面表面張力越依,向上推動的力越強,波紋越強。最好的辦法是添加不降低表面張力的流平劑。例如TegoTego? Flow 300配合解絮凝形的但能產生結構粘性的分散劑例如Tego? Dispers 710。

        Tego基材潤濕劑:Tego? Wet KL245、Tego? Wet 260、Tego? Wet 270、Tego? Wet 280,有效份100%,水油兩用、會迅速在固/液界面定向、能大幅度地降低表面張力(或界面張力)和提高與基材的附著力同時還不影響上涂層的層間附著、有助于流平作用。

        4-2 流平劑的類別

        流平劑嚴格地說可分成表面狀態控制劑和流動與流平促進劑。另外高沸點的混合溶劑能夠延長涂料的開放時提供了流動與流平效果,也可作為流平劑使用。

        表面狀態控制劑它能降低涂料的表面張力,能起到防止縮孔、波紋、貝納爾渦流、發花、桔皮等弊病??刂票砻鏍顟B。

        因表面狀態控制劑是降低表面張力的界面活性劑。所以有些具有穩泡的不良影響。但也有些不穩泡或少穩泡的表面狀態控制劑。一般而言,降低表面張力較強的聚醚改性的聚硅氧烷,比烷基、芳基改性的聚硅氧烷更加穩泡。不降表面張力或少降表面張力的烷基、芳基改性的聚硅氧烷還有幫助消泡的作用。

        丙烯酸樹脂類流平劑它不降低表面張力,有促進涂膜流動與流平的功能,可以促使刷痕、滾痕、壓痕的消失。流動和流平劑還能控制或阻止Marangoni(馬拉高尼)效應的產生。不穩泡,多數有助消泡作用。

        4-2-1 樹脂類流平劑

        這類助劑有丙烯酸樹脂、脲醛樹脂、三聚氰胺甲醛樹脂、CAB、聚乙烯醇縮丁醛等。用量最多最廣泛最為人們所熟悉的是線性丙烯酸樹脂。它的上浮性依靠分子量大小來調節,與樹脂的相容性靠分子結構來調整。

        這類流平劑有丙烯酸均聚物、共漿物、改性化合物。均聚物大分子量的,相容性差,表面遷移速度快,控制表面能力強,有消泡作用。共聚物、與樹脂相容性好,遷移速度慢,表面控制能力不如均聚物。改性化合物、有用硅改性的和氟改性的,改性的目是為了獲取丙烯酸和改性物的共同特性。採用均聚丙烯酸改性的控制表面能力要比共聚物的好。

        Tego? Flow 300、Tego? Flow 460(均聚物),Tego? Flow 370(共聚物),Tego? Rad 21002700(有機硅改性丙烯酸反應型流平劑)。

        4-2-2 有機硅類流平劑

        這是當前使用最多最重要的一類流平劑。在涂料工業中應用已有近百年的歷史,廣為人知。不過在以前使用的都是低粘度的硅油,主要是消泡,熬樹脂時防止漲鍋,防止色漆發花。近年由于改性聚硅氧烷的問世,硅油有被淘汰的危險。

        改性聚硅氧烷品種繁多,應用廣泛。有烷基、芳基改性聚硅氧烷:聚醚、聚酯改性聚硅氧烷。其中聚醚改性最普便,應用面最廣,有多用助劑的美名。改性方法主要是控制硅氧鏈段和改性鏈段的比例,調節其性能。有梳狀的側鏈改性、有端基改性、有側鏈端基同時改性。改性化合物有聚氧乙基和聚氧丙基化合物,乙氧基親水,丙氧基親油。

        聚二甲基硅氧烷其分子量大小不同用途各異,粘度在5-50mPa·S屬低粘度硅油相溶性好可防止發花;100-300mPa·S這種粘度硅油可作流平劑,防止發花,增滑劑;5000-50000mPa·S的硅油可用作消泡劑;粘度100000-300000mPa·S的可作錘紋劑使用。

        Tego這類助劑相當多最為大家所熟悉的有Tego? Glide 410、Tego? Glide 450、Tego? Glide 110、Tego? Glide B1484等數拾種。

        4-2-3氟碳化合物

        這類化合物降低表面張力最強,其結構多數是在氟碳鏈接烯丙基再接其他改性化合物,或者氟碳鏈嵌接乙氧基再接其他鹽類化合物。如磷酸鹽,就成了水性用的陰離子化合物。其合成方法跟碳氫化合物表面活性劑差別不大。

        4-3 流平劑的應用

        上面已對流平劑能解決的問題和流平劑的類別作了介紹。下面主要想談等應用技術上的一些問題。

        4-3-1 良好的流動與流平促進作用

        流平是依靠表面張力的收縮力,所以表面張力高對流平是有促進作用的,當涂膜表面受外力造成的痕跡時,要使其流平。最好不要選擇降低表面張力的流平劑,應選擇丙烯酸類流平劑是最好的。它不降低表面張力還有促進流動與流平的作用。例如Tego? Flow 300、Tego? Flow 370還可配上少量的Tego? Glide 450。

        4-3-2防縮孔

        縮孔是因表面張力失衡造成的,縮孔施體的表面能是要比涂料低得多,要克服縮孔就要選擇低表面張力的流平劑,并不是所有流平劑都有效。它對增滑、抗劃傷、防發花、防桔皮、提高亞粉的排布性也有作用。TegoTego? Glide 410Tego? Flow ATF2。

        4-3-3增加光澤提高顯影性

        罩光清漆、實色高光漆都需要光澤高顯影性好。這時要特別注意選擇流平劑。大家都知道有機硅類流平劑有短波效應,會影響光澤。丙烯酸類流平劑有長波效應,對顯影性有影響。如若將有機硅流平劑和丙烯酸類流平劑配合使用,兩者互相刻制,就達到了完美的境界。例如Tego? Glide 450 + Tego? Flow 300。

        4-3-4 不影響層間附著力

        丙烯酸類不會影響層間附著力,有機硅類大部份會有影響。如果將改性物的錨定基封閉,增強其遷移性就不會影響附著力。另外可以選擇烷基或芳基改性的有機硅流平劑。例如Tego? Glide 450Tego? Glide B1484等都不會影響層間附著力。


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