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涂料助劑：流平劑

文章出處：網(wǎng)責(zé)任編輯：作者：人氣：-發(fā)表時(shí)間：2023-07-24 14:48:00

第三節(jié) 流平劑

一、概述

涂料施工后，有一個(gè)流動(dòng)及干燥成膜過程，然后逐步形成一個(gè)平整、光滑、均勻的涂膜。涂膜能否達(dá)到平整光滑的特性，稱為流平性。縮孔是涂料在流平與成膜過程中產(chǎn)生的特性缺陷之一。在實(shí)際施工過程中，由于流平性不好，刷涂時(shí)出現(xiàn)刷痕，滾涂時(shí)產(chǎn)生滾痕、噴涂時(shí)出現(xiàn)桔皮，在干燥過程中相伴出現(xiàn)縮孔、針孔、流掛等現(xiàn)象、都稱之為流平性不良，這些現(xiàn)象的產(chǎn)生降低了涂料的裝飾和保護(hù)功能。

影響涂料流平性的因素很多，溶劑的揮發(fā)梯度和溶解性能、涂料的表面張力、濕膜厚度和表面張力梯度、涂料的流變性、施工工藝和環(huán)境等，其中最重要的因素是涂料的表面張力、成膜過程中濕膜產(chǎn)生的表面張力梯度和濕膜表層的表面張力均勻化能力。改善涂料的流平性需要考慮調(diào)整配方和加入合適的助劑，使涂料具有合適的表面張力和降低表面張力梯度的能力。

二、流平機(jī)理

涂料干燥成膜過常見的缺陷有縮孔、桔皮、刷痕、滾痕、流掛等。

縮孔是指涂膜上形成的不規(guī)則的，有如碗狀的小凹陷，使涂膜失去平整性，常以一滴或一小塊雜質(zhì)為中心，周圍形成一個(gè)環(huán)形的棱。從流平性的角度而言，它是一種特殊的“點(diǎn)式”的流不平，產(chǎn)生于涂膜表面，其形狀從表現(xiàn)可分為平面式，火山口式，點(diǎn)式，露底式，氣泡式等。

導(dǎo)致縮孔的原因是多方面的，既有涂料配方的內(nèi)在因素，如涂料組分中不溶性膠粒的產(chǎn)生，又有施工環(huán)境等外界因素，如施工過程中空氣的污染。

涂料貯存過程中，少量樹脂從溶劑中沉淀形成顆粒，固化過程中，隨著溶劑的揮發(fā)部分溶解性差的樹脂變成不溶于溶劑的顆粒等均會(huì)導(dǎo)致縮孔，主要是點(diǎn)式。涂料組分中表面活性物質(zhì)與涂料不相容，或者干燥過程中濃度升高超過其溶解度，生成少量不相容的液滴，易導(dǎo)致縮孔，表現(xiàn)為露底。

施工過程中空氣的污染，如空氣表面有活性粒子、漆霧、塵埃、水汽等?；蚴┕み^程帶來的油污、塵埃、水汽等，均可導(dǎo)致縮孔。油污、水分主要造成火山口式縮孔。底材處理不凈，有油污、水分、塵埃等污染物，由于不能被涂料所潤(rùn)濕，導(dǎo)致露底時(shí)縮孔。濕涂膜中氣泡破裂，隨后未經(jīng)涂膜流平就固化成膜，易導(dǎo)致氣泡式縮孔。

縮孔形成的關(guān)鍵是涂膜表面產(chǎn)生表面張力梯度，一方面由于涂料干燥過程溶劑的蒸發(fā)產(chǎn)生表面張力梯度；另一方面是涂膜中顆粒，液滴等低表面的張力物質(zhì)的存在導(dǎo)致表面張力梯度。如果涂膜周圍及內(nèi)部有粒子或液滴等污染物存在，當(dāng)它們流動(dòng)到涂膜表層時(shí)，污染物的表面張力低，就會(huì)造成表面張力梯度，涂料中各組成物質(zhì)分散不均勻也會(huì)造成表面張力梯度。由于表面張力梯度的形成，粒子或液滴的表面張力比濕涂膜低，所以涂料在表面上徑向地向外流動(dòng)。由于濕涂膜粘度高，被污染物首先要克服粘度的阻滯作用，拖動(dòng)表層以下的涂料。若濕膜較厚，里層的涂料會(huì)移動(dòng)到表面補(bǔ)充而消除縮孔，若濕膜較薄，里層的涂料量不足以補(bǔ)充，就形成了縮孔?？s孔的形成還取決于涂料本身的流動(dòng)性，當(dāng)涂膜上形成表面張力梯度時(shí)，流體由一點(diǎn)到另一點(diǎn)流動(dòng)，若流動(dòng)量大，就會(huì)形成露底縮孔。要減少縮孔，就應(yīng)使涂料流動(dòng)性減小，要求涂膜薄、粘度高以及透當(dāng)?shù)臋M面截而后表面張力的梯度，盡量使表面張力均勻。

涂料在干燥過程中，隨著溶劑的蒸發(fā)，在涂膜表面形成較高的表面張力，并且粘度增大，同時(shí)，溶劑的蒸發(fā)吸收熱量導(dǎo)致溫度下降，造成內(nèi)外表面之間的溫差及表面張力、粘度不同。當(dāng)表面張力不同時(shí)，將產(chǎn)生一種推動(dòng)力，使涂料從底層上層運(yùn)動(dòng)。當(dāng)上層溶劑含量降低時(shí)，較多溶劑的底層就往表面散開。隨著溶劑蒸發(fā)，粘度增大，流動(dòng)速度緩慢。流動(dòng)的涂料在重力作用下向下沉。同時(shí)，又由于里、表層之間表面張力的不同，再一次使流動(dòng)的涂料向上。當(dāng)表面再一次散開時(shí)，物質(zhì)將再一次受到重力的影響并下沉。這種下沉、向上、散開的流動(dòng)運(yùn)動(dòng)將反復(fù)進(jìn)行，直到其粘度增長(zhǎng)到足以阻止其流動(dòng)時(shí)為止，此時(shí)里、表層的表面張力差也趨于消失。這種流動(dòng)運(yùn)動(dòng)的反復(fù)進(jìn)行，造成局部渦流。按照Helmholtz流動(dòng)分配理論，這種流動(dòng)，形成邊與邊相接觸的不規(guī)則六角形的網(wǎng)絡(luò)，稱之貝納爾旋流窩(Benard Cells), 旋渦狀小格中心稍稍隆起. 如果涂料的流動(dòng)性差，干燥后就留下不均勻的網(wǎng)紋或條紋,稱為桔皮現(xiàn)象。

涂膜流平過程中常出現(xiàn)的弊病還有刷痕與滾痕，這是由于施工過程中涂料的粘度發(fā)生了變化，表面涂料不能及時(shí)流平所致。

涂料施工后，不可避免地產(chǎn)生條痕，如果流平得很快，條痕就能夠消失，如在涂膜干燥前不能充分流平，則條痕不能完全消失，就得不到光滑的表面。流平過程的推動(dòng)力是涂料的表面張力，它使涂層表面有收縮成最低表面積的形狀，從而使涂層從凹槽、刷痕或皺紋變成平滑表面。關(guān)于涂料流平性的討論，主要是基于條痕模型理論。下圖為條痕模型示意圖。

涂層平均厚度為h，刷痕幅度為a，控制刷痕的線性尺寸為波長(zhǎng)y，刷痕剖面的周邊曲線按正弦波剖面處理。按Rhodes和Orchaed關(guān)系式表示如下：

式中：a0—初始振幅，cm； at—經(jīng)過時(shí)間t后的振幅，cm；

t — 時(shí)間，s； h—涂層平均厚度，cm；

λ— 波長(zhǎng)，cm； γ—涂料的表面張力，dyn（×10-5N/m）

η—涂料的粘度，P（×0.1Pa·s）

假定γ、η在流運(yùn)過程中不變（隨時(shí)間變化不大），且時(shí)間間隔很小，可按每一份時(shí)間間隔數(shù)縮減，進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，上式轉(zhuǎn)變?nèi)缦拢?/span>

該式的物理意義是，流平時(shí)間與流平次數(shù)成正比。式中，就是振幅每發(fā)生一次減小的變化值，如果a0 、at 差值越大，流得越平，值也越大，相當(dāng)于流平次數(shù)越多。

涂料表面張力一般在（2.5~5.5）×10-2N/m，改變表面張力對(duì)流平無明顯效果，而且會(huì)帶來不利影響。涂層厚度和波長(zhǎng)對(duì)流平效果有顯著影響，而涂層厚度和波長(zhǎng)受涂裝工藝所控制。另外，在施工后的干燥過程中，隨著溶劑的揮發(fā)，涂料粘度升高，涂層由液態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，可在涂料配方中添加少量高沸點(diǎn)溶劑，延長(zhǎng)涂料表面開放時(shí)間，從而提高涂膜的流平性。

涂料在垂直面上施工時(shí)，由于重力作用導(dǎo)致流掛，涂料粘度低，涂層厚，表面張力高則流平性能佳但容易導(dǎo)致流掛。如涂料具有觸變性。就可以適當(dāng)緩和二者的矛盾，在涂刷時(shí)受剪切力作用涂料粘度降低，呈現(xiàn)較好的流動(dòng)性及流平性，便于施工，涂刷停止后，剪切力逐漸降低，涂料粘度隨之增高，可防止流掛及顏料沉降。因此，常在涂料中添加觸變助劑，使涂料具有適當(dāng)?shù)挠|變性。

根據(jù)上述分析，為改善涂料的流平性，應(yīng)考慮：降低涂料與基材之間的表面張力，使涂料與基材具有良好的潤(rùn)濕性，并且不致與引起縮孔的物質(zhì)之間形成表面張力梯度；調(diào)整溶劑蒸發(fā)速度，降低粘度，改善涂料的流動(dòng)性，延長(zhǎng)流平時(shí)間；在涂膜表面形成極薄的單分子層，以提供均勻的表面張力，使表面張力趨于平衡，避免因表面張力梯度造成表面缺陷。

借助流平劑的加入，就能全部或部分滿足以上3個(gè)條件，從而得到更佳的流平效果，使涂膜表面平整光滑。

三、常用流平劑

常用類型的防縮孔、流平劑有溶劑類、相容性受限制的長(zhǎng)鏈樹脂、相容性受限制的長(zhǎng)鏈硅樹脂等。

溶劑類流平劑主要是高沸點(diǎn)溶劑混合物。溶劑型涂料僅借助增加溶劑以降低粘度來改善流平性，將使涂料固體分下降并導(dǎo)致流掛等弊?。换蛘弑３秩軇┖?，只加入高沸點(diǎn)溶劑以圖調(diào)整揮發(fā)速度來改善流平，干燥時(shí)間也相應(yīng)延長(zhǎng)。故此兩方案均不理想。只有加入高沸點(diǎn)溶劑混合物，顯示各種遞增特性（揮發(fā)指數(shù)、蒸餾曲線、溶解能力）較為理想。溶劑類流平劑主要成分是各種高沸點(diǎn)的混合溶劑，具有良好的溶解性，也是顏料良好的潤(rùn)濕劑。常溫固化涂料由于溶劑揮發(fā)太快，涂料粘度提高過快妨礙流動(dòng)而造成刷痕，溶劑揮發(fā)導(dǎo)致基料的溶解性變差而產(chǎn)生的縮孔，或在烘烤型涂料中產(chǎn)生沸痕、起泡等弊病采用這類助劑是很有效的。另外采用高沸點(diǎn)流平劑調(diào)整揮發(fā)速度，還可克服泛白弊病。

相容性受限制的長(zhǎng)鏈樹脂常用的有聚丙烯酸類、醋丁纖維素等。它們的表面張力較低，可以降低涂料與基材之間的表面張力而提高提高涂料對(duì)基材的潤(rùn)濕性，排除被涂固體表面所吸附的氣體分子，防止被吸附的氣體分子排除過遲而在固化涂膜表面形成凹穴、縮孔、桔皮等缺陷；此外它們與樹脂不完全相混容，可以迅速遷移到表面形成單分子層，以保證在表面的表面張力均勻化，增加抗縮孔效應(yīng)，從而改善涂膜表面的光滑平整性。聚丙烯酸酯類流平劑又可分為純聚丙烯酸酯、改性聚丙烯酸酯（或與硅酮拼合）、丙烯酸堿容樹脂等，純聚丙烯酸酯流平劑與普通環(huán)氧樹脂、聚酯樹脂或聚氨酯等涂料用樹脂相容性很差，應(yīng)用時(shí)會(huì)形成有霧狀的涂膜。為了提高其相容性，通常用有較好混容性的共聚物。

相容性受限制的長(zhǎng)鏈硅樹脂常用的有聚二甲基硅氧烷，聚甲基苯基硅氧烷，有機(jī)基改性聚硅氧烷等。這類物質(zhì)可以提高對(duì)基材的潤(rùn)濕性而且控制表面流動(dòng)，起到改善流平效果的作用，當(dāng)溶劑揮發(fā)后，硅樹脂在涂膜表面形成單分子層，改善涂膜的光澤。改性聚硅氧烷又可分為聚醚改性有機(jī)硅，聚酯改性有機(jī)硅，反應(yīng)性有機(jī)硅，引入有機(jī)基團(tuán)有助于改善聚硅氧烷和涂料樹脂的相容性，即使?jié)舛忍岣咭膊粫?huì)產(chǎn)生不相容和副作用，改性聚硅氧烷能夠降低涂料與基材的界面張力，提高對(duì)基材的潤(rùn)濕性，改善附著力，防止發(fā)花，桔皮，減少縮孔，針眼等涂膜表面病態(tài)。

氟系表面活性劑，其主要成分為多氟化多烯烴，對(duì)很多樹脂和溶劑也有很好的相容性和表面活性，有助于改善潤(rùn)濕性、分散性和流平性，、還可以在溶劑型漆中調(diào)整溶劑揮發(fā)速度。

常用流平劑見下表：

商品名稱	組成	應(yīng)用	生產(chǎn)商
BYK-300	聚醚改性有機(jī)硅	中等程度降低表面張力，溶劑型涂料中防止縮孔，改善流平，增光，增滑，抗劃傷，抗粘連	德國(guó)BYK公司
BYK-306	聚醚改性有機(jī)硅	強(qiáng)烈降低表面張力，溶劑型涂料中增進(jìn)底材潤(rùn)濕，防止縮孔，改善流平，增光，增滑；增進(jìn)消光粉定向效果，改善抗流掛性	德國(guó)BYK公司
BYK-330	聚醚改性有機(jī)硅	強(qiáng)烈降低表面張力，溶劑型涂料中防止縮孔，浮色，發(fā) 花，改善流動(dòng)和流平，增光，增滑，抗劃傷；增進(jìn)消光粉定向效果，改善抗流掛性	德國(guó)BYK公司
Tego Glide406	聚醚改性有機(jī)硅	溶劑型涂料中防止縮孔，改善流動(dòng)流平，增滑；重涂性好	德國(guó)de-gussa公司
Tego Glide410	聚醚改性有機(jī)硅	溶劑，無溶劑型和水性涂料中強(qiáng)烈地增進(jìn)表面滑爽，抗劃傷，抗粘連，防縮孔，增進(jìn)消光粉定向效果	德國(guó)de-gussa公司
EFKA-3033	聚醚改性有機(jī)硅	強(qiáng)烈降低表面張力，溶劑型涂料中增進(jìn)底材潤(rùn)濕，防止縮孔，浮色，改善流平，增光，增滑，抗劃傷，抗粘喧嘩	德國(guó)de-gussa公司
EFKA-3232	聚醚改性有機(jī)硅	強(qiáng)烈降低表面張力，溶劑型和無溶劑型涂料中增進(jìn)底材潤(rùn)濕，防止縮孔，浮色，改善流平，增光，增滑，抗劃傷，抗粘連	荷蘭EF-KA公司
DC-431	聚醚改性有機(jī)硅	溶劑型涂料中改善流平，增光，增滑，抗劃傷，抗粘，連，增進(jìn)鋁粉定向效果	德謙（上海）化學(xué)有限公司
DC-433	聚醚改性有機(jī)硅	強(qiáng)烈降低表面張力，溶劑型涂料中增進(jìn)底材潤(rùn)濕，防止縮孔，減少發(fā)花，改善流平和流平，增光，增滑，抗劃傷，抗粘連	德謙（上海）化學(xué)有限公司
DC-836	聚醚改性有機(jī)硅	溶劑型涂料中改善流平，增光，增滑，抗劃傷，抗粘連，得含沙射影性好，改善鋁粉，消光粉的定向效果	德謙（上海）化學(xué)有限公司

商品名稱	組成	應(yīng)用	生產(chǎn)商
BYK-310	聚醚改性有機(jī)硅	強(qiáng)烈降低表面張力，在溶劑型自干漆和烘烤漆中增進(jìn)底材潤(rùn) 濕，防止縮孔，改善流平，增光，增滑，耐熱達(dá)230C，烘烤漆重涂時(shí)不影響層間附著力，不產(chǎn)生表面缺陷	德國(guó)BYK公司
BYK-323	聚酯改性含羥基有機(jī)硅	在溶劑型及無溶劑型自干漆和烘烤漆中改善流動(dòng)和流平，增進(jìn)表面滑爽，淋涂時(shí)可穩(wěn)定簾幕，具有消泡作用	德國(guó)BYK公司
EFKA-86	異氰酸酯改性有機(jī)硅	與含羥基本羧基官能團(tuán)的溶劑型涂料進(jìn)行交聯(lián)反應(yīng)，提供持久的滑爽性和抗劃傷性，改善流平，防止縮孔，浮色。	荷蘭EF-KA公司
EFKA-LA8835	異氰酸酯改性有機(jī)硅	與含羥基可羧基官能團(tuán)的溶劑涂料進(jìn)行交聯(lián)反應(yīng)，改善流平，提供持久的滑爽性和抗粘連性	荷蘭EF-KA公司
EFKA-3600	氟改性丙烯酸酯共聚物	顯著地降低各類溶劑型和無溶劑型自干漆及烘烤漆的表面張力，增進(jìn)底材材有效地防止縮孔，改善流動(dòng)和流平，不影響重涂性和層間附著力	荷蘭EF-KA公司
BYK-352	聚丙烯酸酯	溶劑型自干漆及烘烤漆中防止縮孔，改善流平，提高光澤，不影響重涂性和層間附著力，耐熱性好	德國(guó)BYK公司
BYK-357	丙烯酸酯共聚物	溶劑型自干漆及烘烤漆中防止縮孔，改善流平和光澤，不影響重涂性和層間附著力；耐熱性好，有消泡作用	德國(guó)BYK公司
BYK-390	聚甲基丙烯酸酯	溶劑型自干漆及烘烤漆中防止縮孔，改善流平和光澤，不影響重涂性和層間附著力；耐熱性好，烘烤漆中的供優(yōu)良的防爆泡性及消泡作用	德國(guó)BYK公司

流平劑是改進(jìn)涂裝效果的一類重要助劑，品種較多、應(yīng)用廣泛，尤其用于高性能涂料。使用時(shí)需要注意其應(yīng)用范圍、用量以及和其它助劑的配伍性，使用前，應(yīng)對(duì)不同的品種、用量進(jìn)行篩選試驗(yàn)，以求得最佳品種及最宜用量。另外，對(duì)添加方式，也應(yīng)該通過試驗(yàn)選擇最佳工藝。

流平劑加入后，對(duì)于涂料流平性能的提高一般采用目測(cè)判斷，也可以采用間接法取得定量的數(shù)據(jù)如測(cè)試涂膜光澤度。

四、發(fā)展趨勢(shì)

隨著高性能涂料的開發(fā)應(yīng)用，流平劑在國(guó)內(nèi)已得到應(yīng)有的重視，一方面借鑒國(guó)外品種開發(fā)應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)了部分新產(chǎn)品，另一方面從結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系角度，進(jìn)行必要的理論研究，同時(shí)結(jié)合涂料組成和實(shí)際應(yīng)用開發(fā)新產(chǎn)品，進(jìn)入分子結(jié)構(gòu)與功能效應(yīng)的設(shè)計(jì)階段，開發(fā)新結(jié)構(gòu)、多功能的流平劑已成為趨勢(shì)。

反應(yīng)活性流平劑發(fā)既能起到流平作用，又能與固化劑、樹脂起交聯(lián)作用形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的大分子，它不僅起流平作用，而且可提高涂膜的光澤及物理機(jī)械性能，如環(huán)氧粉末涂料用的丙烯酸酯聚合物引進(jìn)少量環(huán)氧基的丙烯酸共聚物，既能對(duì)環(huán)氧粉末起到流平作用，又能與固化劑、環(huán)氧樹脂起交聯(lián)作用形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的大分子，它不僅起流平作用，而且可提高涂膜的光澤及物理機(jī)械性能。

超支化聚合物具有端基數(shù)目多、粘度低的特點(diǎn)，在流平劑中有潛在的應(yīng)用前景?？煽鼐酆嫌欣诳刂品肿渔湹慕Y(jié)構(gòu)和分子量，近年來已經(jīng)應(yīng)用于流平劑制備，以此制備的流平劑展現(xiàn)出良好的性能。

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