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行業動態

水性塗料的結合力形成因素

文字:[大][中][小] 2018/1/29    瀏覽次數:36740    
隨著水性樹脂技術的進步,水性塗料技術被越來越多的行業認可並且應用。在倡導環保的同時,水性塗料其特殊的親水結構亦可能導致塗層的提前失效。AG网站通常把失效原因歸結於樹脂性能缺陷,而忽略了水性塗料與施工基材之間的結合力。
 
結合力的好壞可以理解為塗料與基材是否建立了良好的連接關係,實驗人員通過各種方法去獲得塗料與基材之間的連接,但是在塗料未完全潤濕基材形成固液界麵前,討論機械錨固,範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於結合力的生成。理論上粗糙基材孔隙密布的表麵相比平麵基材擁有更大的外表麵積,當基材被塗料潤濕,空氣被排除後,兩者產生更大的接觸麵積,從而獲得結合力。但是對於水性塗料來說,其40-50dyn/cm 的表麵張力高於大部分基材,應用中往往會因為無法潤濕而減少了水性塗料與基材的接觸麵積,導致結合力的流失。例如圖一顯示,形成液固界麵有利於結合力的生成。
 
水性塗料與基材接觸,其氣-固界麵SG和氣-液界麵SL 被液-固界麵SG取代,塗料和基材開始建立部分的聯接關係,當這一個現象快速擴散到一定程度時,塗層進入幹燥固化階段,最後完成機械錨固或者是化學反應。接觸角的形成與基材和塗層的表麵張力相關,角度大小直接關係到水性塗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,塗料可以快速鋪展並且滲透孔隙。
 
理想的液固界麵形成後,塗料與基材的接觸麵積增加對於生成結合力必然具有促進作用。但是由於曲麵壓差(圖二),完全潤濕僅可能在大孔徑孔隙中達成,而對於孔徑細小的孔隙,潤濕過程則變得相當緩慢,並且往往在固化前無法完成潤濕。當微小孔隙足夠密集時,未潤濕的基材表麵與塗料之間形成一層微米級的空氣膜,空氣膜的存在阻礙了塗料與基材間的結合。為了解決這一問題,往往需要更大程度地改變基材的表麵性質或者從水性塗料方麵尋求解決方案,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。
 
目前在水性塗料方麵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麵活性劑,到成品配方的助溶劑,無疑都對水性塗料的表麵張力產生了一定程度影響。但是對於毛細導管或者低表麵張力基材來說,最為有效的方式是通過在水性塗料配方中加入基材潤濕劑,促使水性塗料達到理想的潤濕鋪展,以便於結合力生成。此方法由於添加使用便捷,顯著改善潤濕鋪展能力而被廣泛應用。
 
聚矽氧烷基材潤濕劑(圖四)是基於含氫聚矽氧烷和烯丙基聚醚合成的小分子改性聚矽氧烷。聚矽氧烷擁有低於大部分基材的表麵張力和疏水性,在聚矽氧烷中引入聚醚鏈節可以有效增強聚矽氧烷的水溶性,並且帶來高表麵活性。水性塗料應用過程中基材潤濕劑傾向於在氣液界麵形成定向吸附的單子膜,從而有效的降低水性塗料的表麵張力,提升潤濕鋪展效率。特別是近年水性塗料工藝傾向於薄塗多層,塗層的施工時間周期較短的情況下,塗料的快速潤濕鋪展變得尤其重要。
 
實驗結果表明聚矽氧烷基材潤濕劑的加入可以有效增進水性塗料對基材的潤濕(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塗料對細微孔徑基材進行良好的潤濕滲透。當基材表麵大部分孔隙中的空氣被液體所取代後,塗層對外部水汽起到屏蔽作用,並和內部孔隙形成機械錨固或者物理纏繞。在部分塗料體係中樹脂可以與基材表麵的活性基團產生反應而進一步提升塗層和基材的結合力。此結論在金屬耐鹽霧測試結果中(圖八)可以獲得證明。
 
但是在實際的應用中,水性塗料的表麵張力並非越低越好,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。這樣可以促使塗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。

文中所提及的聚矽氧烷潤濕劑應用實驗數據均來源於標美自主研發生產的SiFast®係列水性基材潤濕劑產品。SiFast®係列水性基材潤濕劑的作用不僅僅局限於基材,其對於各種材料都可以起到表麵潤濕的作用。例如對於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、水性體係中不相容物質的助溶。
 
結語
在全球環保革命的大環境下,相較成熟的油性塗料水性塗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。基於材料科學和有機化學研究開發出具有更高市場認可度的塗料和油墨助劑是標美所追求的目標。

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