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水性漆配方的搭配关键问题!
2021年11月11日    阅读量:1762    新闻来源:QQ行业资讯网 qqwei.com  |  投稿

水性木器漆配方成功的关键(快干性)

快干是最常听到的客户对水性涂料的要求。由于其分子结构的独特性,即分子间极强的氢键作用,特性与绝大部分有机溶剂有着明显的区别。

在水性涂料领域,这个特性集中体现在,由于水的蒸发热高,水的蒸发速度要比常见的涂料溶剂慢十几倍甚至几十倍涂料在线coatingol.com。而且,由于空气中水蒸汽的含量显著,并随季节变化大,水的蒸发速度随之发生变化。最严重时,如果空气相对湿度达到100%时,水的蒸发会停止,而非水溶剂则不受此因素影响。 

虽然,水性涂料面临以上所述技术挑战,但由于其环保特性,必然会成为涂料领域重要的一员。随着过去十几年水性涂料工作者的不懈努力,水性涂料技术日趋成熟。


以下就影响水性涂料干燥速度的主要因素,及配方时可采取的相应措施进行讨论。

1.树脂的选择: 

像所有涂料一样,水性涂料的性能在很大程度上是由配方中选用的树脂决定的。绝大多数水性成膜树脂为乳液体系,该体系的成膜机理与溶剂型涂料不同。溶剂型树脂与溶剂形成单相体系,随着溶剂的蒸发,体系粘度增大,直至成为固体,从体系的机械性能来讲,是一个连续的过程。

而水性乳液则是一个双相体系,随着水的蒸发,体系粘度起始时变化不大,但当乳液颗粒的体积占总系统体积达到一临界值时,系统突然从液态变为固态,是一个不连续的过程,这一临界点是水性涂料表干的开始,因此水性涂料的表干时间要比某些溶剂型涂料还要短。从表干到漆膜性能的全部体现,取决于系统中残留水分的蒸发速度,乳液颗粒中高分子的相互渗透,及体系中其它有机小分子的挥发速度。

为了实现系统的优化,制作水性漆配方时,应从以下几个方面对树脂进行选择: 

a)固含量:通常,乳液的固含量越高,其距离表干临界值就越近,干燥速度就越快。然而固含量过高,也会带来一系列的不利因素。表干过快会使涂刷间隔缩短,带来施工上的不便。固含量偏高的乳液,由于树脂颗粒间距小,通常其流变性能较差,对增稠剂也不敏感,使对涂料的喷涂或粉刷性能调节的困难增大。 

b) 乳液颗粒大小:乳液的颗粒越小,同样固含量下,颗粒之间的间距就越小,表干临界值就越低,干燥速度就越快。乳液颗粒小,还会带来成膜性好,光泽度高等其他方面的优势。

c) 树脂玻璃化转变温度(Tg):一般而言,树脂的Tg越高,最终成膜的性能就越好。然而,对于干燥时间来讲,其趋势则基本相反。Tg高的树脂,通常需要在配方时加入较多的成膜助剂,以便高分子在乳液颗粒间的相互渗透,促进成膜质量。而这些成膜助剂,需要足够的时间从体系中挥发,实际上会延长从表干到全干的时间。所以,从这Tg这个因素来讲,干燥时间与成膜性能往往是相悖的。

d) 乳液颗粒的相结构:取决于乳液的制备工艺,同样的单体组成可能会形成不同的颗粒相结构。被广为人知的核壳结构就是其中的例子之一。虽然一个乳液不可能所有的颗粒都做成核壳结构,但这个形象的比喻是人们对乳液的成膜性能可以有一个通俗的了解。如果颗粒的壳Tg低,核Tg高,那么该体系成膜助剂需求少,干燥较快,但由于成膜后连续相是低Tg的树脂,漆膜的的硬度则会受到一定影响。相反,颗粒的壳Tg高,则成膜需一定量的助剂,则膜的干燥速度会较前者慢,但干燥后的硬度会比前者高。 

e)  表面活性剂的种类和用量:常见的乳液在制造工艺中均采用一定的表面活性剂。表面活性剂对乳液颗粒有隔离和保护的作用,在颗粒相互融合的成膜过程中,特别是在初始阶段,即表干时有很大影响。而且,这些独特的化学品,在水和油相中均有一定的溶解度,溶在树脂中的部分其实会起到成膜助剂的作用。不同的表面活性剂,由于其在树脂中的溶解度不同,其成膜剂的作用也会不同。


2. 树脂的固化机理:

水性树脂成膜固化一般有几个层次上的机理。首先,乳液颗粒的聚集和融合,是所有乳液表干都必然经历的机理。然后,水和其他成膜助剂的挥发,使热塑性树脂本身的基本性能得以充分体现,是固化的第二个阶段。最后,某些乳液在制备时引入交联机理,或在涂料使用时引入交联剂,使膜的硬度在热塑性树脂的基础上进一步提高。最后这一步的交联机理,会对膜的最后固化速度和程度有很大的影响。常见的交联机理有氧化交联(如醇酸树脂的交联),麦克尔加成式交联(如一些自交联乳液体系),及亲核取代式交联(如环氧,聚氨酯等)。这些交联反应,都受温度,pH等因素影响,在配方时应平衡体系的固化要求与其他性能的关系。


3. 成膜助剂的用量和种类: 

从理论上讲,任何树脂的溶剂都是成膜助剂。在实践中,考虑到安全,成本,速度等因素,常见的成膜助剂也不过十几种,主要是一些高沸点的醇,醚及酯。这些成膜助剂对于不同的水性涂料工程师来讲又会各有偏爱。一般,某个有经验的工程师,常用的成膜助剂不过两三种。主要考虑因素是试剂在水和树脂之间的分配和在树脂颗粒内部的分配。特别是当水性树脂为多相树脂时,成膜助剂的选择和搭配即显得尤为重要。 


4. 施工环境: 

在本文开始时我们讨论了水的问题。正因为水的特性,使得水性涂料在施工环境上比油性漆要求要高一些,主要是尽量控制施工时的温度和湿度。通用配方的施工要尽量避免高湿环境。如果必须在高湿度下施工,应该对配方进行调整,或者选择成膜性快的树脂或者对现场实行隔离处理。


水性丙烯酸乳液配方需要考虑的问题:乳液颗粒的相结构和成膜助剂

水性丙烯酸乳液颗粒的内部结构,会对水性漆配方的几个方面有影响。以影响效果发生先后顺序来分,相结构首先会影响成膜助剂的选择和添加方式。不同的相具有不同的亲水/亲油特征,而各种成膜助剂的亲油性也不同,比如二丙二醇甲醚(DPM)就比二丙二醇丁醚(DPnB)的亲水性高,亲油性低。如果水性丙烯酸乳液颗粒外层是亲油性很强的相,那么DPM的加入不但对成膜效果不明显,而且还会使多余的DPM游离在水中影响水性漆漆膜的其他性能。相结构对水性漆配方的另一影响,就是对水性漆漆膜的成膜质量的影响。成膜质量的关键是在水性丙烯酸乳液颗粒融合的过程中,让需要混合的相充分混合,而需要分离的相保持分离。如果不同的相都需要参加融合,则应该选择混合的成膜助剂以达到最佳效果。 

国内外许多关于水性丙烯酸乳液聚合的文献,大都提到核壳等多种乳液颗粒的结构问题。比如,像核壳,半月,多核,中空,及草莓等多种结构都有报道。虽然这些结构的描述对理解水性丙烯酸乳液颗粒结构的复杂性很有帮助,但实际上水性丙烯酸乳液的结构要复杂得多。比如,只有单一相结构颗粒的乳液是不存在的,实用水性丙烯酸乳液中的颗粒是各种结构的分布,可能核壳多一些,可能草莓多一些,等等。水性丙烯酸乳液生产商是通过单体的选择,添加顺序,表面活性剂额的使用等等工艺条件来控制水性丙烯酸乳液的相结构。 

由于通常水性丙烯酸乳液的相结构属乳液生产商的技术秘密,通常该信息是不公开的。但供应商都会提供其所供水性丙烯酸乳液的推荐助剂和比例。通常不同的水性丙烯酸乳液会要求不同的助剂组合就是这个道理。


水性树脂的玻璃化温度(Tg)与最低成膜温度(MFFT)的关系

通常情况下,水性树脂如水性丙烯酸乳液或水性聚氨酯分散体的的玻璃化温度越高,其最低成膜温度越高,在室温下的成膜性越差,需要的成膜助剂的量就越大。其中原因众所周知,成膜的必要条件是水性树脂颗粒的互融。这就要求水性树脂颗粒在成膜温度下有足够的流动性,也就是说成膜温度应该高于水性树脂颗粒树脂的玻璃化温度。但是,很多水性树脂产品成膜后的Tg要比最低成膜温度高,违背以上所述常见的规律。

其中有几个原因。首先,以上所述通用的理论是建立在几个假设的基础之上的。假设一为水性树脂颗粒中树脂的玻璃化温度,或软化温度与成膜后树脂的一致。假设二是水性树脂颗粒之间没有差别。在实际的水性树脂合成工艺中,这两个假设都可以被打破。首先,在过去十几年的人们对纳米材料的研究中了解到,当颗粒的大小达到纳米水平时(小于50纳米),由于颗粒表面积的大幅增加,有如颗粒本体的含杂质量增加,颗粒表面对颗粒本体性能开始发生影响,颗粒的熔点和软化点会大幅度降低。也就是说,当水性树脂中纳米级颗粒含量增加时,颗粒的玻璃化温度会低于成膜后的玻璃化温度。另外,现代的水性树脂合成技术,通常使用多步骤的聚合方法,使得水性树脂颗粒形成多层次或多相的结构,也使水性树脂颗粒之间产生差异,就是说水性树脂颗粒的玻璃化温度会彼此之间不同。只要体系中存在足够的软颗粒,水性树脂就可以成膜。

水性树脂成膜温度低于成膜后的玻璃化温度的另一个原因是膜的反应性。一些自交联体系在成膜后引发进一步的交联反应,使得材料本体的分子量升高,导致膜的玻璃化温度升高。但是通常这一类的影响相对较小,因为玻璃化温度的随分子量升高的能力是有限的。

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如何解决水性丙烯酸漆的回粘问题?

回粘是水性涂料配方人员经常遇到的问题。要解决水性丙烯酸漆回粘问题,必须从根本上理解水性丙烯酸漆回粘的原因。水性丙烯酸漆回粘是因为线性热塑型高分子在高于玻璃化转变温度时,流变性增加造成的。

解决水性丙烯酸漆回粘可以从几个角度考虑:

1. 加入高 Tg的丙烯酸树脂,并用挥发性较快的。

2. 尽量使用自交联型的丙烯酸树脂;3. 尽量选择粒径较少的丙烯酸乳液; 

4. 加入PUD。PUD有一定的热固性,可以减少热塑性; 

5. 加入蜡乳液。蜡乳液可以在涂层表面形成蜡膜,减小表面粘性; 

6. 如果树脂体系含有羧基,可适量加一点锌等金属盐或氧化物,起到离子型交联的作用;

7. 加入粒径较小的填料;

涂料含气泡、脱气不良

问题:

水性涂料生产过程中,发现涂料在增稠后含有大大小小的气泡。气泡体积大者为大泡,体积小的为微泡,这种现象常发生在弹性拉毛等厚浆型涂料中。在水性涂膜干燥后气泡会引起针孔或痱子,影响漆膜外观。

解释: 

水性涂料中气泡产生途径:涂料制造过程中,颜料和填料的分散、增稠调漆过程中的搅拌、成品涂料在过滤分装过程中产生振动、涂料在调色过程中与色浆混合搅拌,搅拌引进空气,空气在水性涂料中被表面活性剂包裹稳定在涂料中成为气泡。具体到水性涂料配方与生产工艺环节上,涂料制造过程产生气泡主要在以下几个工序中。 

 1.   颜料和填料分散阶段投料顺序不当,容易导致微小针尖泡的产生,尤其在超细填料比例高、固体量也高的涂料体系。细粒径的填料比表面积大,吸附较多的空气,应在低黏度情况下首先投入,有利于泡沫逸出。如果细粒径填料放在最后的阶段投人,细填料投料后浆料黏度已高,由细填料带进的大量空气进入浆料中形成微泡。微泡难以聚集长大上升到涂料表面破裂,而使气体全部留在涂料中难以脱出。 

 2.  水性涂料配方中使用过量表面活性剂在搅拌中易起泡。涂料生产、过滤、运输中的振动,以及涂料从高处往下倾倒、搅拌都会再次产生气泡难以脱出。 

 3.  分散机的分散盘齿设计不合理,或分散过程中分散盘安置在涂料中的位置不当,在高速搅拌下,大量空气被旋涡带入高速分散的涂料中。

预防与解决方法: 

 1.  水性涂料生产投料应按先细后粗的顺序,有利于气泡的脱出,防止微泡的产生; 

 2. 水性涂料配方生产中不过量使用润湿剂,不可以用润湿剂替代分散剂。如果为了某种要求非用不可时,宜选用低泡润湿剂。额外的润湿剂在调漆阶段添加。并在浆料制备中加入抑泡能力大的消泡剂; 

 3.  涂料过滤、包装、倾倒尽量减少振动和倾倒高度; 

 4.  选择好分散盘,分散物料时通过实践确定最佳分散盘在分散物料中的位置,不可在分散中形成较大的旋涡,以免带进大量空气。

水性漆泡水后附着力差该如何解决

问题:

水性丙烯酸树脂,自干体系。60℃/120分钟后泡入水中、用手指甲可以划下来。但拿出来待水干后又可以的,该如何解决?

解释:

这个测试方法还是很苛刻的。一般水性树脂,丙烯酸,聚氨酯或自交联单组分体系,都很难满足。可以考虑以下几种其他办法: 

 1.  尽量避免采用通常表面活性剂的树脂体系。 

 2.  如果树脂体系里含羧基,何以考虑添加锌盐增加交联度。

 3.  还可以考虑添加一些蜡乳液增加配方的憎水性。

水性在烘烤时出现痱子,如何防治?

问题:

我用水性丙烯酸树脂+氨基树脂做出来的玻璃漆在烘烤时出现痱子。具体情况如下:温度:80 度; 时间:2分钟就开始出现;在放进烤箱时已经流平;闪干时间10分钟; 已经改过消泡剂、流平剂、溶剂,都没效果. 我想问下还有什么办法把痱子消掉。

解释: 

1)因为您的烘烤温度是80C, 那么涂层的温度最高不过80C,在这个温度下,如果您没在体系中加入很多催化剂的话,应该不会有什么化学反应发生造成气泡。 

2)您看到的气泡很可能是原来配方中的低沸点物质造成的。通常氨基树脂不应有这类问题。问题可能出在您配方中其他的组分上。

解决方法: 

1)不妨做个实验,从丙烯酸树脂开始,逐个组分往里添加,每次添加后做涂膜烘烤实验,直到找到发泡的组分。 

2)如果无法解决,请试用一下高温自交联树脂,使用时不用加氨基树脂,直接可以加颜填料和助剂制成烤漆,相信您会感兴趣。

自交联水性树脂与干燥时间

问题:

为什么自交联强的水性树脂,在湿度大的条件下,干燥较慢:而非自交联的水性树脂,在湿度大的条件下,干燥相对较快? 

解释:

影响树脂干燥的因素较多,其中比较重要的包括乳液的固含量,树脂的Tg,树脂颗粒的表面化学等等。在我们的工作中,并没注意到您所说的现象。因为没有看到您的对比数据,所以这里只是讨论。要下您所给的这个结论,我们首先必须选择相同Tg和相结构的树脂来比。

如果树脂聚合物的Tg相同,自交联乳液比起一般乳液的不同主要是两个方面。一是其树脂单体中含有反应性基团及交联剂,这些基团虽有一定的亲水性,但其浓度比起体系中其他亲水成分,如表面活性剂等来讲,是不显著的,我们不觉得会对干燥性有质的影响。我们觉得可能性最大的一个影响因素是乳液的固含量。通常自交联乳液要比普通乳液的固含量低,以保证乳液稳定性。两种乳液固含的差别可以到5-10%。您会不会看到的是这个现象?

水性漆在生产过程中出现絮凝团块

问题:

我公司上周生产一批水性涂料。配方未有变动。在生产完成后,涂料出现团块絮状物,过滤很难除去,水性涂料质量降低。请问是什么原因引起的?有什么方法可以去除?  

解释: 

涂料在生产过程中出现团块絮状物有以下几种原因: 

 1.   最常见的是颜料、填料分散完毕,调漆过程中添加成膜助剂时出现絮凝团块物。对此团块未处理强行分散增稠,絮凝团块继续留在涂料中,过滤也很难除去。 

 2.   涂料生产在增稠过程中,增稠剂浓度高、添加过快,引起局部剧烈增稠,成为颗粒团块:尤其是碱溶胀类增稠剂、纤维素醚类增稠剂直接添加易导致团块物出现。 

 3.   纤维素醚类增稠剂与某些增白剂,如羟乙基纤维素(HEC)与增白剂搭配使用,会出现絮凝团块,导致过滤困难。

解决方法: 

成膜助剂引发颜料、填料絮凝,多发生在低PVC (Particle Volume Concentration 颜料体积浓度)有光涂料体系中。低PVC涂料体系常搭配疏水低离子浓度的分散剂。由于PVC低、聚合物乳液量高,相对成膜助剂用量大,添加成膜助剂过程中,溶剂将分散剂从颜料和填料表面剥落下来,使颜料和填料絮凝。要避免体系发生此种絮凝,可以对成膜助剂进行预乳化后再添加。

成膜助剂预乳化组成可以参考如下配比:成膜助剂与5%左右助溶剂(乙二醇或丙二醇等)、O.5%左右的高HLB值的润湿剂、50%~80%的水,总计100%,混合后搅拌均匀添加。对于已经引起了絮凝的分散体,适当添加润湿剂再高速分散,打开絮凝体,然后正常调漆。一般润湿剂占总漆量的0.2%左右。对于增稠剂添加速度过快、过浓引起的絮凝团块,可以采用改变添加方式来预防。

对于高相对分子质量的纤维素醚、碱溶胀(ASE)或疏水改性碱溶胀(HASE)类增稠剂,可先制成一定浓度的预凝胶,以预凝胶形式可在任何阶段添加。纤维素醚增稠剂还可以提前在分散颜填料过程中添加,使增稠剂在涂料中得到充分的溶解。

碱溶胀(ASE)、疏水改性碱溶胀(HASE)增稠剂可用水稀释,按照水与增稠剂4:1的比例添加。聚氨酯或聚醚缔合型增稠剂可以采用助溶剂,将配方中的助溶剂(乙二醇或丙二醇、成膜助剂等)按照1:1的比例稀释后,在搅拌下慢慢添加。

为避免纤维素与增白剂搭配使用出现团块,在选择原料时应确定产品的化学成分,并通过实验选择无不良反应的产品牌号。

水性漆在生产过程中出现絮凝团块

问题:

我公司现在在做木器漆首涂,试了一个水性树脂(聚氨脂),附着力是没有问题,目前的问题是加入色精后,涂在地板上,木纹显示不够清晰。该水性树脂用量为90%,少于90%,板面发蒙木纹显示不够,现在用的溶剂是PM和BCS,没有加水。不知道是什么原因?希望专家给点建议? 

解释: 

你配方中采用的PM没有问题。你所遇到的问题可能是由几个原因引起的: 

 1.  你用的树脂的润湿性不够。这是因为你的配方体系中的聚氨酯乳液粒子较大,直径比木孔的直径要大。因此,水性木器漆渗透性差,水性木器漆不能渗进木材纹理内部而覆盖在木材表面,覆盖了木材的纹路,减弱了木纹的层次感。 

 2.  你所使用的成膜助剂有可能和你所选择的乳液兼容性不好。成膜助剂,或BCS, 对乳液有选择性。这是因为水性树脂生产商是通过单体的选择,添加顺序,表面活性剂额的使用等等工艺条件来控制水性树脂的相结构。

水性树脂的相结构属乳液生产商的技术秘密,通常该信息是不公开的。但供应商都会提供其所供水性树脂的推荐助剂和比例。通常不同的水性树脂会要求不同的助剂组合就是这个道理.在你的配方体系中,在水性树脂用量高于90%的情况下,因为其他助剂的使用量相对减小,乳液兼容性问题相对不明显,木纹显得相当清晰。

反之,在水性树脂用量低于90%的情况下,其他助剂的使用量相对增大,乳液兼容性问题变得明显,木纹也因此显得“板面发蒙”。


标签:原材料涂装应用技术中心树脂涂料助剂
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