水性工业涂料助剂的功能与应用
作为涂料的原材料之一,助剂的用量通常很少(一般为配方总量的1%左右),但是,它的加入可以避免产生许多原漆的缺陷及漆膜弊病,同时又可以使涂料的生产和施工过程易于控制。在溶剂型涂料中易出现的缺陷和弊病,在水性涂料中也同样会发生,然而,由于水性涂料中所用树脂和水的特殊性, 这就使得用于水性工业涂料的助剂有别于一般的添加剂。
1、消泡剂
由于水的表面张力大,水性涂料比一般的溶剂型涂料更容易产生气泡。气泡通常是由液-气交界处的活性分子形成的。这些表面活性分子通常以分散的气泡形态形成一稳定的、不易被破坏的薄层。在施工过程中(辊涂、刷涂或喷涂)会带入气泡,对于较粗糙的基材表面也容易产生气泡,这些因素都必须在选择消泡剂时考虑周全。消泡剂可以润湿渗透到由表面活性物质所形成的薄层中, 通过其不相容性与该系统反应,降低其表面张力,破坏薄层的稳定性,从而达到消泡的目的。为此, 消泡剂必须与涂料液相有一定的不相容性。这是因为, 如果一种消泡剂与涂料完全相容,那么,它就不能很好地渗透到薄层中去,消泡效果不会理想。反之,如果两者相容性太差,虽然可以达到消泡的目的,却可能引起其他表面缺陷(如缩孔)。因此,是否与某一体系有一合适的相容/不相容平衡关系,就成为选择消泡剂的一个关键。
对于水性工业涂料来说,目前,效果比较理想的消泡剂主要有两大类:矿物油类消泡剂和有机硅类消泡剂。矿物油类消泡剂在装饰类乳胶漆中已使用多年。这类消泡剂的主要成分是作为载体的矿物油,这些载体带有疏水性粒子,也就是带有憎水表面的固体颗粒。它们作为表面活性剂的消除剂,首先把表面活性剂吸附到其表面,而后将表面活性剂从气-液交界薄层中移走,进而使泡沫消除。可用作憎水粒子的化学物质有很多种,聚脲树脂较为特别,它可以直接在矿物油中被合成,形成具有良好的分散稳定性的粒子。与其他矿物油类消泡剂相比,其析出的倾向很小,自身的贮存稳定性很好。另外,由于粒径小,其总的憎水表面相对较大,将它们加入到涂料组分中之后,它们将在成品漆中长时间发挥作用。
在光泽要求很高的涂料中,矿物油类消泡剂可能会引起一些弊病,如失光、发花以及矿物油析出等。此时,有机硅类消泡剂更为适用。有机硅类消泡剂是由聚醚和烷基链改性的聚硅氧烷组成的,改性后有机硅与涂料有一定的不相容性,消泡较为有效。与矿物油类消泡剂的情况类似,如果不相容性的程度超过了一定的限度,同样也会引起缩孔等弊病;反之,若亲水性过强,则不会起消泡作用,甚至可能还会使泡沫增加。总之,聚硅氧烷是通过降低涂料的表面张力来消泡的。有些有机硅类消泡剂也含有憎水粒子,有时也将少量的有机硅类消泡剂加入到矿物油中,以增强其效力。
Efka-26/Efka-27为有机聚合物及有机金属化合物的乳化液,适用于各种水性涂料,在调漆(如搅拌、泵输送、研磨) 过程中,能抑制泡沫的产生,发挥很好的消泡作用。可直接加入成品中,添加量为0.1%~1.0%, 混合均匀。还可以防止发生缩孔现象。BYK-024为疏水固体、乳化剂和破泡聚硅氧烷的乳液。适用于颜料体积浓度(PVC)在0~25%的聚氨酯和丙烯酸聚氨酯的乳液体系,辊涂、刷涂和喷涂施工均可。添加量为0.1%~1.0%。
BYK-025为破泡聚硅氧烷的乳液,特别适用于无颜料的聚氨酯和丙烯酸/ 聚氨酯乳液体系。添加量为0.1%~1.5%。
BYK-024/025在水性工业涂料的生产和施工过程中能够有效地消泡,且不会降低漆膜的光泽,可以在生产的任何阶段加入,具有优良的长期稳定性。
2、有机硅类助剂
疏水的聚硅氧烷-聚醚共聚物的特点是与泡沫介质(水/表面活性剂溶液)高度不相容的同时,又与涂料介质相容。这就确保它的高效消泡能力, 同时具有不产生缩孔的倾向。
许多漆膜弊病,如缩孔、底材润湿不好以及桔皮等都是由表面张力的差异造成的。有机硅类助剂可以降低涂料的表面张力,并使其在较低的情况下保持恒定, 且不产生表面张力的差别, 因此,可以解决许多由于表面张力而引起的弊病。除了可以降低表面张力,此类助剂还可以增加表面润滑性,使抗划痕性得到提高。此类有机硅类助剂是聚醚改性的聚硅氧烷,其极性可以通过调整聚醚链的长短而变化。适于水性体系的有机硅类助剂,通过有机改性聚硅氧烷可以制得一系列产物。然而, 在有些水性工业涂料中,这类助剂使表面张力的降低作用还不够理想,例如,塑料底材的表面润湿问题就显得尤为突出。另一类特别的有机硅类添加剂)有机硅表面活性剂则可以解决此类问题。从化学结构上看,这类表面活性剂也是聚醚改性的硅氧烷,但其分子量相对较小,故其结构与表面活性剂类似。由于这种结构的特殊性,这类有机硅类表面活性剂在水性体系中的表面张力很小, 然而其效用却与我们所熟知的氟表面活性剂相近。与氟表面活性剂相比,有机硅类表面活性剂又具有显著的优势: 它对泡沫的稳定作用可以忽略,而氟表面活性剂对此却无能为力。
EfkaLP-7022为改性有机硅氧烷乳液,可用于各类水性工业涂料中改善表面流动性,可溶于水,促进表面流平及提高表面光滑性,特别具有防缩孔,底材湿润及消泡功能。添加量以0.1%~0.4%为宜。
3、丙烯酸类助剂
在溶剂型涂料中,丙烯酸类助剂已使用了很长时间。它们通常是用作流平剂,避免漆膜脱落和流挂现象的产生。其对涂料的表面张力影响很小,甚至可以忽略。同样,关键是控制其与涂料体系的相容性。也就是说,当其迁移至涂料表面时,不应引起缩孔等缺陷。通过对其极性进行适当调整,可以获得适于水性工业涂料的丙烯酸类流平剂,这也是对有机硅类助剂的补充。
EfkaLP-7070为氟碳改性聚丙烯酸酯经胺中和的水溶液,适用于pH\716的水性工业涂料中。具有出色的防缩孔性、流平性,底材润湿性良好,且不影响附着力。可直接加入最终成品中,添加量为0.5%~1.5%。
EfkaPolymer450/451是改性聚丙烯酸酯,可用于各类水性工业涂料,在添加颜料前,投放于研磨浆料内,可以改善水性工业涂料的光泽,减小浮色和提高着色力。
BYKetol-WS为表面活性低分子聚合物的组合,是兼有消泡作用的流平助剂,可用于防止水性工业涂料涂膜的缩孔、针孔之类的表面弊病,也可用于防止烘烤体系的气泡和爆泡迹。应在研磨阶段加入,添加量为0.3%~3.0%。
4、蜡类添加剂
蜡类添加剂一般以水乳液形式存在,最初是用于改善漆膜的表面防护性能,主要包括提高漆膜的平滑性、抗划伤性以及改善防水性能。此外,它还可以影响涂料的流变性能,它的加入可以使金属闪光漆中像铝粉这类的固体颗粒的取向变得均匀。在无光漆中,它可以作为消光剂,根据其粒径和粒径分布,蜡类添加剂的消光效力也各不相同。因此,蜡类添加剂既有适于有光漆的,也有适用于无光漆的。
Efka-906为微晶化改性聚乙烯蜡,可用于改善水性工业涂料的表面性质,如平滑性、抗粘连性、抗划伤性及消光作用,而且可以有效抑制颜料沉淀。添加量为0.25%~2.0%。
5、润湿分散剂
润湿分散剂通过降低颜料粒子与树脂液之间的界面张力,使颜料粒子能够快速、完全被润湿,并使颜料分散体系稳定。另外,它们对涂料的流变性能有明显的影响,是十分有效的表面助剂。
为了使漆膜光泽高,颜色均匀稳定,不产生浮色、发花现象,经研磨后的颜料,必须以一种稳定的分散状态存在,因此要加入润湿分散剂。通常熟知的稳定机理有两类:电荷排斥作用和位阻效应。在水性工业涂料体系中,溶剂分子较少,电荷排斥作用在稳定机理中占主导地位;此时没有助剂与树脂分子间的相互影响,因此,不存在明显的空间位阻,所以,这类体系中稳定性主要依赖于电荷间的斥力。聚合物电解质(如聚丙烯酸盐和聚磷酸盐类)用作这类体系的分散剂已有很长时间,它们赋予颜料粒子表面很强的电荷。在溶剂型涂料中,位阻效应在稳定机理中占有主导地位,此时颜料的表面不可能带有强的电荷,因此,只有位阻效应可能使其稳定。这一稳定机理对水性涂料也十分重要, 同样适用于水稀释性涂料以及混合体系。这类助剂必须满足的条件之一就是其聚合物链必须与水性树脂液有较好的相容性。在溶剂型体系中已被成功应用的关于聚合型润湿分散剂的理论,也同样适用于水性工业涂料。将这类高聚物进行改性,使其能与水溶性树脂体系相混溶, 相应地亦可获得很强的位阻效应。通过加入这些助剂,可以长时间防止无机颜料及有机颜料的絮凝,且能控制颜料的流动性,确保发生浮色、发花现象,从而制得高质量的水性工业涂料。这类高聚物结构的特殊性, 决定了此类助剂不会对漆膜的耐候性和耐水性造成负面影响。
Efka-71为羧酸类烷醇铵盐,是适用于水性工业涂料的阴离子型润湿分散剂,可以有效减少浮色和颜料的沉降问题。在分散前投入研磨料内。添加量为:无机颜料的0.5%~2.0%,有机颜料的2.5%~5.0%。
BYK-182为带亲颜料基团的高分子量嵌段共聚物的溶液,作为水性工业涂料的润湿分散助剂,可以有效地防止颜料絮凝,增进颜料的润湿,提高涂膜光泽,降低浮色和发花倾向,降低研磨料的粘度,改进体系的贮存稳定性。在搅拌下慢慢加到研磨树脂、助溶剂的混合物或对剪切力稳定的树脂乳液中,添加量随颜料的不同而异。
BYK-346是聚醚改性的二甲基聚硅氧烷溶液,在水性工业涂料中,可以有效降低表面张力而获得优良的底材润湿效果。在调漆后加入,添加量为0.1%~1.0%。当含有占配方总量3%~7%的助溶剂时,
可获得最佳润湿效果,且在pH4~10的体系中具有优良的长期稳定性。
6、展 望
目前,由于新树脂及改性树脂的不断出现,水性工业涂料也在不断地变化。为了获得高质量、性能优良的符合世界发展方向的涂料,就要求我们在配方中使用的原料和助剂应符合环保要求。毫无疑问,水性工业涂料助剂有助于扩大符合环保要求的水性工业涂料的市场份额。另外,除了上述讨论的水性工业涂料助剂之外,水性涂料用流变控制剂和助溶剂也有着不可忽视的作用。
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