降低水性涂料成膜溫度方法探討

       為了人類自身安全和全球可持續(xù)發(fā)展考慮，迫切需要研究環(huán)保型涂料。水性涂料以水為分散介質(zhì)和稀釋劑，其突出的優(yōu)點(diǎn)是作為分散介質(zhì)的水無(wú)毒無(wú)害，制造和貯運(yùn)無(wú)爆炸危險(xiǎn)，解決了溶劑型涂料高VOC 的問(wèn)題。同時(shí)水性涂料還具備價(jià)廉、不易粉化、干燥快、施工方便等優(yōu)點(diǎn)。水性涂料已在建筑、工業(yè)防腐、家具、家裝以及汽車制造領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用并已成為世界涂料發(fā)展的重要方向之一。然而，水性涂料存在成膜溫度較高，在寒冷的冬季難以成膜的問(wèn)題，給施工帶來(lái)不便。本文從水性涂料成膜機(jī)理的角度探討了影響成膜的幾個(gè)重要因素。

 

       水性漆成膜過(guò)程經(jīng)歷了聚合物粒子的濃縮、聚集迭合、擠壓變形、再借助于成膜助劑融合成膜。水性漆成膜過(guò)程階段多，并且是非分子級(jí)的，其中任何階段都有可能產(chǎn)生不完全性，特別是最后階段，乳液粒子借助于成膜助劑形成均勻的連續(xù)相使水性漆最終成膜。

       1966 年Bradford 等提出了成膜溫度必須大于聚合物玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)的概念。成膜過(guò)程的3 階段分別是水蒸發(fā)；乳液顆粒靠近變形并趨填密；相互擴(kuò)散，當(dāng)T＞Tg 時(shí)最終成膜。這是水性漆的物理成膜機(jī)理。

       對(duì)于水溶性涂料來(lái)講，由于樹(shù)脂需水溶，其分子量不會(huì)太大。因此大多是熱固型的，樹(shù)脂中的活性基團(tuán)和外加交聯(lián)劑的活性基團(tuán)之間的交聯(lián)反應(yīng)形成不溶不融的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而使涂膜的性能得到提高。

 

       乳液最低成膜溫度(MFT)是乳液顆粒相互聚集成連續(xù)薄膜的最低溫度，是表征聚合物乳液成膜特性的常用方法，是單組分水性漆的使用極限值。當(dāng)施工溫度超過(guò)MFT 時(shí)，乳液形成連續(xù)、透明的薄膜；反之，當(dāng)施工溫度低于MFT 時(shí)，將會(huì)形成白色粉狀有裂痕的薄膜。因此，為了滿足使用的要求，單組分水性漆的施工溫度應(yīng)超過(guò)MFT。影響MFT 的因素包括乳液中乳膠粒的結(jié)構(gòu)，乳液粒子的大小，乳液合成中表面活性劑的選擇和合成工藝等。

2.1 乳膠粒結(jié)構(gòu)影響

       乳液由乳膠粒和水組成，乳膠粒內(nèi)包裹高聚物，其表面材料的性能直接影響MFT。乳膠粒內(nèi)可以是均一結(jié)構(gòu)，也可以是核殼結(jié)構(gòu)。軟殼硬核的核殼結(jié)構(gòu)乳液，可在較低溫度下成膜。相反，軟核硬殼的核殼乳液，其成膜溫度較高。含有可交聯(lián)官能團(tuán)的乳液，比不含可交聯(lián)官能團(tuán)的乳液成膜溫度高。

2.2 粒徑

       乳液粒徑的大小影響漆膜的質(zhì)量。細(xì)粒徑乳液得到的漆膜更均勻，漆膜的光澤度高。乳液粒徑增大，MFT 趨于Tg。隨著乳膠粒粒徑變小，粘度增加，增大了乳液成膜的毛細(xì)管壓力和粒子的總表面積，有利于粒子表面鏈端相互滲透，促進(jìn)粒子變形成膜，從而降低MFT。親水性單體傾向于留在乳膠粒子的外層，因而MFT的高低取決于親水單體的性能。

2.3 表面活性劑

       乳化劑的分子中均含有兩類性質(zhì)截然不同的部分——極性基團(tuán)與非極性基團(tuán)。非離子型乳化劑在水溶液中不會(huì)離解成離子，其效果與介質(zhì)pH 值無(wú)關(guān)，它會(huì)在聚合物表面形成吸附層，阻擋聚合物分子彼此碰撞，從而提高聚合物粒子的分散穩(wěn)定性；陰離子型乳化劑水解時(shí)生成陰離子基團(tuán)，可使聚合物表面帶負(fù)電荷，造成聚合物顆粒相斥，降低粒徑，進(jìn)而降低成膜溫度。

2.4 合成工藝

       包括加料順序、操作方法、溫度控制等。

 

       成膜助劑又稱凝聚劑、聚結(jié)劑，通過(guò)降低聚合物表面積，降低表面能，控制水的蒸發(fā)以促進(jìn)聚合物成膜。一旦乳液成膜過(guò)程完成，成膜助劑會(huì)從涂膜中揮發(fā)，從而使聚合物玻璃化溫度恢復(fù)至初始值。實(shí)驗(yàn)證明，成膜助劑的水溶性、相容性和揮發(fā)性影響著成膜助劑在涂料中的存在狀態(tài)、運(yùn)動(dòng)行為和使用效果。成膜助劑在乳液粒子的融合和成膜階段起著溶劑的作用。在成膜助劑的作用下乳液粒子之間的界面消失，形成連續(xù)均勻的膜。增大了低溫成膜的可能性，最低成膜溫度隨成膜助劑的增加而下降。然而用量增加到一定程度，其效果不明顯反而會(huì)增加成本。所以其用量應(yīng)該控制在一定范圍內(nèi)。

成膜助劑TEXANOL 酯醇用量對(duì)丙烯酸乳液最低成膜溫度的影響

       由圖1 可見(jiàn)，隨著成膜助劑TEXANOL 酯醇用量的增加，涂膜的最低成膜溫度也隨之降低。當(dāng)成膜助劑的用量增加到8%以后，涂膜的最低成膜溫度不再降低。

 

       降低乳液的最低成膜溫度增加了水性漆冬季施工的可行性，影響最低成膜溫度的最主要因素是聚合物乳液中乳膠粒的結(jié)構(gòu)和粒徑，以及乳液合成過(guò)程工藝控制和后處理工藝。此外，涂料配方研制階段中成膜助劑種類的選擇和加量也是影響水性漆最低成膜溫度的重要因素。