涂料的流动与流平

涂料的流动与流平（绝对经典）2017-01-17 骏能化工一、前言涂膜的流平是涂料表观性能的体现，实际上流平性好坏涉及到涂料的许多方面，例如粘度、涂料的流变性、原材料匹配性、颜料分散工艺的设计、助剂的选择及应用技术、涂装工艺及涂装环境等诸方面因素。可以说涉及到涂料生产及涂装的全过程，绝非单独依靠流平剂所能控制的。以实际工作经验为基础，拟对涂料的流动与流平及其与流平剂的关系作如下介绍：流平剂在涂料的流动与流平中所发挥的作用。流平剂种类不同作用机理和发挥的效果亦不同，即使流平剂的种类相同结构不同，使用效果亦不同。所以应用流平剂时要根据涂料需要克服的问题和助剂的结构类别进行选择。应用时要注意流平剂与其他助剂的匹配性及其负面作用和克服对策。掌握了流平剂的应用对提高涂料产品质量水平会有一定帮助的，另外对流平剂的开发也是有益的。二、影响涂料流动与流平的因素涂料流动成膜的力是外加的剪切力。即外力作用于涂料使其铺展成膜。流平的动力是表面张力即涂料自身收缩的力，这是在外力消失后，使涂膜表面达到光滑平整状态的主要作用力。由此可以得出这样的结论：流动与流平两个定义之间没有什么太大的区别，涂料要达到光滑平整的表面需要具有良好的流动与流平特性。2.1涂料流体性质对流动与流平的影响不管是流动还是流平都是涂料的运动形式，都要受到涂料粘度的影响。涂料流体性质不同，粘度与剪切速率呈现出不同的关系，所以对流动和流平的影响程度也不一样。如何利用涂料这一属性即达能到流动与流平的目的，又能克服涂料某些弊病是我们技术人员所追求的目标。涂料大约有五种流体类型：牛顿流体、塑性流体、假塑性流体、膨涨流体、触变流体。假塑性流体和触变流体是涂料最常用的两种流体结构。它们对防沉、防浮色发花、防流挂、防止立面涂装时的波纹都是相当有益的。但对流平和光泽会造成一定影响。只要注意选择触变剂，合适地调节流挂极限膜厚度，仍有可能达到理想的涂膜流平效果。由式1中可以看出极限膜厚度与屈伏值成正比，只要改变屈伏值就可以调整涂膜厚度。也就是说选择触变剂类别及用量是达到流平与防流挂的关键。可以采用流挂实验刮涂器进行实验。也可以采用贴条称重法进行实验。实验证实流平剂特别是有机硅类流平剂对防流挂有一定帮助。2.2 涂膜表面形态对流平的影响构成涂膜形态不规整有两种原因，一是由涂装工具产生的痕跡，如刷痕取决于鬃毛刷的类型，刷痕的深浅不一。滚痕取决于滚涂机和绕线棒，滚涂或刮涂产生的凹凸的状态不等。涂膜的不规整度越大流平越困难。二是基材形状造成的，基材表面是粗糙的要得到光滑平整的涂膜是比较困难的。找平的方法是刮胒子和厚涂底漆。遇到上述情况造成的表面流平问题，最好的办法是保持涂料的高表面张力，增强基材润湿铺展能力，保持涂膜最佳极限厚度，采用良溶剂稀释树脂，并控制其挥发速度及平衡。可参考公式2。从2式中不难看出涂料的表面张力高和涂膜厚度大对缩短流平时间是有利的。所以在这种涂料中最好不要选择强降低表面张力的流平剂。要选择基材润湿剂和不降低戓少降低表面张力的流平剂配合使用。例如Tego的Tego Wet 260加Tego Flow 300。2.3 涂膜干燥时间对流平的影响涂料的流动与流平受粘度影响，粘度受溶剂影响。控制溶剂挥发速度，使涂料保持低粘度液态时间越长越有利于涂膜的流平，也就是说通过控制溶剂的挥发速度可获得适宜的流平性。对涂料而言，溶剂的溶解参数不同，溶解力亦不同。溶解力强的，涂料固含量高，粘度低，流平性好，涂膜丰滿度高。混合溶剂的溶解参数一定要与树脂匹配。混合溶剂多数是由真溶剂、稀释剂和助溶剂组成，在溶剂挥发时一定要控制挥发平衡，溶剂挥发到最后，真溶剂要占相对大的比例。这样可以保证涂膜在干燥过程中粘度不会发生突变，处于平衡增长的状态。对涂料的流动与流平是有一定控制作用的。2.4 基材润湿对涂膜流平的影响取一滴水，滴到不同的底材上，其铺展情况大不相同。有的成球状接触角很小（如PP或PE塑料模），有的虽不铺展但接触角却较大（如在玻璃板上）。取一块相同的基材例如涂过油漆的马口铁板，滴上不同的物质。水不铺展；200溶剂油铺展；加添了Tego Wet KL245基材润湿剂的水，不但铺展而且速度快面积大。究其原因，滴加的流体的表面张力不同，与底材的表面定向排布状况不同，能在界面定向排布的，能降低界面张力的，就能产生铺展润湿。涂膜的流平不单纯取决于表面张力，涂膜铺展润湿的能力对涂膜流平也是相当重要的。铺展润湿取决于液/固界面张力。这种关系可用润湿功来解释：固体的表面能为E1，涂布后为E2涂布前后的表面能差为E。它就是展布系数，用（S）表示。表面能可用表面张力表示即：WS是展布系数，又称之为铺展功。只有正值时液体才能在基材上铺展润湿。当WS =0时，rL=（rS-rSL），此时应该是液体的表面张力比基材表面张力大，液体不展布或回缩。当 WS （rs-rSL），液体的表面张力大于固体的表面张力，液体涂布在固体的表面上增加了固体的表面能为了顺应能量趋向最小的规律，即使施加外力使液体铺展开，但最终也必然要回缩的。当 WS0时，rL（rS-rsL），这里的关键是固/液界面张力小于固体的表面张力，这是铺展润湿的第一个条件。另外固体表面张力与固/液界面张力之差大于液体的表面张力，那末液体表面张力就一定小于固体的表面张力，这是铺展润湿的第二个条件。这两个条件决定了液体必定会在固体上展布润湿。增强了涂料的流动与流平性。展布润湿能帮助于流平，流平的前提是涂料的表面张力必须低於基材的表面张力。如此还不够，必须添加基材润湿剂使其在固/液界面定向排布，能否在固/液界面定向是基材润湿剂能否降低固/液界面张力的关键。也是基材润湿剂好坏的标志。通过上面的论述可以得出这样的结论：作用于涂料流动和流平绝非是一种单一的因素，是几种力同时发挥作用，所以我们应称其为合力。影响涂料流动与流平的因素有以下几种：这些作用力除剪切应力是凃装时由涂装设备决定的外加动力外，其他的力在配方设定时就基本固定了，受条件影响会有些变化，但变化不大。比如粘度和表面张力，施工时加添溶剂兑稀会有所变化，但差距不会太大。粘度低有助流动，但对防流挂不利（流平与流挂是矛盾的）。表面张力高有助于流平，但对润湿不利（流平与润湿是矛盾的）；表面张力高可以促进流动和流平，但不刊于表面控制易出现表面缺欠。兑稀粘度会产生变化，这对流体的性质特别是假塑性流体和触变流体会有影响。解决矛盾是提高涂料质量的方法之一，最捷径的途径是使用添加剂，特别是基材润湿剂和流平剂。三、基材润湿剂涂膜流动与流平涉及到涂膜的表面及底面（与基材接触的界面），一般人们比较重视表面特性而忽略了底面，实际就流动与流平而言底面控制是非常重要的。控制底面最好的助剂就是基材润湿剂。3.1 基材润湿剂的作用机理有人认为只要降低涂料的表面张力低，涂料对基材就会有良好的润湿铺展性，这种观点不对。烷基壬基酚乙氧基醚类表面活性剂可将水的表面张力降到35mN/m；一种非离子有机氟表面活性剂可将水的表面张力降到l7mN/m。取两种相同量的水溶液滴到聚酯膜片，烷基壬基酚乙氧基醚的水溶液产生了铺展润湿，但氟助剂的水溶液成球状体，接触角很小不展布。究其原因，基材润湿剂必须能够在基材界面处定向排布。因此要求分子必须具备两亲结构，有亲油基和疏油基。这样在涂料中才会形成亲溶媒的一端朝向涂料，疏油的一端朝向固体界面，定向排布形成界面层。基材润湿剂必须是低表面活性物，在固/液界面处定向排布后降低固/液界面张力。由于基材润湿剂在固/液界面处的吸附，使涂料表面能低于基材的表面能这样就会产生润湿铺展，提高了涂膜的流动和流平性能。3.2 基材润湿剂的种类3-2-1传统型的表面活性剂这类助剂有很多。最有代表性的就是非离子型的烷基乙氧基的化合物。例如OP-4OP-40，后面的数字表视环氧乙烷的含量。使用时要参考其HLB值。这类助剂品种多，应用范围广泛。在洗涤剂工业、纺织印染工业、织物整理工业、造纸工业等方面均有应用。多数作润湿剂和乳化剂使用。3.2.2聚醚改性的聚硅氧烷这类产品Tego具有独特性，品种多性能全，应用领域广泛，效果极好。它是以硅氧烷为中间段，在端基分别用亲水和亲油的聚醚改性，这样使分子即具有较强的降低表面张力的特性，又具有两亲结构，极易在界面处定向排布，形成降低固/液界面张力的特性。Tego Wet KL245、Tego Wet 260、Tego Wet270、Tego Wet 280、Tego Twin 4000、Tego Twin 4100都是极具代表特性的基材润湿剂。有效份都是100%、都可以水油两用。Tego Wet KL245特别适合水性涂料及油墨，铺展面积是烷基壬基酚乙氧基醚的8倍；Tego Wet 260比较适合溶剂涂料，性能与245类似；Tego Wet 270具有良好的防缩孔（基材原因）和孔隙渗透效果；Tego Wet 280具有良好的雾化性，喷出的涂膜均匀不会有透底的现象特别适用水性汽车漆；Tego Twin 4000除具良好的基材润湿效果外，还有很好的消泡性，可以用在厚浆涂料比如弹性拉毛墙漆；Tego Twin 4100润湿效果也很好，几乎不稳泡，即使搅拌时产生泡，也会很快就消失。另外喷涂水性漆时几乎看不到有暗泡产生。3.2.3非离子的有机氟化合物这类润湿剂市场产品不多。与具有碳氢链憎水基表面活性剂相同，按离子型态划分可分成阳离子型、阴离子型、非离子型和两性的表面活性剂。一般非离子型的有机氟化合物可作基材润湿剂使用。性能与有机硅化合物无太大区别。3.3基材润湿剂应用指南基材润湿剂类别不同、应用效果也不同。使用时要根据涂料种类，涂装材质，认真地选择基材润湿剂的类型、添加量及与其他助剂的匹配性。3.3.1 基材润湿剂与流平剂的区别基材润湿剂有促进流动与流平的作用，但不同于流平剂。它是在涂膜与基材的界面处发挥作用，降低固/液界面张力，不影响涂膜的层间附着力。而流平剂是在涂膜的表面处发挥作用，是消除表面缺欠控制表面状态的活性剂，有些品种虽有促进流动与流平作用，有些品种会影响层间附着力。3.3.2 基材润湿剂在低表面能材质上的应用在低表面能材质上涂装时，涂料中最好添加基材润湿剂。能提高涂料在基上的润湿铺展性，增强涂膜表面的光滑平整度。能防止因基材表面张力低造成的缩孔、缩边等不良现象。还能提高涂膜的附着力。在面漆，特别是水性涂料中，最好采取基材润湿剂配合流平剂使用，这样涂膜的上下两个面可以同时得到控制，即提高了涂膜的流平性又控制了涂膜的表面状态。3.3.3 基材润湿剂对颜料分散的作用基材润湿剂可当颜料润湿剂使用，能将低表面能的颜料分散在高表面能介质中，可以增强颜料润湿效率，缩短研磨时间。提高色浆浓度。对颜料的贮存稳定性也有一定的帮助。但颜料润湿分散剂作基材润湿剂使用就不一定有效。基材润湿和颜料润湿，两者即有相同之处又有不同之处：前者是展布功，后者是浸渍功。两者共同之处都是降低固/液界面张力。但作用条件和结果却不同，基材润湿与三个界面有关，是三种不同介质的界面，要求的效果是液体在固体上的铺展成膜；颜料分散润湿是浸渍润湿只与二个界面有关。是在同一溶媒中两种不同介质的界面之间的关系。最终要求颜料稳定地分散在溶媒中特别在水性体系中，颜料润湿分散剂一般不能作基材润湿剂，但基材润湿剂却可以作颜料润湿剂使用。例如前面介绍的Tego Wet Kl245、Tego Wet 260等都可以作颜料润湿剂使用，降粘效果非常好，提高分散效率特别明显。四、流平剂流平剂是人们经常使用为人所熟悉的一种界面活性剂。之所以称其为界面活性剂，不是因其结构，而是因其在界面处发挥作用而得名的。它与树脂溶媒相容受限，被排挤至气/液界面处，发挥了表面活性作用。使涂料的表面张力处于平衡状态，克服了因表面张力差而造成的表面缺陷。4-1 流平剂在涂料中的作用涂料性能有许多缺陷和不足之处，单纯使用树脂、颜料、溶剂是无法解决的，必须使用一些添加剂。流平剂是这些添加剂中不可缺少的一种。4-1-1防缩孔涂膜表面产生缩孔是常见的弊病。产生缩孔的原因是表面张力不平衡造成的。产生缩孔的物质，其表面张力一定比涂膜低，被称之为缩孔施体。涂膜的表面张力一定比缩孔施体高称其为缩孔受体。原因可以规纳以下几种：几种树脂混拼时，当溶剂配合适宜时可以相溶甚至能形成透明的涂膜。但当溶剂配合不当时，在溶剂挥发过程中有的树脂会析出，产生胶粒变成缩孔施体。外界物体污染，空气中低表能的飘浮物，烘道中的硅胶粒子等落到涂膜表面上。涂料中混含有低表面能的物质如不溶性油、硅油、胶粒等材质。基材表面张力不平衡，有个别地方被低表面能的物质污染或者基材的表面能过低。在含未经润湿分散剂处理的颜料或亚光粉的涂料中，添加基材润湿剂，这时基材润湿剂会吸附到裸露的粒子表面，就会形成缩孔施体。在水性亚光漆中经常发生此种弊病。克服缩孔的最好办法是使用基材润湿剂配合有机硅类表面状态控制剂。有些底漆不必或不能使用流平剂，单独使用基材润湿剂就可以达到防缩孔的目的。例如Tego Glide 410、Tego Glide 432、Tego Flow ATF2再配合上面已介绍的基材润湿剂。4-1-2防桔皮、防止颜色发花、防止消光漏光及发花产生这些弊病的根本原因，是因溶剂挥发涂膜表层和下层的表面张力不平衡，下层低，上层高。另外表层的密度大于下层。下层富含溶剂的涂料以靠表面张力将其推向表面，而重力又导致表层涂料向下沉，这便产生了下沉、扩展、上升的涡流运动。结果会形成不规则的边缘相接的六角形网格。称其为“贝纳尔”涡流。网格中心新上来富含溶剂的涂料表面张力低，推其向边缘运动，在此堆积形成小丘状，这便是桔皮。这种运动也会导致颜色和颜料含量不同。这便是造成色漆发花，亚光漆亚粉排布不均匀造成漏光和消光发花的主要原因。Marangoni运动是产生这些弊病主要根源，只要降低涂膜的表面张力，那么下层的涂料就不能被推到表面，就产生不了上述的弊病。所以添加能控制表面状态的，可以降低表面张力的，有机硅类流平剂是最好的方法。例如Tego的Tego Gl