水性工業(yè)涂料助劑的功能與應(yīng)用
作為涂料的原材料之一,助劑的用量通常很少(一般為配方總量的1%左右),但是,它的加入可以避免產(chǎn)生許多原漆的缺陷及漆膜弊病,同時(shí)又可以使涂料的生產(chǎn)和施工過程易于控制。在溶劑型涂料中易出現(xiàn)的缺陷和弊病,在水性涂料中也同樣會(huì)發(fā)生,然而,由于水性涂料中所用樹脂和水的特殊性, 這就使得用于水性工業(yè)涂料的助劑有別于一般的添加劑。
1、消泡劑
由于水的表面張力大,水性涂料比一般的溶劑型涂料更容易產(chǎn)生氣泡。氣泡通常是由液-氣交界處的活性分子形成的。這些表面活性分子通常以分散的氣泡形態(tài)形成一穩(wěn)定的、不易被破壞的薄層。在施工過程中(輥涂、刷涂或噴涂)會(huì)帶入氣泡,對于較粗糙的基材表面也容易產(chǎn)生氣泡,這些因素都必須在選擇消泡劑時(shí)考慮周全。消泡劑可以潤濕滲透到由表面活性物質(zhì)所形成的薄層中, 通過其不相容性與該系統(tǒng)反應(yīng),降低其表面張力,破壞薄層的穩(wěn)定性,從而達(dá)到消泡的目的。為此, 消泡劑必須與涂料液相有一定的不相容性。這是因?yàn)? 如果一種消泡劑與涂料完全相容,那么,它就不能很好地滲透到薄層中去,消泡效果不會(huì)理想。反之,如果兩者相容性太差,雖然可以達(dá)到消泡的目的,卻可能引起其他表面缺陷(如縮孔)。因此,是否與某一體系有一合適的相容/不相容平衡關(guān)系,就成為選擇消泡劑的一個(gè)關(guān)鍵。
對于水性工業(yè)涂料來說,目前,效果比較理想的消泡劑主要有兩大類:礦物油類消泡劑和有機(jī)硅類消泡劑。礦物油類消泡劑在裝飾類乳膠漆中已使用多年。這類消泡劑的主要成分是作為載體的礦物油,這些載體帶有疏水性粒子,也就是帶有憎水表面的固體顆粒。它們作為表面活性劑的消除劑,首先把表面活性劑吸附到其表面,而后將表面活性劑從氣-液交界薄層中移走,進(jìn)而使泡沫消除。可用作憎水粒子的化學(xué)物質(zhì)有很多種,聚脲樹脂較為特別,它可以直接在礦物油中被合成,形成具有良好的分散穩(wěn)定性的粒子。與其他礦物油類消泡劑相比,其析出的傾向很小,自身的貯存穩(wěn)定性很好。另外,由于粒徑小,其總的憎水表面相對較大,將它們加入到涂料組分中之后,它們將在成品漆中長時(shí)間發(fā)揮作用。
在光澤要求很高的涂料中,礦物油類消泡劑可能會(huì)引起一些弊病,如失光、發(fā)花以及礦物油析出等。此時(shí),有機(jī)硅類消泡劑更為適用。有機(jī)硅類消泡劑是由聚醚和烷基鏈改性的聚硅氧烷組成的,改性后有機(jī)硅與涂料有一定的不相容性,消泡較為有效。與礦物油類消泡劑的情況類似,如果不相容性的程度超過了一定的限度,同樣也會(huì)引起縮孔等弊病;反之,若親水性過強(qiáng),則不會(huì)起消泡作用,甚至可能還會(huì)使泡沫增加。總之,聚硅氧烷是通過降低涂料的表面張力來消泡的。有些有機(jī)硅類消泡劑也含有憎水粒子,有時(shí)也將少量的有機(jī)硅類消泡劑加入到礦物油中,以增強(qiáng)其效力。
Efka-26/Efka-27為有機(jī)聚合物及有機(jī)金屬化合物的乳化液,適用于各種水性涂料,在調(diào)漆(如攪拌、泵輸送、研磨) 過程中,能抑制泡沫的產(chǎn)生,發(fā)揮很好的消泡作用。可直接加入成品中,添加量為0.1%~1.0%, 混合均勻。還可以防止發(fā)生縮孔現(xiàn)象。BYK-024為疏水固體、乳化劑和破泡聚硅氧烷的乳液。適用于顏料體積濃度(PVC)在0~25%的聚氨酯和丙烯酸聚氨酯的乳液體系,輥涂、刷涂和噴涂施工均可。添加量為0.1%~1.0%。
BYK-025為破泡聚硅氧烷的乳液,特別適用于無顏料的聚氨酯和丙烯酸/ 聚氨酯乳液體系。添加量為0.1%~1.5%。
BYK-024/025在水性工業(yè)涂料的生產(chǎn)和施工過程中能夠有效地消泡,且不會(huì)降低漆膜的光澤,可以在生產(chǎn)的任何階段加入,具有優(yōu)良的長期穩(wěn)定性。
2、有機(jī)硅類助劑
疏水的聚硅氧烷-聚醚共聚物的特點(diǎn)是與泡沫介質(zhì)(水/表面活性劑溶液)高度不相容的同時(shí),又與涂料介質(zhì)相容。這就確保它的高效消泡能力, 同時(shí)具有不產(chǎn)生縮孔的傾向。
許多漆膜弊病,如縮孔、底材潤濕不好以及桔皮等都是由表面張力的差異造成的。有機(jī)硅類助劑可以降低涂料的表面張力,并使其在較低的情況下保持恒定, 且不產(chǎn)生表面張力的差別, 因此,可以解決許多由于表面張力而引起的弊病。除了可以降低表面張力,此類助劑還可以增加表面潤滑性,使抗劃痕性得到提高。此類有機(jī)硅類助劑是聚醚改性的聚硅氧烷,其極性可以通過調(diào)整聚醚鏈的長短而變化。適于水性體系的有機(jī)硅類助劑,通過有機(jī)改性聚硅氧烷可以制得一系列產(chǎn)物。然而, 在有些水性工業(yè)涂料中,這類助劑使表面張力的降低作用還不夠理想,例如,塑料底材的表面潤濕問題就顯得尤為突出。另一類特別的有機(jī)硅類添加劑)有機(jī)硅表面活性劑則可以解決此類問題。從化學(xué)結(jié)構(gòu)上看,這類表面活性劑也是聚醚改性的硅氧烷,但其分子量相對較小,故其結(jié)構(gòu)與表面活性劑類似。由于這種結(jié)構(gòu)的特殊性,這類有機(jī)硅類表面活性劑在水性體系中的表面張力很小, 然而其效用卻與我們所熟知的氟表面活性劑相近。與氟表面活性劑相比,有機(jī)硅類表面活性劑又具有顯著的優(yōu)勢: 它對泡沫的穩(wěn)定作用可以忽略,而氟表面活性劑對此卻無能為力。
EfkaLP-7022為改性有機(jī)硅氧烷乳液,可用于各類水性工業(yè)涂料中改善表面流動(dòng)性,可溶于水,促進(jìn)表面流平及提高表面光滑性,特別具有防縮孔,底材濕潤及消泡功能。添加量以0.1%~0.4%為宜。
3、丙烯酸類助劑
在溶劑型涂料中,丙烯酸類助劑已使用了很長時(shí)間。它們通常是用作流平劑,避免漆膜脫落和流掛現(xiàn)象的產(chǎn)生。其對涂料的表面張力影響很小,甚至可以忽略。同樣,關(guān)鍵是控制其與涂料體系的相容性。也就是說,當(dāng)其遷移至涂料表面時(shí),不應(yīng)引起縮孔等缺陷。通過對其極性進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,可以獲得適于水性工業(yè)涂料的丙烯酸類流平劑,這也是對有機(jī)硅類助劑的補(bǔ)充。
EfkaLP-7070為氟碳改性聚丙烯酸酯經(jīng)胺中和的水溶液,適用于pH\716的水性工業(yè)涂料中。具有出色的防縮孔性、流平性,底材潤濕性良好,且不影響附著力?？芍苯蛹尤胱罱K成品中,添加量為0.5%~1.5%。
EfkaPolymer450/451是改性聚丙烯酸酯,可用于各類水性工業(yè)涂料,在添加顏料前,投放于研磨漿料內(nèi),可以改善水性工業(yè)涂料的光澤,減小浮色和提高著色力。
BYKetol-WS為表面活性低分子聚合物的組合,是兼有消泡作用的流平助劑,可用于防止水性工業(yè)涂料涂膜的縮孔、針孔之類的表面弊病,也可用于防止烘烤體系的氣泡和爆泡跡。應(yīng)在研磨階段加入,添加量為0.3%~3.0%。
4、蠟類添加劑
蠟類添加劑一般以水乳液形式存在,最初是用于改善漆膜的表面防護(hù)性能,主要包括提高漆膜的平滑性、抗劃傷性以及改善防水性能。此外,它還可以影響涂料的流變性能,它的加入可以使金屬閃光漆中像鋁粉這類的固體顆粒的取向變得均勻。在無光漆中,它可以作為消光劑,根據(jù)其粒徑和粒徑分布,蠟類添加劑的消光效力也各不相同。因此,蠟類添加劑既有適于有光漆的,也有適用于無光漆的。
Efka-906為微晶化改性聚乙烯蠟,可用于改善水性工業(yè)涂料的表面性質(zhì),如平滑性、抗粘連性、抗劃傷性及消光作用,而且可以有效抑制顏料沉淀。添加量為0.25%~2.0%。
5、潤濕分散劑
潤濕分散劑通過降低顏料粒子與樹脂液之間的界面張力,使顏料粒子能夠快速、完全被潤濕,并使顏料分散體系穩(wěn)定。另外,它們對涂料的流變性能有明顯的影響,是十分有效的表面助劑。
為了使漆膜光澤高,顏色均勻穩(wěn)定,不產(chǎn)生浮色、發(fā)花現(xiàn)象,經(jīng)研磨后的顏料,必須以一種穩(wěn)定的分散狀態(tài)存在,因此要加入潤濕分散劑。通常熟知的穩(wěn)定機(jī)理有兩類:電荷排斥作用和位阻效應(yīng)。在水性工業(yè)涂料體系中,溶劑分子較少,電荷排斥作用在穩(wěn)定機(jī)理中占主導(dǎo)地位;此時(shí)沒有助劑與樹脂分子間的相互影響,因此,不存在明顯的空間位阻,所以,這類體系中穩(wěn)定性主要依賴于電荷間的斥力。聚合物電解質(zhì)(如聚丙烯酸鹽和聚磷酸鹽類)用作這類體系的分散劑已有很長時(shí)間,它們賦予顏料粒子表面很強(qiáng)的電荷。在溶劑型涂料中,位阻效應(yīng)在穩(wěn)定機(jī)理中占有主導(dǎo)地位,此時(shí)顏料的表面不可能帶有強(qiáng)的電荷,因此,只有位阻效應(yīng)可能使其穩(wěn)定。這一穩(wěn)定機(jī)理對水性涂料也十分重要, 同樣適用于水稀釋性涂料以及混合體系。這類助劑必須滿足的條件之一就是其聚合物鏈必須與水性樹脂液有較好的相容性。在溶劑型體系中已被成功應(yīng)用的關(guān)于聚合型潤濕分散劑的理論,也同樣適用于水性工業(yè)涂料。將這類高聚物進(jìn)行改性,使其能與水溶性樹脂體系相混溶, 相應(yīng)地亦可獲得很強(qiáng)的位阻效應(yīng)。通過加入這些助劑,可以長時(shí)間防止無機(jī)顏料及有機(jī)顏料的絮凝,且能控制顏料的流動(dòng)性,確保發(fā)生浮色、發(fā)花現(xiàn)象,從而制得高質(zhì)量的水性工業(yè)涂料。這類高聚物結(jié)構(gòu)的特殊性, 決定了此類助劑不會(huì)對漆膜的耐候性和耐水性造成負(fù)面影響。
Efka-71為羧酸類烷醇銨鹽,是適用于水性工業(yè)涂料的陰離子型潤濕分散劑,可以有效減少浮色和顏料的沉降問題。在分散前投入研磨料內(nèi)。添加量為:無機(jī)顏料的0.5%~2.0%,有機(jī)顏料的2.5%~5.0%。
BYK-182為帶親顏料基團(tuán)的高分子量嵌段共聚物的溶液,作為水性工業(yè)涂料的潤濕分散助劑,可以有效地防止顏料絮凝,增進(jìn)顏料的潤濕,提高涂膜光澤,降低浮色和發(fā)花傾向,降低研磨料的粘度,改進(jìn)體系的貯存穩(wěn)定性。在攪拌下慢慢加到研磨樹脂、助溶劑的混合物或?qū)羟辛Ψ€(wěn)定的樹脂乳液中,添加量隨顏料的不同而異。
BYK-346是聚醚改性的二甲基聚硅氧烷溶液,在水性工業(yè)涂料中,可以有效降低表面張力而獲得優(yōu)良的底材潤濕效果。在調(diào)漆后加入,添加量為0.1%~1.0%。當(dāng)含有占配方總量3%~7%的助溶劑時(shí),
可獲得最佳潤濕效果,且在pH4~10的體系中具有優(yōu)良的長期穩(wěn)定性。
6、展 望
目前,由于新樹脂及改性樹脂的不斷出現(xiàn),水性工業(yè)涂料也在不斷地變化。為了獲得高質(zhì)量、性能優(yōu)良的符合世界發(fā)展方向的涂料,就要求我們在配方中使用的原料和助劑應(yīng)符合環(huán)保要求。毫無疑問,水性工業(yè)涂料助劑有助于擴(kuò)大符合環(huán)保要求的水性工業(yè)涂料的市場份額。另外,除了上述討論的水性工業(yè)涂料助劑之外,水性涂料用流變控制劑和助溶劑也有著不可忽視的作用。
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