技术分享:水性涂料的结合力形成因素

http://www.pf.hc360.com2016年03月03日08:18 来源:荣格涂料与油墨T|T

    慧聪表面处理网讯:随着水性树脂技术的进步,水性涂料技术被越来越多的行业认可并且应用。在倡导环保的同时,水性涂料其特殊的亲水结构亦可能导致涂层的提前失效。我们通常把失效原因归结于树脂性能缺陷,而忽略了水性涂料与施工基材之间的结合力。

    结合力的好坏可以理解为涂料与基材是否建立了良好的连接关系,实验人员通过各种方法去获得涂料与基材之间的连接,但是在涂料未完全润湿基材形成固液界面前,讨论机械锚固,范德华力或者化学键等结合力因素都会变得不切实际。因此“润湿铺展”成为了产生结合力的前提因素。

    在日常应用中,普遍认为相对粗糙的基材更有利于结合力的生成。理论上粗糙基材孔隙密布的表面相比平面基材拥有更大的外表面积,当基材被涂料润湿,空气被排除后,两者产生更大的接触面积,从而获得结合力。但是对于水性涂料来说,其40-50dyn/cm的表面张力高于大部分基材,应用中往往会因为无法润湿而减少了水性涂料与基材的接触面积,导致结合力的流失。例如图一显示,形成液固界面有利于结合力的生成。  

    图一:水性涂料应用于多孔基材的实际形态和理想形态

图一:水性涂料应用于多孔基材的实际形态和理想形态

图一:水性涂料应用于多孔基材的实际形态和理想形态

    水性涂料与基材接触,其气-固界面SG和气-液界面SL被液-固界面SG取代,涂料和基材开始建立部分的联接关系,当这一个现象快速扩散到一定程度时,涂层进入干燥固化阶段,最后完成机械锚固或者是化学反应。接触角的形成与基材和涂层的表面张力相关,角度大小直接关系到水性涂料对基材的润湿铺展程度,当接触角θ>90时,被认为不产生润湿,而接触角θ<90时,涂料可以快速铺展并且渗透孔隙。

    理想的液固界面形成后,涂料与基材的接触面积增加对于生成结合力必然具有促进作用。但是由于曲面压差(图二),完全润湿仅可能在大孔径孔隙中达成,而对于孔径细小的孔隙,润湿过程则变得相当缓慢,并且往往在固化前无法完成润湿。当微小孔隙足够密集时,未润湿的基材表面与涂料之间形成一层微米级的空气膜,空气膜的存在阻碍了涂料与基材间的结合。为了解决这一问题,往往需要更大程度地改变基材的表面性质或者从水性涂料方面寻求解决方案,以达到快速润湿铺展。从图三可以看出,润湿程度与毛细管孔径相关。

图二:曲面压差的形成

图二:曲面压差的形成

    目前在水性涂料方面可以通过很多方法来解决润湿问题。从乳液聚合就开始加入的表面活性剂,到成品配方的助溶剂,无疑都对水性涂料的表面张力产生了一定程度影响。但是对于毛细导管或者低表面张力基材来说,最为有效的方式是通过在水性涂料配方中加入基材润湿剂,促使水性涂料达到理想的润湿铺展,以便于结合力生成。此方法由于添加使用便捷,显著改善润湿铺展能力而被广泛应用。

图三:30dyn/cm水性涂层对不同孔径基材的润湿结果

图三:30dyn/cm水性涂层对不同孔径基材的润湿结果

    聚硅氧烷基材润湿剂(图四)是基于含氢聚硅氧烷和烯丙基聚醚合成的小分子改性聚硅氧烷。聚硅氧烷拥有低于大部分基材的表面张力和疏水性,在聚硅氧烷中引入聚醚链节可以有效增强聚硅氧烷的水溶性,并且带来高表面活性。水性涂料应用过程中基材润湿剂倾向于在气液界面形成定向吸附的单子膜,从而有效的降低水性涂料的表面张力,提升润湿铺展效率。特别是近年水性涂料工艺倾向于薄涂多层,涂层的施工时间周期较短的情况下,涂料的快速润湿铺展变得尤其重要。  

图四:聚硅氧烷基材润湿剂的化学结构

图四:聚硅氧烷基材润湿剂的化学结构

    实验结果表明聚硅氧烷基材润湿剂的加入可以有效增进水性涂料对基材的润湿(图五)和铺展能力(图六)。从木材的微细导管渗透情况(图七)可以说明,基材润湿剂的加入可以帮助水性涂料对细微孔径基材进行良好的润湿渗透。当基材表面大部分孔隙中的空气被液体所取代后,涂层对外部水汽起到屏蔽作用,并和内部孔隙形成机械锚固或者物理缠绕。在部分涂料体系中树脂可以与基材表面的活性基团产生反应而进一步提升涂层和基材的结合力。此结论在金属耐盐雾测试结果中(图八)可以获得证明。

图五:0.3%的SiFast®系列基材润湿剂可以明显降低水性涂料的接触角

图五:0.3%的SiFast®系列基材润湿剂可以明显降低水性涂料的接触角

    但是在实际的应用中,水性涂料的表面张力并非越低越好,而是需要根据基材的性质去选择一个最佳的添加使用方案。这样可以促使涂料有效地润湿基材达到良好结合的同时,防止基材润湿剂使用不当带来的风险。

图六:0.1-0.3%SiFast®系列基材润湿剂水溶液的铺展效果

图六:0.1-0.3%SiFast®系列基材润湿剂水溶液的铺展效果 

    文中所提及的聚硅氧烷润湿剂应用实验数据均来源于标美自主研发生产的SiFast®系列水性基材润湿剂产品。SiFast®系列水性基材润湿剂的作用不仅仅局限于基材,其对于各种材料都可以起到表面润湿的作用。例如对于各种结构的颜填料的润湿分散、对粉尘残留导致的凹点缺陷润湿覆盖、水性体系中不相容物质的助溶。   

图七:丙烯酸乳液对于多孔基材的润湿带来良好的屏蔽作用

图七:丙烯酸乳液对于多孔基材的润湿带来良好的屏蔽作用  

图八:良好的润湿对抗盐雾性能具有增强作用

图八:良好的润湿对抗盐雾性能具有增强作用

    结语

    在全球环保革命的大环境下,相较成熟的油性涂料水性涂料显得更加具有潜力,配套开发具有特殊功能的助剂产品成为趋势。基于材料科学和有机化学研究开发出具有更高市场认可度的涂料和油墨助剂是标美所追求的目标。

责任编辑:叶丹

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