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降低水性涂料成膜温度方法探讨

文/陈红瑞

摘要:水性涂料已在不同领域得到越来越广泛的应用,但存在成膜温度高,冬季难以成膜的问题。从水性漆成膜机理出发,探讨了乳液的合成及水性涂料配方对水性漆最低成膜温度的影响。重点讨论了乳液颗粒结构和成膜助剂对最低成膜温度的影响。

关键词:水性涂料 成膜机理 成膜温度 成膜助剂

 

0 引 言

为了人类自身安全和全球可持续发展考虑,迫切需要研究环保型涂料。水性涂料以水为分散介质和稀释剂,其突出的优点是作为分散介质的水无毒无害,制造和贮运无爆炸危险,解决了溶剂型涂料高VOC的问题。同时水性涂料还具备价廉、不易粉化、干燥快、施工方便等优点。水性涂料已在建筑、工业防腐、家具、家装以及汽车制造领域得到越来越广泛的应用并已成为世界涂料发展的重要方向之一。然而,水性涂料存在成膜温度较高,在寒冷的冬季难以成膜的问题,给施工带来不便。本文从水性涂料成膜机理的角度探讨了影响成膜的几个重要因素。

 

1 水性涂料成膜机理

水性漆成膜过程经历了聚合物粒子的浓缩、聚集迭合、挤压变形、再借助于成膜助剂融合成膜。水性漆成膜过程阶段多,并且是非分子级的,其中任何阶段都有可能产生不完全性,特别是最后阶段,乳液粒子借助于成膜助剂形成均匀的连续相使水性漆最终成膜。

1966年Bradford等提出了成膜温度必须大于聚合物玻璃化转变温度(Tg)的概念。成膜过程的3阶段分别是水蒸发;乳液颗粒靠近变形并趋填密;相互扩散,当T>Tg时最终成膜。这是水性漆的物理成膜机理。

对于水溶性涂料来讲,由于树脂需水溶,其分子量不会太大。因此大多是热固型的,树脂中的活性基团和外加交联剂的活性基团之间的交联反应形成不溶不融的网状结构,从而使涂膜的性能得到提高。

 

2 乳液结构和性质对最低成膜温度影响

乳液最低成膜温度(MFT)是乳液颗粒相互聚集成连续薄膜的最低温度,是表征聚合物乳液成膜特性的常用方法,是单组分水性漆的使用极限值。当施工温度超过MFT时,乳液形成连续、透明的薄膜;反之,当施工温度低于MFT时,将会形成白色粉状有裂痕的薄膜。因此,为了满足使用的要求,单组分水性漆的施工温度应超过MFT。影响MFT的因素包括乳液中乳胶粒的结构,乳液粒子的大小,乳液合成中表面活性剂的选择和合成工艺等。

2.1 乳胶粒结构影响

乳液由乳胶粒和水组成,乳胶粒内包裹高聚物,其表面材料的性能直接影响MFT。乳胶粒内可以是均一结构,也可以是核壳结构。软壳硬核的核壳结构乳液,可在较低温度下成膜。相反,软核硬壳的核壳乳液,其成膜温度较高。含有可交联官能团的乳液,比不含可交联官能团的乳液成膜温度高。

2.2 粒径

乳液粒径的大小影响漆膜的质量。细粒径乳液得到的漆膜更均匀,漆膜的光泽度高。乳液粒径增大,MFT趋于Tg。随着乳胶粒粒径变小,粘度增加,增大了乳液成膜的毛细管压力和粒子的总表面积,有利于粒子表面链端相互渗透,促进粒子变形成膜,从而降低MFT。亲水性单体倾向于留在乳胶粒子的外层,因而MFT的高低取决于亲水单体的性能。

2.3 表面活性剂

乳化剂的分子中均含有两类性质截然不同的部分——极性基团与非极性基团。非离子型乳化剂在水溶液中不会离解成离子,其效果与介质pH值无关,它会在聚合物表面形成吸附层,阻挡聚合物分子彼此碰撞,从而提高聚合物粒子的分散稳定性;阴离子型乳化剂水解时生成阴离子基团,可使聚合物表面带负电荷,造成聚合物颗粒相斥,降低粒径,进而降低成膜温度。

2.4 合成工艺

包括加料顺序、操作方法、温度控制等。

 

3 成膜助剂对MFT的影响

成膜助剂又称凝聚剂、聚结剂,通过降低聚合物表面积,降低表面能,控制水的蒸发以促进聚合物成膜。一旦乳液成膜过程完成,成膜助剂会从涂膜中挥发,从而使聚合物玻璃化温度恢复至初始值。实验证明,成膜助剂的水溶性、相容性和挥发性影响着成膜助剂在涂料中的存在状态、运动行为和使用效果。

成膜助剂在乳液粒子的融合和成膜阶段起着溶剂的作用。在成膜助剂的作用下乳液粒子之间的界面消失,形成连续均匀的膜。增大了低温成膜的可能性,最低成膜温度随成膜助剂的增加而下降。然而用量增加到一定程度,其效果不明显反而会增加成本。

图1成膜助剂TEXANOL酯醇用量对丙烯酸乳液最低成膜温度的影响

由图1可见,随着成膜助剂TEXANOL酯醇用量的增加,涂膜的最低成膜温度也随之降低。当成膜助剂的用量增加到8%以后,涂膜的最低成膜温度不再降低。

 

4 结 论

降低乳液的最低成膜温度增加了水性漆冬季施工的可行性,影响最低成膜温度的最主要因素是聚合物乳液中乳胶粒的结构和粒径,以及乳液合成过程工艺控制和后处理工艺。此外,涂料配方研制阶段中成膜助剂种类的选择和加量也是影响水性漆最低成膜温度的重要因素。


 

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