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來源:巴斯夫分散體與樹脂 2024-03-14 13:53
摘要:水性成膜助劑是水性塗料的重要组成部分,与塗料的最低成膜温度,漆膜性能,塗料稳定性等息息相关。本文将探讨成膜助劑在塗料中的作用及重要性。
常見成膜助劑
那么成膜助劑对塗料性能的影响有哪些呢?本文将从成膜溫度、漆膜幹燥速度、漆膜外觀、漆膜性能四個方面進行闡述。
與最低成膜溫度的關系
在水性塗料中,配方工程师一般会关注乳液的两个重要参数:玻璃化溫度Tg、最低成膜溫度MFFT。
玻璃化溫度(Tg):指無定形聚合物(相對結晶型聚合物而言,包括線形、支鏈形及交聯型聚合物)由高彈態向玻璃態轉變時的溫度,也是聚合物中大分子鏈段開始運動的最低溫度。
最低成膜溫度(MFFT):指乳液能夠形成連續而理想塗膜的最低溫度。例如一個MFFT爲50℃的水性乳液,在室溫條件下如果不使用成膜助劑,乳液中的水分揮發後,將無法實現乳膠粒子的連續成膜,而呈粉狀或開裂狀的不連續膜。
對于一個水性單相丙烯酸乳液來說,一般情況下:
Tg越高,其MFFT也越高,因此需要較多的成膜助劑,會增加VOC的含量。
Tg較低,雖然低溫容易成膜,所需的成膜助劑用量也較少,但漆膜較軟,耐沾汙較差等。
核殼結構的自交聯水性丙烯酸乳液具有多個Tg及自交聯單體,硬核軟殼可以兼顧低溫成膜的需要,又改善了漆膜的硬度和抗粘連等性能。
成膜助劑的種類與用量對乳液的最低成膜溫度有明顯的影響,如下圖所示。
根据上图,对于一个MFFT 为25℃的水性丙烯酸乳液,在加入相同用量的不同成膜助劑后,测得的MFFT值,结果显示:
不同成膜助劑類型降低最低成膜溫度的程度不同:DPnB>Texnol>PNB>BG>DBG>DPM
随着成膜助劑用量的增加,MFFT值呈下降趋势,水性塗料的施工温度一般要求在5℃以上。当MFFT到达一定温度,如0℃,此后再增加成膜助劑,最低成膜溫度不再有明顯的下降。
不同水性乳液對成膜助劑的選擇不同,這與乳膠粒子本身的單體類型、親水親油性,以及表面張力甚至固化條件等有關,需要對不同成膜助劑進行篩選。
小貼士
親水型成膜助劑在乳液中較多分布在水相和乳膠粒子的親水表面。親油型成膜助劑容易對乳膠粒子進行溶脹,進入乳膠粒子內部,使乳膠粒子體積變大,粘度升高,在成膜階段幫助乳膠粒子進行表面融合相互纏繞。
一般认为亲油性成膜助劑的成膜效率较高,但親油型成膜助劑容易造成乳胶粒子破坏,出现稳定性差,甚至破乳现象。
與漆膜幹燥速度的關系
漆膜幹燥速度的影響因素
溫度、濕度、風速
由于水的蒸发潜热大,水性塗料中稀释剂水的挥发会受湿度、温度的影响,因此水性塗料的干燥速度应综合考虑溫度、濕度、風速的影响。
水分、成膜助劑的揮發、交聯反應基團
由水性塗料的成膜机理可知,在水分挥发过程中,毛细管作用力使乳胶粒子相互靠近、变形、相互堆积,成膜助劑使乳胶粒子软化、Tg降低、乳胶粒子相互缠绕、相互溶解,甚至交联反应等最终形成连续的漆膜。
在此過程中,水分、成膜助劑的揮發和交聯反應基團都會影響漆膜的幹燥速度。
成膜助劑常被稱爲臨時的增塑劑,在漆膜成膜過程中及成膜後,從漆膜中溢出。以上述成膜助劑爲例:
Texnol的挥发速度最慢,在水性自干丙烯酸塗料中会较长的残留,对实干影响较大;
PM、乙醇等挥发速度快,在某些施工应用中,为提高干燥速度选择在施工时加入,但这种操作对塗料的耐溶剂性要求较高,风险较大,容易出现相容性差,颗粒反粗等问题。
應用實踐
在對表面外觀要求如流平性較高的塗層體系中,需要表幹慢、實幹快,通過加入適當的成膜助劑可以提高漆膜的開放時間,提高流平性。
在水性塗料中,为了调整干燥速度,往往会将快干慢干(亲水型/疏水型)成膜助劑混搭使用。
與漆膜外觀的關系
水性塗料的润湿剂可以起到降低表面张力、提高润湿流平的作用。不同的成膜助劑也会影响漆膜的表面张力。
一些研究表明:
親水型成膜助劑(如DPM、PM、 BCS)在水性体系中主要分布在水相,对水性塗料的表面张力影响比较大,对塗料的粘度具有一定的稀释作用。在具有一定降低表面张力作用的同时,加入量过多会引起稳泡或者缩边的现象。
以下是加入等量的不同成膜助劑後,對清漆漆膜表面外觀的影響。
由于一些亲油性成膜助劑对乳胶粒子的溶脹较为严重,容易造成破乳等现象,在成膜助劑的加入时可以选择较为温和的加入方式,如成膜助劑与水、润湿剂、pH调节剂等预混合均匀后搅拌状态下缓慢加入。
與漆膜性能的關系
除了漆膜外觀,成膜助劑對漆膜的性能也具有一定影響,如硬度、耐水性、耐鹽霧性能等。
硬度
下圖爲不同成膜助劑對漆膜的硬度建立的影響,可以發現,揮發速度較快的成膜助劑對硬度的發展有利。
耐水性、耐鹽霧性
不同成膜助劑及混拼對漆膜耐水性有影響,一般認爲成膜助劑的親水性越強,對漆膜的早期耐水性和漆膜的耐鹽霧性能影響就越大,而疏水性成膜助劑對漆膜的早期耐水性影響較小。
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