水性涂料助剂分类和应用

2013-07-15 08:47:07 95

 

   水性涂料有水分散型和水溶型两种,其中以水分散涂料的应用最为广泛,水分散的水性涂料中按粒径大小与外观又可分为胶体分散和乳液分散两
种。水性涂料用助剂的种类较多,主要有乳化剂、成膜助剂、增稠剂及润湿剂、分散剂、消泡剂、防冻剂、流平剂、防霉剂及防腐剂、pH调节剂等。助剂虽然在乳胶涂料中所占的质量分数不大,但其与涂料的各个环节密切相关。下面将各种助剂加以分类阐述。
1. 1 涂料加工用助剂
1. 1. 1 乳化剂
在用乳液聚合来制备水性涂料时,乳化剂为聚合提供胶束状微粒,聚合后使聚合物粒子保持稳定,成为水性涂料的重要组成。但在涂装后,干燥成膜之际,它留在涂膜内常会形成亲水性的成串状小空隙的相分离状态,并向基材界面迁移,这就助长了水向涂膜内侵入。为了解决这个问题,高分子乳化剂和反应性乳化剂的使用成为发展方向。高分子乳化剂通常是疏水性单体与丙烯酸的嵌段共聚物;反应性乳化剂的结构有多种,侧端常带有亲水性基团或疏水基,这两种乳化剂耐水性都较好。
1. 1. 2 润湿剂和分散剂
润湿剂和分散剂主要是减少完成分散过程所需的时间和(或)能量,同时使颜料分散体稳定。润湿剂可降低液体和固体表面之间的界面张力,使固体表面易于为液体所润湿。常用乳胶涂料润湿剂与乳化剂属于同一范畴的表面活性剂,多为阴离子或非离子表面活性剂。烷基酚聚氧乙烯醚类非离子表面活性剂作为一种应用较为广泛的润湿剂,由于其能干扰人体内分泌等症状,将会被逐步取代,相关行业的许多大公司也对外宣称不再使用这类产品。罗地亚公司已有替代烷基酚聚氧乙烯醚的数十种成熟产品推向市场,但是在中国市场,并没有得到广泛使用。空气化工产品公司开发了乙炔二醇类双胞表面活性剂,这种新表面活性剂有二个亲水基和二个或三个疏水基,具有低泡高效等优点,是一种多功能表面活性剂。分散剂使被润湿的颜填料粒子分散体系在相当
长时期内处于相对稳定状态,避免颜填料的絮凝、结块。分散剂分为两大类,即无机分散剂和有机分散剂。无机分散剂中包括磷酸盐、硅酸盐等,使用最多的是六偏磷酸钠。有机分散剂中包括聚丙烯酸盐类、聚异丁烯顺丁烯二酸盐类等。有机分散剂的分散效果通常好于无机分散剂,但有机、无机两类分散剂复配的效果较佳。
1. 1. 3 消泡剂
由于在乳胶涂料中加有多种表面活性剂,因此,在其生产制备和施工过程中很容易产生泡沫。消泡剂就是用来抑制涂料在生产中泡沫的出现及消除涂
料成膜时出现的气泡。人们早期使用二甲基硅油等,当为短链分子时,相对分子质量小,特别容易迁移,造成麻烦;当为长链分子时,又不易混容,特别容易导致缩孔,因此纯的聚二甲基硅氧烷在现代涂料中几乎不再适用。更好的办法是在侧链或端基引进醚类等其他化学结构部分取代甲基,现多采用有机改性聚硅氧烷作为流平消泡助剂,改性后有机硅与涂料有一定的不相容性,具有较佳的消泡效果。
    近几年,为了减少VOC的量,开发了分子级消泡剂和不含VOC的消泡剂。分子级消泡剂将消泡活性物质直接接枝在聚合物分子链上,活性基团分布在子四周,不易聚集,这样与涂料体系相容性良好,如FoamStarA30系列和SurfynolDF37等。不含VOC的消泡剂,如Agitan315和AgitanE255等。
1. 2 涂料贮存和施工用助剂
1. 2. 1 增稠剂
增稠剂能调节乳胶涂料的粘度或流变性,易于形成均匀的涂料组分。有些增稠剂还可改善涂料的触变性,使得便于施工,减少滴流和流挂。由于增稠
剂有阴离子、阳离子和非离子3类,选择不当将会改变乳液的电荷性质,对已存在的乳液体系发生影响,严重破坏乳胶涂料的稳定性。水性涂料用增稠剂的品种主要有膨润土、胶态二氧化硅、纤维素类、聚丙烯酸、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺等等。其中,应用最广泛的是水溶性纤维素类衍生物、丙烯酸以及缔合型聚氨酯3类产品。纤维素类增稠剂的普遍缺点是易被微生物降解和发霉,并且乳胶涂料施工时容易飞溅。丙烯酸类增稠剂有不易发生微生物降解的优点,并且与乳液相容性好,容易成膜,涂膜平整而有光泽。缔合型聚氨酯类增稠剂像大分子表面活性剂,亲水端与水分子以氢键缔合,疏水端与涂料中各组分憎水结构吸附在一起,在水中形成立体网状结构,并且可使乳胶涂料具有一定触变性,有利于施工,常用品种如憎水改性的乙氧基化聚氨酯等,这种多功能的环境友好的缔合型聚氨酯增稠剂开发受到普遍重视。
1. 2. 2 固化剂
水溶性涂料在漆膜形成之前成膜物质是溶于水的,一旦成膜后又必须不溶于水,成膜后亲水性官能团消失或大大降低其极性,这个过程为交联固化。交联方式分为自交联和外加交联剂交联两类,外加交联剂至少是两官能团物质。一般而言,最常用的固化剂有水溶性三聚氰胺甲醛树脂、苯代三聚氰胺甲醛树脂、脲醛树脂,其中以水溶性六甲氧甲基三聚氰胺用得比较普遍。
1. 2. 3 催干剂
氧可以和树脂中的双键反应,最主要的树脂是醇酸树脂,其次是聚丁二烯类涂料。反应可以由树脂的凝胶和最终涂膜的硬化来观察到。这一氧化反
应可以通过加入金属皂类催干剂而加速,这些皂类包括环烷酸盐、癸酸盐和辛酸盐等
1. 3 改善成膜和涂膜性能用助剂
1. 3. 1 成膜剂
涂料中高聚物的成膜温度必须在最低成膜温度以上才能固化成膜,而最低成膜温度往往高于室温导致不能成膜,所以必须添加成膜助剂。成膜助剂又称凝集剂、聚结剂,使聚合物粒子易受压变形,可降低乳液及乳胶漆的最低成膜温度,常为高沸点溶剂,在涂膜形成后慢慢挥发。理想的成膜助剂应是聚合物的强溶剂,在水中的溶解度小,易被乳胶微粒吸附,还应具有适宜的挥发速度,成膜后能够完全挥发,最重要的是要求无毒环保
    成膜助剂可分为三类,第一类为疏水性烃类成膜助剂,如芳香烃、石油溶剂油等,这一类成本虽低,但比较低效,还会降低涂料光泽,增大涂料气味;第
二类成膜助剂具有一定的亲水性,如Texanol、醋酸乙氧基乙酯、醋酸丁氧基乙酯、丁氧乙醇等,可使乳液涂膜聚结良好;第三类为亲水性成膜助剂,易溶于水,如乙二醇乙醚、己二醇、乙二醇和丙二醇等,这类成膜助剂不能单独使用,常作为防冻剂用于改善乳胶的冻融稳定性及改进涂刷性,由于乙二醇经动物肝脏分解以后则对生物体产生剧毒,所以现在都用毒性很小的丙二醇来起到防冻效果。成膜助剂是水性涂料中挥发性有机物的主要来源,所以要严格取缔对环境有害的成膜助剂,开发低气味、低毒、安全、可接受的生物降解性新型成膜剂,并且还要综合优化涂料配方体系,尽量减少甚至不
用成膜助剂以降低挥发性有机物(VOC)。曾被广泛使用的乙二醇醚和乙二醇酯系列产品经研究证实能导致生物的生殖系统病变,并可能导致动物胚胎的变异。在欧洲,产品中如果添加有乙二醇单甲醚( EGME)、乙二醇单乙醚( EGEE)、乙二醇单甲醚乙酸酯( EGMEA)、乙二醇单乙醚乙酸酯( EGEEA)则不能贴上“欧洲之花”环保标志。
     目前以丙氧基为主要结构的醇醚类成膜剂可以作为乙二醇醚类替代品,其具有更好的综合性能,但使用时需要对配方作适当的调整,如成膜剂丙二醇
苯醚(KL2PPH)沸点高,混溶性好,环保无毒,可以作为乳胶漆的专用聚结助剂及溶剂来替代毒性或气味较大的异佛尔酮、DBE、乙二醇醚等。现在我国
大多数企业使用的是Texanol和国产醇酯。
    活性成膜助剂作为一种新型的品种已经被研发出来,如丙烯酸双环戊烯基氧乙基酯(DPOA),可使乳胶漆在室温成膜,最终在催干剂作用下进行氧化
自由基聚合,所以没有挥发,不仅环境友好,还提高了涂膜的各种性能,如硬度、亮度等。
1. 3. 2 流平剂
流平剂的使用是保证涂料良好的流平性,因为其可以调节涂料在成膜过程中失水速率。目前,以1, 22丙二醇应用最广。流平剂在涂膜形成后能缓慢
地挥发出来,消除自身的影响。流平剂通常也具有防冻功效,可以调节涂料的最低施工温度。
1. 3. 3 附着力促进剂
附着力促进剂可以改善聚合物对无机底材的附着力,具有同聚合物的反应性,能够对无机表面形成共价健,并且可水解,还具备水溶性、表面活性
和对润湿性的控制等性能。有机硅烷具有所要求的综合特征,在涂料中添加硅烷附着力促进剂,可以提高涂层的附着力,改善耐损伤性和耐腐蚀性,还可改
善填料和颜料的分散性,使得填料和颜料抑制固化的作用有所减少。
1. 4 功能性助剂
1. 4. 1 防霉剂、杀菌剂
水性涂料中的很多物质往往可以成为各种微生物的营养来源,在适当的潮气、温度下,涂料容易霉化、变质。水性涂料用防霉杀菌剂可分为罐内防腐剂(主要是乳胶漆使用)和涂膜在自然环境中的防霉杀菌剂。由于近几年病毒事件不断发生,防霉杀菌剂在涂料中的应用成为业界热点,尤其是建筑涂料行业对防菌涂料的热情高涨。但防霉杀菌剂很多对人体和环境都有一定的副作用,欧洲制定第五届环保行动计划,要求涂料行业尽量减少商用防霉
杀菌剂的用量和种类。如何减少防霉杀菌剂对环境的污染并且提高杀菌效果成为这个领域的发展方向。防霉、杀菌剂有取代芳烃类、杂环化合物类化合物、有机金属化合物等几大类,常用品种有2(42噻唑基)2苯并咪唑、2, 4, 5, 62四氯苯二甲腈、甲氧甲酰氨基苯并咪唑、氧撑双吩噁吡等,一般添加量为0107%左右。防霉杀菌剂主要向不含氯、低毒高效、广谱长效和降低VOC含量方向发展。对人体明显有害的有机汞类广谱防霉剂和甲醛等品种的防霉剂,以及对人体有明显皮肤敏感性的防霉杀菌剂将会被取缔。另外用微胶囊包覆技术处理防霉杀菌剂,可以延长防霉杀菌效果并减少环境污染。纳米光催化杀菌剂的新技术研究近年来吸引人们投入很多的精力,但真正用于涂料大规模工业化生产的还未见报道。
1. 4. 2 防污剂
防污剂分为海洋防污剂、建筑用防污剂和其他用防污剂。海洋防污剂主要是阻止海洋生物的附着,其以防藻防霉剂为主。而建筑用防污剂的防污
机理与之不完全一样,建筑涂料防污是近几年才提出的理念,负离子发生材料或者说纳米光催化材料充当着重要角色,其在一定条件下会产生超亲水
性和氧化性,从而起到防污效果。近来由中国科学院广州化学所研究开发成功的防污剂也具有很好的效果,不过这种防污剂是对建筑内外墙涂料进行表
面处理从而起到防污效果,不仅可在涂料表面形成防渗层,使制品具备优良的防污能力,而且不影响这些制品原有的色彩、光泽、耐久性和防霉性。
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