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技術分享:水性涂料的結合力形成因素


隨著水性樹脂技術的進步,水性涂料技術被越來越多的行業認可并且應用。在倡導環保的同時,水性涂料其特殊的親水結構亦可能導致涂層的提前失效。我們通常把失效原因歸結于樹脂性能缺陷,而忽略了水性涂料與施工基材之間的結合力。


結合力的好壞可以理解為涂料與基材是否建立了良好的連接關系,實驗人員通過各種方法去獲得涂料與基材之間的連接,但是在涂料未完全潤濕基材形成固液界面前,討論機械錨固,范德華力或者化學鍵等結合力因素都會變得不切實際。因此“潤濕鋪展”成為了產生結合力的前提因素。


在日常應用中,普遍認為相對粗糙的基材更有利于結合力的生成。理論上粗糙基材孔隙密布的表面相比平面基材擁有更大的外表面積,當基材被涂料潤濕,空氣被排除后,兩者產生更大的接觸面積,從而獲得結合力。但是對于水性涂料來說,其40-50dyn/cm的表面張力高于大部分基材,應用中往往會因為無法潤濕而減少了水性涂料與基材的接觸面積,導致結合力的流失。例如圖一顯示,形成液固界面有利于結合力的生成。  


圖一:水性涂料應用于多孔基材的實際形態和理想形態


水性涂料與基材接觸,其氣-固界面SG和氣-液界面SL被液-固界面SG取代,涂料和基材開始建立部分的聯接關系,當這一個現象快速擴散到一定程度時,涂層進入干燥固化階段,最后完成機械錨固或者是化學反應。接觸角的形成與基材和涂層的表面張力相關,角度大小直接關系到水性涂料對基材的潤濕鋪展程度,當接觸角θ>90時,被認為不產生潤濕,而接觸角θ<90時,涂料可以快速鋪展并且滲透孔隙。


理想的液固界面形成后,涂料與基材的接觸面積增加對于生成結合力必然具有促進作用。但是由于曲面壓差(圖二),完全潤濕僅可能在大孔徑孔隙中達成,而對于孔徑細小的孔隙,潤濕過程則變得相當緩慢,并且往往在固化前無法完成潤濕。當微小孔隙足夠密集時,未潤濕的基材表面與涂料之間形成一層微米級的空氣膜,空氣膜的存在阻礙了涂料與基材間的結合。為了解決這一問題,往往需要更大程度地改變基材的表面性質或者從水性涂料方面尋求解決方案,以達到快速潤濕鋪展。從圖三可以看出,潤濕程度與毛細管孔徑相關。


圖二:曲面壓差的形成



圖二:曲面壓差的形成


目前在水性涂料方面可以通過很多方法來解決潤濕問題。從乳液聚合就開始加入的表面活性劑,到成品配方的助溶劑,無疑都對水性涂料的表面張力產生了一定程度影響。但是對于毛細導管或者低表面張力基材來說,最為有效的方式是通過在水性涂料配方中加入基材潤濕劑,促使水性涂料達到理想的潤濕鋪展,以便于結合力生成。此方法由于添加使用便捷,顯著改善潤濕鋪展能力而被廣泛應用。


圖三:30dyn/cm水性涂層對不同孔徑基材的潤濕結果



聚硅氧烷基材潤濕劑(圖四)是基于含氫聚硅氧烷和烯丙基聚醚合成的小分子改性聚硅氧烷。聚硅氧烷擁有低于大部分基材的表面張力和疏水性,在聚硅氧烷中引入聚醚鏈節可以有效增強聚硅氧烷的水溶性,并且帶來高表面活性。水性涂料應用過程中基材潤濕劑傾向于在氣液界面形成定向吸附的單子膜,從而有效的降低水性涂料的表面張力,提升潤濕鋪展效率。特別是近年水性涂料工藝傾向于薄涂多層,涂層的施工時間周期較短的情況下,涂料的快速潤濕鋪展變得尤其重要。  


圖四:聚硅氧烷基材潤濕劑的化學結構

實驗結果表明聚硅氧烷基材潤濕劑的加入可以有效增進水性涂料對基材的潤濕(圖五)和鋪展能力(圖六)。從木材的微細導管滲透情況(圖七)可以說明,基材潤濕劑的加入可以幫助水性涂料對細微孔徑基材進行良好的潤濕滲透。當基材表面大部分孔隙中的空氣被液體所取代后,涂層對外部水汽起到屏蔽作用,并和內部孔隙形成機械錨固或者物理纏繞。在部分涂料體系中樹脂可以與基材表面的活性基團產生反應而進一步提升涂層和基材的結合力。此結論在金屬耐鹽霧測試結果中(圖八)可以獲得證明。


圖五:0.3%的SiFast?系列基材潤濕劑可以明顯降低水性涂料的接觸角



但是在實際的應用中,水性涂料的表面張力并非越低越好,而是需要根據基材的性質去選擇一個最佳的添加使用方案。這樣可以促使涂料有效地潤濕基材達到良好結合的同時,防止基材潤濕劑使用不當帶來的風險。


圖六:0.1-0.3%SiFast?系列基材潤濕劑水溶液的鋪展效果



文中所提及的聚硅氧烷潤濕劑應用實驗數據均來源于標美自主研發生產的SiFast?系列水性基材潤濕劑產品。SiFast?系列水性基材潤濕劑的作用不僅僅局限于基材,其對于各種材料都可以起到表面潤濕的作用。例如對于各種結構的顏填料的潤濕分散、對粉塵殘留導致的凹點缺陷潤濕覆蓋、水性體系中不相容物質的助溶。  


圖七:丙烯酸乳液對于多孔基材的潤濕帶來良好的屏蔽作用

圖八:良好的潤濕對抗鹽霧性能具有增強作用


結語


在全球環保革命的大環境下,相較成熟的油性涂料水性涂料顯得更加具有潛力,配套開發具有特殊功能的助劑產品成為趨勢?;诓牧峡茖W和有機化學研究開發出具有更高市場認可度的涂料和油墨助劑是標美所追求的目標。



關鍵詞:水性涂料 
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