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西顿前沿 | 涂料的流平

作者:西顿应用实验室

一、流平性的基本理论

为流平性?涂料施工后,有一个流动及干燥成膜过程,然后逐步形成一个平整、光滑、均匀的涂膜。涂膜能否达到平整光滑的特性,称为流平性。

湿漆膜的运动可用三个模型进行描述:

(1)在底材上的展布流动-接触角模型;

(2)由不平整表面向平整流动的正弦波模型;

(3)在垂直方向的贝纳德漩涡。

它们正好对应湿膜流平的3个主要的阶段——展布,流平前期和后期,其间表面张力、剪切力、黏度变化、溶剂等因素均在各阶段起着重要作用。

1、展布:流动-接触角模型

涂料展布的过程实质为液体湿润固体的过程。杨氏方程表述了这一平衡关系:

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在Fowkes方法中,界面张力σsl计算基于两相表面张力σs和σl及其相互作用。这些相互作用看作是表面张力或表面自由能色散力部分σD和非色散力部分(偶极力)σnD的几何平均数:

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Fowkes方程来理解:因为流平剂结构的不同,导致它在界面介入时的范德华力 σD,和偶极力σnD不同,因此即便流平剂的互相之间很接近σl,仍然在不同的体系表现出不同的σsl。

所以并不能通过测定一个添加了流平剂后的树脂溶液的表面张力来评价一个流平剂的好坏。

2、正弦波模型-Orchard流平方程式

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式中:a0—流动时涂层呈正弦剖面的初始振幅‚cm;

at—在时间 t 时刻的振幅‚cm;

X:涂层平均厚度‚cm;

λ—正弦波长‚cm;

γ—涂料表面张力dyn/cm;

η—涂料表观粘度‚P;

dt—流动时间‚s。

※漆膜厚,波长短,黏度低和表面张力高均有利于流平

正弦波模型-流平时间

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式中:a0 —流动时涂层呈正弦剖面的初始振幅‚cm;

at—在时间 t 时刻的振幅‚cm;

X:涂层平均厚度‚cm;

λ—正弦波长‚cm;

γ—涂料表面张力 dyn/cm;

η—涂料表观粘度‚P;

t—流动时间‚s。

※涂料的表面张力高和涂膜厚对缩短流平时间是有利的。所以最好不要选择强降低表面张力的流平剂,要选择基材润湿剂和不降低戓少降低表面张力的流平剂配合使用。

流平时间

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Orchard流平方程式是基于理想状态下理论模型;只有当漆膜具有牛顿流体特征,挥发性足够低,过程中黏度及表面张力变化不大时,Orchard模型的预测结果与实际较为符合。

但实际流平过程中,往往伴随溶剂挥发,黏度增大,表面张力也随之变化;同时涂料具有触变性,在涂布时处于高剪切作用下黏度降低;在流平时处低剪切状态,黏度又会增大。所以,Orchard流平方程式在应用中也存在很大的局限性。

3、贝纳德旋涡(Bénard Cell)

涂料展布后一段时间,随着溶剂的不均匀挥发和成膜树脂体系自身的原因,漆膜表面表面张力梯度的形成不可避免,这导致了漆膜中极小范围的流动-贝纳德旋涡,可简单地用下图表示。由于界面吉布斯函数总有减小的趋势,因而涂料的低表面张力部分总有向高表面张力部分流动的趋势,它不同于水平流动,而有垂直方向的涡流。

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二、流平性不良的表现及成因

1、流平性的不良表现

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(1)缩孔

有低表面张力的物质存在,其与周围的涂料存在表面张力差,这个差值就是缩孔形成的动力,促使周围的液体流体向四周背离它(缩孔污源)而流开成凹陷-缩孔。

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(2)橘皮

一般来说由于涂料经干燥后的涂层表面外观呈现许多半圆状突起,类似橘皮一样的波纹,这种现象就被叫为橘皮现象。


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(3)流挂

湿涂膜受重力驱动造成的流痕叫作流挂。


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湿涂膜受重力驱动造成的流痕叫作流挂。涂膜中距离表面x位面积薄层引起流挂的拉力(即剪切应力X):


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2、影响流平性的因素

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(1)涂料表面张力对流平的影响

涂料施工后,会出现新的界面:

a、涂料与底材之间的液/固界面;

b、涂料与空气之间的液/气界面。

如果涂料与底材之间的液/固界面的界面张力高于底材的临界外表张力,涂料就无法在底材上铺展,自然就会产生回缩、缩孔、鱼眼等流平缺陷。

(2)溶解性能对流平性的影响

漆膜的干燥过程中有时会产生一些不溶性的胶粒,不溶性胶粒的产生会导致形成外表张力梯度,在漆膜中经常导致缩孔的产生。

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另外,在含有外表活性剂的配方中,如果外表活性剂与体系不相容,或在干燥过程中随着溶剂的挥发,其浓度发生变化导致溶解性发生变化,形成不相容的液滴,也会形成外表张力差。这些都可能会导致缩孔的产生。

(3)湿膜厚度和外表张力梯度对流平性的影响

Benard旋涡——漆膜干燥过程中溶剂的挥发会导致在漆膜外表与内部之间产生温度、密度和外表张力差,这些差异进而导致产生漆膜内部的湍流运动,形成所谓Benard旋涡。

Benard旋涡导致的漆膜问题

a、会导致产生桔皮;

b、在含不止一种颜料的体系,如果颜料粒子的运动性存在一定差异,Benard旋涡还很可能导致浮色和发花,垂直面施工会导致丝纹。

(4)施工工艺和环境对流平性的影响

a、涂料在施工和成膜过程中,如果存在外界的污染物,也可能会导致缩孔、鱼眼等流平缺陷。这些污染物通常是来自空气、施工工具和底材的油污、尘埃、漆雾、水汽等。

b、涂料本身的性质,如施工粘度、干燥时间等,也会对漆膜的最终流平产生显著影响。过高的施工粘度和过短的干燥时间,通常会产生流平不良的外表。

三、流平剂的分类及选择


1、流平剂的作用机理

(1)降低涂料与底材之间的表面张力,使涂料与底材具有良好的湿润性,这个功能的发挥需要流平剂与涂料具有适当的相容性,使流平剂分子能自发的聚集于固液界面;

(2)调整溶剂蒸发速率,延长涂料粘度回复时间,保持适当长时间的低粘度,使涂料能够兼顾流平的同时而不流挂;

(3)在涂膜表面形成极薄的单分子层,以提供均匀的表面张力,降低贝纳德旋涡对涂料流平的不利影响。

2、流平剂的分类

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(1)溶剂类流平剂

a、溶剂型涂料仅借助增加溶剂以降低粘度来改善流平性,将使涂料固体分下降并导致流挂等弊病;

b、保持溶剂含量,只参加高沸点溶剂以图调整挥发速度来改善流平,干燥时间也相应延长。

溶剂类流平剂的优点
a、改善因涂料干燥速度过快阻碍流动而造成的刷痕;
b、克服因溶剂挥发导致基料溶解性变差而产生的缩孔,或在烘烤型涂料中产生沸痕、起泡等弊病;
c、采用高沸点流平剂调整挥发速度,还可克服泛白弊病;
d、良好的溶解性,也是颜料良好的润湿剂。
溶剂类流平剂不理想方案):
a、溶剂型涂料仅借助增加溶剂以降低粘度来改善流平性,将使涂料固体分下降并导致流挂等弊病;
b、保持溶剂含量,只参加高沸点溶剂以图调整挥发速度来改善流平,干燥时间也相应延长。

(2)丙烯酸类流平剂

a、纯丙烯酸流平剂

这是分子量不等的丙烯酸均聚物或共聚物,优点:仅轻微降低涂料的表面张力,但能够平衡漆膜表面张力差异,获得真正平整的、类似镜面的漆膜外表。如果分子量足够高,还具有脱气和消泡的作用。

b、改性丙烯酸流平剂

优点:可以显著降低涂料的外表张力,这样就会在具有流平性的同时具有良好的底材润湿性。

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(3)有机硅类流平剂

化学结构

聚甲基烷基硅氧烷

聚二甲基硅氧烷——相容性差,已很少使用

有机改性聚硅氧烷——最为重要(改性的方式主要有:聚醚改性有机硅、烷基和其它侧基改性有机硅、聚酯改性有机硅、聚丙烯酸酯改性有机硅、氟改性有机硅。)

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(4)氟碳类类流平剂

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3、流平剂的选择

根据功能可以划分为:底材涸湿剂、抗缩孔剂、增滑与手感助剂、流平剂、定向与排布助剂、去除浮色发花助剂、低稳泡要求的流平。

常用的助剂品种(结构)在合适的体系中能够胜任多种角色,同时也经常需要组合使用流平剂才能平衡各方面的问题。

流平剂的选择

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主要参考文献:

1、有机涂料科学和技术---武利民(第四版)

2、流平性及流平剂---同德化工

3、纸张涂料的流平过程分析和影响因素---张恒

4、BYK流平剂---BYK

5、涂料流平机理及流平剂的使用-刘文涛

6、涂膜流挂缺陷及对策


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