有机助剂与涂料技术.doc

有机助剂与涂料技术(一)(发布日期：2004-8-24) 浏览人数：548典型的涂装材料(我们通常定义为“涂料”)含有四种成分： 1成膜树脂(然后形成涂料的母体相)；2.一种或多种颜料，赋予涂层遮盖力和颜色(有时也有体质颜料和填料来增强机械及隔离性质)；3.载体成分把所有成分结合在一起，并给予流动性(指有机溶剂、水或粉末涂料中的空气)；4功能助剂。功能助剂(或简称“助剂”)指涂料配方中的一类专门成分的总称，含量相对很少，但具有下列功能：强化并控制生产油漆和涂料的工艺过程(如颜料研磨、树脂在水中的乳化作用、油漆与基材间的相互作用等)；增强各种涂膜特性(附着性、耐划痕性、防水性等)，因而也就增强了涂膜性能；稳定液体涂料(防止沉降、分离、生物降解等)、涂料使用时(以免形成涂层缺陷、闪蚀 腐蚀等)和涂层(防止受太阳光、紫外线辐射和热的破坏等).在某些情况下，助剂可用于排除故障。有时会发生这样的事况：工厂中或发送到客户手上的某一种现成的油漆偏离了正常条件或在储存或在涂覆中出现问题，或者该油漆不能形成具有所需要性能的涂膜，或者客户想要非正常使用该油漆(如涂覆不规则基材或改变干燥条件等).这时，可向涂料中搅拌进一种适当的助剂，以便改善原始涂料的性能(如为了提高涂膜附着力，或消除涂覆过程中出现的涂膜缺陷，或为了控制pH值等).商用助剂在油漆和涂料中可起30多种的不同功能。今天，任何优质油漆的配方都包含有几种类型的助剂(从2-5种，有时更多)，用量占可达10(一般，常规溶剂型油漆中占1-3，水性乳胶漆中占5-8)，而价值却可高达30.助剂在所有类型涂料中都需要：高固性涂料、任何分散型涂料(尤其它们存在于乳胶漆配方中)、粉末涂料、空气干燥和UV光固化涂料、许多特种涂料等.当然，各种不同类型涂料的配方包含有不同类型和不同组合的助剂(表1).表1：常用类型助剂（占总配方中固体分重量%）消泡剂（在乳胶漆中）0.1-0.2流变控制剂0.5-1.0分散剂0.3-0.5乳化剂1.0-3.0润湿剂0.2-0.3抗缩孔剂0.02-0.05成膜助剂（在乳胶漆中）2.0-4.0表面调理剂（蜡）1.0-3.0紫外光稳定剂0.3-1.0目前，美国油漆市场使用约3.5亿磅的各种助剂，价值约在8亿美元。助剂表现出的各种不同的功能大多数商业化助剂可按不同方式分类：按照化学本质、按照分子量大小(小分子量或聚合物类)、按照使用助剂的涂料类型(例如：粉末涂料用助剂、环氧涂料用助剂、卷材涂料用助剂等)，但目前常用的分类方法是依据它们在涂料配方及涂装工艺中的功能来划分的。按照这种方法，所有类型的涂料助剂都可分成两大功能类别：工艺过程助剂控制涂料生产、储存、涂覆到基材和成膜过程：强化(润湿剂、分散剂、干燥剂和催化剂等)；控制(流变改性剂、传导控制、成膜助剂等)：保护(消泡剂、抗起皮剂、罐内防腐剂、腐蚀抑制剂等)；稳定(抗沉降剂、UV光稳定剂、中和剂、在聚氨酯涂料中的潮湿控制剂等)。表面调理剂(增强涂层性能)；附着力促进剂(增强并稳定附着耐久性)；表面改性剂(消光剂、防粘剂、防水剂等)：稳定助剂(热稳定剂、UV光稳定剂、腐蚀抑制剂等)。而某些类型的助剂还包括许多分类别。例如，不同分类别的表面调理剂的作用是产生不同的涂膜特性，尤其是：防滑控制助剂(防表面低摩擦)；耐划痕改进剂；耐磨损增强剂；耐擦伤、耐金属刻划；抗结块特性；表面导电性(防尘)；表面外观改性剂(软感、浮雕助剂)等。一般地，每种助剂等级在某一单独类型的涂料中是有效的，有时仅在一种涂料中是有效的。尤其，不同等级但却发挥相同功能的的助剂被推荐用于水性和溶剂性油漆、高固性涂料和粉末涂料中(如流变控制助剂、分散剂、稳定剂等)。因此，商业化助剂的供应商宁愿按照应用领域对他们的产品系列进行分类，例如：汽车涂料用助剂、卷材涂料用助剂、工业涂料用助剂等。大多数功能类助剂都包含有几种等级，每种等级基于不同的(有时是变化很大的)化学组成。例如，以下化学组成被用于表面调理剂：硅树脂、蜡(天然和人工蜡聚乙烯、石蜡、酰胺蜡)、金属皂和金属有机化合物、季铵盐。表2：构成美国涂料市场的主要助剂系列（依据销售额）流变控制剂25%UV稳定剂（光稳定剂）15%分散剂11%生物杀伤物10%润湿剂8%有机助剂与涂料技术(二)(发布日期：2004-8-24) 浏览人数：300涂膜性能助剂 控制在使用中的涂膜性质：不同类型的杀生物剂(所说的罐内防腐剂)被用于湿涂料中和还用于保护干膜防止受生物侵蚀。什么时候需要找正确的助剂?种类繁多的不同功能、化学性质及等级的助剂，为助剂的选择提供了广阔的可能性，尤其在：1.研制新配方时；2试图寻找一种更有效、更便宜的替代物时：3.排除故障(出现技术问题)时。涂料组成的多样性、涂料多组分的特点、以及助剂与其它组分的具体的相互作用(可阻碍助剂的效率或破坏组分)的可能性,都要求任何新的潜在助剂要在完整的涂料配方中进行正确地测试。对助剂的总体要求市场上有种类繁多的助剂，而且一般推荐助剂等级可在相同功能的组别里互换使用。因此，为了给每一个具体的任务选择最合适的助剂等级，涂料配方设计师必须考虑到助剂的以下几个方面：技术和成本效率(在最小的用量下取得最大的技术效果)；在油漆和涂料中的稳定性，作用的持续性；可接受的生态和毒性特性(对于杀生物剂、成膜剂和几种其它类别的助剂，这个要求尤其重要)；没有或最小的副作用(可损害油漆的稳定性或涂膜性能).此外，在为某一项工作选择最佳助剂等级的同时，涂料配方设计师还可获得额外的优点：对其它性质的有利影响，或协同作用的正面影响；多功能性；使用方便(把助剂加入到油漆配方中的工艺简单).助剂能控制整个工艺过程的所有工序，还能控制涂料的特性、湿涂覆和使用中的涂膜性能。在涂装技术的整个路径(包括几种工艺过程和材料类型)上，助剂都是起作用的。表3给出了该技术路径的示意图，并以几种类型的助剂为例，说明对工艺过程的强化以及对材料特性的稳定和加强。表3：涂装技术路径和涉及的各种助剂材料工艺有用的助剂（举例）原材料合成乳化剂、引发剂、催化剂等半成品涂料生产分散剂、消泡剂、流变控制剂等涂料-A（工厂已配好的）涂料储存和涂覆前准备抗沉降剂、偶联剂、抗结皮剂、生物防腐剂等涂料-B（涂覆时现配的）涂覆基材润湿剂、消泡剂、表面流动控制剂、增稠剂等湿涂覆涂膜形成干燥剂/催化剂、溶剂蒸发控制剂、交联剂、成膜助剂等涂膜使用附着力促进剂、UV光吸收剂/稳定剂、抗结块剂、防水剂、防滑、防划痕、防擦伤、杀生物剂等许多种有效的助剂归功于在界面上的吸收我们还可以按照助剂在涂装中起作用的位置对它们进行分类：在界面上或接近界面处发挥功能的助剂(控制分散稳定性和表面特性)即所谓的吸收性助剂；在油漆和涂料本体上发挥作用的助剂(控制体积涂层结构和相关的特性)即所谓的非吸收性助剂；对于选择类型的助剂，表4给出在液体油漆(包括乳胶漆)、湿涂覆和使用中的涂膜中的作用点。显然，为了在任何界面上都有效，助剂必须拥有足够的能力被吸收(或浓缩)到该界面上。表4：涂料助剂-作用点A涂料相或界面助剂类型涂料/空气（界面）泡沫控制、抗结皮剂聚合物/介质（界面）乳化剂颜料/介质（界面）颜料润湿剂、分散剂、树脂稳定剂聚合物相成膜助剂（在乳胶漆中）介质相流变改性剂、抗沉降剂、罐内防腐剂（杀生物剂）偶联剂（助溶剂）、水质调节剂（软化剂）、缓冲剂（PH值稳定剂）、脱臭剂个质/容器（界面）罐内腐蚀抑制剂B.涂覆（在基材上涂覆）相或界面助剂类型涂膜/空气（界面）消泡剂、表面变形控制剂（抗缩孔、贝纳尔德旋流窝）、表面流动促进剂（流平）介质/颜料（界面）颜料稳定剂（抗发花/浮色）介质/基材（界面）基材润湿剂、闪蚀抑制剂介质干燥剂、催化剂、表面流动（成膜助剂、可操作时间控制剂）C干涂层相或界面助剂类型涂膜/空气（界面）表面调理剂（防滑控制、抗划痕/擦伤、抗结块）增光剂、消光剂、防水剂、抗静电剂涂膜/基材（界面）附着力促进剂、腐蚀抑制剂聚合物母体热稳定剂、干膜杀生物剂、UV光吸收剂/稳定剂、交联剂。例如，吸收性助剂是分散剂、基材润湿剂、泡沫控制助剂、附着力促进剂的情况。非吸收性助剂是流变控制助剂、成膜助剂、杀生物剂、UV光稳定剂的情况。一般地，吸收性助剂在用量相对较低(占整个配方的0.05-1.0%)的情况下作用效率高，而非吸收性助剂一般用量较高(1.0-5.0%)时作用效率高。有机助剂与涂料技术(三)(发布日期：2004-8-24) 浏览人数：324每种类型的涂料利用 专门系列的助剂事实上，每种类型的涂料根据其被指定的技术功能,利用专门系列的功能性助剂。装饰性涂料需要助剂主要是为了保证颜料正确的分散(相关的助剂是分散剂)和颜色的形成(颜料颗粒用胶体稳定剂)、高光或受控的消光(增光剂或消光剂)、良好的流平性/流挂平衡即具有足够的涂膜厚度和光滑性而不产生流挂(流变控制助剂增稠或/和触变剂、表面流动-流平剂)、耐气候性(UV光吸收剂和稳定剂、水性乳胶漆用生物防腐剂)等。 工业涂料通常需要增强各种不同的使用性能：附着耐久性(附着力促进剂)、耐划痕、耐擦伤性(表面调理剂)等。另一方面不同类型的涂料利用专用的不同系列的助剂还出于以下原因：1.避免可能的相互作用，阻碍它们的效率；2.不同类型的涂料具有不同的技术“缺陷”。因此，为环氧涂料、粉末涂料、乳胶漆、印刷油墨等推荐了专门系列的助剂。商业上可得到的所有助剂可被想象成一个正确分等的组织结构，涂料配方设计师或技术专家可从这个结构中提取助剂执行所需要的功能，在相关功能的一组助剂中选择最有效和可靠的，助剂供应商提供用量、预期效率及可能的副作用方面的指导。优质涂料的配方需要使用几种类型的助剂尤其,优质水性涂料的配方需要使用多种类型的助剂。大多数助剂的目的是：1补偿水性基料树脂的过度亲水性；2与有机溶剂相比，克服水作为载体成分的缺陷。例如乳胶漆的配方含有以下几种助剂：颜料润湿剂(为了使颜料在水中有效的分散)或分散剂(用于研磨过程)-0.2-0.6%(重量百分比)；泡沫控制剂(脱气剂+消泡剂)-0.3-0.5%：流变控制助剂(另一个名称是流变改性剂)-1.0-3.0%；罐内防腐剂(杀生物剂)-0.2-0.5%；腐蚀抑制剂(防止金属容器的腐蚀以及湿涂覆时的闪蚀)-0.5%；性能流体剂(咸膜助剂、可操作时间控制剂、流动控制剂)-小于等于5.0%；pH值控制剂(中和剂)-0.1-0.3；水软化剂(多磷酸盐)-0.05-0.2；有时还有干膜保护杀生物剂-小于等于2.0%特殊性质存在副作用的可能性要求对助剂进行初步测试许多系列的涂料助剂，甚至在同一功能系列内的某些等级的助剂都具有特殊的性质，值得特殊关注。在现代涂料的多组分系统中是否存在副作用的可能性几乎是无法预测的，这就要求每一种新助剂在预期的涂覆(干燥/固化)中及在涂膜使用条件下、在完整的涂料配方中进行初步测试。典型的例子将给出使用涂料助剂所产生的特殊性状及副作用。吸收性和表面作用正如前面提到的，许多类型的助剂的工作原理是被吸收到指定的界面上，该界面需要它们分子的功能(消泡剂、乳化剂、分散剂、基材润湿剂等).因此，许多类型的助剂都表现出表面活性，有时极大地降低了涂料的表面张力(可提高基材润湿性并渗入到基材孔隙，消除涂膜缺陷等).另一方面，助剂浓缩在一个非指定界面上可造成不利影响。例如，使用过量的硅树脂基抗缩孔剂可破坏层间的附着性。有机助剂与涂料技术(四)(发布日期：2004-8-24) 浏览人数：327化学作用 有几种类型的助剂的功能是与其化学、电化学、光化学、生物化学等作用相关的。在商业性使用这些类型的助剂前，必须认真地结合配方进行测试，以确保不出现副作用(如对涂料储存稳定性、粘性、干燥时间、附着力耐久性等的不利影响).紊凝/凝结影响对于某些助剂，尤其是吸收类型的，对乳胶漆的分散稳定性或常规溶剂型涂料的颜色形成产生不利影响，这些情况是可能存在的。可混合性不够(与基料树脂部分兼容)可混合性不充足的助剂倾向于从涂膜迁移到界面上，从而降低了它们的性能效率，而且还常常影响表面性能(光泽、附着力等)。助剂添加到涂料的方式的影响(次序影响、动力学影响)在用于液体涂料的几种助剂中，其效率取决于它们被加入到涂料中所用的方式。首先，这与粉状的助剂有关(消光剂、石蜡和某些流变控制剂)。有时，把助剂与其它(液体)涂料成分预混合是最好的方式，能保证它们作用的效率和持久性。因此，最先进的公司供应这些类型的助剂时都是以工厂预混的形式供货的(分散在水性或有机介质中)。正面的副作用涂料配方设计师对涂料助剂性质和性状方面的知识掌握的越多，他就越能找到一些助剂等级，不仅适合于执行指定的任务,而且还能执行附加的一个(或几个)任务或者与涂料成分结合表现出协同作用。聪明的供应商开发新等级助剂的方式，允许他们把几种功能结合到一种助剂中。目前，在市场上有专用的多功能助剂。仅举几个典型的例子：根据BYK Chemie 公司，基于聚醚改性的聚硅氧烷共聚物的助剂，用于工业涂料，起消泡剂的作用，同时改善流平性和表面滑动性；ANGUS公司的低分子