涂料文獻(xiàn)：水性涂料的結(jié)合力形成因素

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    隨著水性樹(shù)脂技術(shù)的進(jìn)步，水性涂料技術(shù)被越來(lái)越多的行業(yè)認(rèn)可并且應(yīng)用。在倡導(dǎo)環(huán)保的同時(shí)，水性涂料其特殊的親水結(jié)構(gòu)亦可能導(dǎo)致涂層的提前失效。我們通常把失效原因歸結(jié)于樹(shù)脂性能缺陷，而忽略了水性涂料與施工基材之間的結(jié)合力。

    結(jié)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(guān)系，實(shí)驗(yàn)人員通過(guò)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(rùn)濕基材形成固液界面前，討論機(jī)械錨固，范德華力或者化學(xué)鍵等結(jié)合力因素都會(huì)變得不切實(shí)際。因此“潤(rùn)濕鋪展”成為了產(chǎn)生結(jié)合力的前提因素。

    在日常應(yīng)用中，普遍認(rèn)為相對(duì)粗糙的基材更有利于結(jié)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(dāng)基材被涂料潤(rùn)濕，空氣被排除后，兩者產(chǎn)生更大的接觸面積，從而獲得結(jié)合力。但是對(duì)于水性涂料來(lái)說(shuō)，其40-50dyn/cm的表面張力高于大部分基材，應(yīng)用中往往會(huì)因?yàn)闊o(wú)法潤(rùn)濕而減少了水性涂料與基材的接觸面積，導(dǎo)致結(jié)合力的流失。例如圖一顯示，形成液固界面有利于結(jié)合力的生成。  

    圖一：水性涂料應(yīng)用于多孔基材的實(shí)際形態(tài)和理想形態(tài)

圖一：水性涂料應(yīng)用于多孔基材的實(shí)際形態(tài)和理想形態(tài)

    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(kāi)始建立部分的聯(lián)接關(guān)系，當(dāng)這一個(gè)現(xiàn)象快速擴(kuò)散到一定程度時(shí)，涂層進(jìn)入干燥固化階段，最后完成機(jī)械錨固或者是化學(xué)反應(yīng)。接觸角的形成與基材和涂層的表面張力相關(guān)，角度大小直接關(guān)系到水性涂料對(duì)基材的潤(rùn)濕鋪展程度，當(dāng)接觸角θ＞90時(shí)，被認(rèn)為不產(chǎn)生潤(rùn)濕，而接觸角θ＜90時(shí)，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(duì)于生成結(jié)合力必然具有促進(jìn)作用。但是由于曲面壓差（圖二），完全潤(rùn)濕僅可能在大孔徑孔隙中達(dá)成，而對(duì)于孔徑細(xì)小的孔隙，潤(rùn)濕過(guò)程則變得相當(dāng)緩慢，并且往往在固化前無(wú)法完成潤(rùn)濕。當(dāng)微小孔隙足夠密集時(shí)，未潤(rùn)濕的基材表面與涂料之間形成一層微米級(jí)的空氣膜，空氣膜的存在阻礙了涂料與基材間的結(jié)合。為了解決這一問(wèn)題，往往需要更大程度地改變基材的表面性質(zhì)或者從水性涂料方面尋求解決方案，以達(dá)到快速潤(rùn)濕鋪展。從圖三可以看出，潤(rùn)濕程度與毛細(xì)管孔徑相關(guān)。

圖二：曲面壓差的形成

    目前在水性涂料方面可以通過(guò)很多方法來(lái)解決潤(rùn)濕問(wèn)題。從乳液聚合就開(kāi)始加入的表面活性劑，到成品配方的助溶劑，無(wú)疑都對(duì)水性涂料的表面張力產(chǎn)生了一定程度影響。但是對(duì)于毛細(xì)導(dǎo)管或者低表面張力基材來(lái)說(shuō)，最為有效的方式是通過(guò)在水性涂料配方中加入基材潤(rùn)濕劑，促使水性涂料達(dá)到理想的潤(rùn)濕鋪展，以便于結(jié)合力生成。此方法由于添加使用便捷，顯著改善潤(rùn)濕鋪展能力而被廣泛應(yīng)用。

圖三：30dyn/cm水性涂層對(duì)不同孔徑基材的潤(rùn)濕結(jié)果

    聚硅氧烷基材潤(rùn)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(jié)可以有效增強(qiáng)聚硅氧烷的水溶性，并且?guī)��?lái)高表面活性。水性涂料應(yīng)用過(guò)程中基材潤(rùn)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(rùn)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(shí)間周期較短的情況下，涂料的快速潤(rùn)濕鋪展變得尤其重要。  

圖四：聚硅氧烷基材潤(rùn)濕劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)

    實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明聚硅氧烷基材潤(rùn)濕劑的加入可以有效增進(jìn)水性涂料對(duì)基材的潤(rùn)濕（圖五）和鋪展能力（圖六）。從木材的微細(xì)導(dǎo)管滲透情況（圖七）可以說(shuō)明，基材潤(rùn)濕劑的加入可以幫助水性涂料對(duì)細(xì)微孔徑基材進(jìn)行良好的潤(rùn)濕滲透。當(dāng)基材表面大部分孔隙中的空氣被液體所取代后，涂層對(duì)外部水汽起到屏蔽作用，并和內(nèi)部孔隙形成機(jī)械錨固或者物理纏繞。在部分涂料體系中樹(shù)脂可以與基材表面的活性基團(tuán)產(chǎn)生反應(yīng)而進(jìn)一步提升涂層和基材的結(jié)合力。此結(jié)論在金屬耐鹽霧測(cè)試結(jié)果中（圖八）可以獲得證明。

圖五：0.3%的SiFast®系列基材潤(rùn)濕劑可以明顯降低水性涂料的接觸角

    但是在實(shí)際的應(yīng)用中，水性涂料的表面張力并非越低越好，而是需要根據(jù)基材的性質(zhì)去選擇一個(gè)最佳的添加使用方案。這樣可以促使涂料有效地潤(rùn)濕基材達(dá)到良好結(jié)合的同時(shí)，防止基材潤(rùn)濕劑使用不當(dāng)帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。

圖六：0.1-0.3%SiFast®系列基材潤(rùn)濕劑水溶液的鋪展效果 

    文中所提及的聚硅氧烷潤(rùn)濕劑應(yīng)用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均來(lái)源于標(biāo)美自主研發(fā)生產(chǎn)的SiFast®系列水性基材潤(rùn)濕劑產(chǎn)品。SiFast®系列水性基材潤(rùn)濕劑的作用不僅僅局限于基材，其對(duì)于各種材料都可以起到表面潤(rùn)濕的作用。例如對(duì)于各種結(jié)構(gòu)的顏填料的潤(rùn)濕分散、對(duì)粉塵殘留導(dǎo)致的凹點(diǎn)缺陷潤(rùn)濕覆蓋、水性體系中不相容物質(zhì)的助溶。   

圖七：丙烯酸乳液對(duì)于多孔基材的潤(rùn)濕帶來(lái)良好的屏蔽作用  

圖八：良好的潤(rùn)濕對(duì)抗鹽霧性能具有增強(qiáng)作用

    結(jié)語(yǔ)

    在全球環(huán)保革命的大環(huán)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(kāi)發(fā)具有特殊功能的助劑產(chǎn)品成為趨勢(shì)。基于材料科學(xué)和有機(jī)化學(xué)研究開(kāi)發(fā)出具有更高市場(chǎng)認(rèn)可度的涂料和油墨助劑是標(biāo)美所追求的目標(biāo)。（來(lái)源：全球涂料網(wǎng)）（更多資訊請(qǐng)登錄：全球涂料網(wǎng) http://m.srglobaltrade.com/）