涂料科普：流平劑概述

李偉平 （先創(chuàng)化學(xué)品 ）

    一、發(fā)展歷史

    在涂料發(fā)展的早期，人們使用一些溶劑來(lái)消除某些涂料體系的表面缺陷，如采用松油來(lái)解決亞麻油體系的表面缺陷問(wèn)題，這些溶劑能調(diào)整體系的粘度和開放時(shí)間。然而，自二十世紀(jì)上半葉以來(lái)，一些合成樹脂相繼面世，如硝酸纖維素、丙烯酸樹脂、環(huán)氧樹脂、聚氨酯樹脂、不飽和聚酯和無(wú)油聚酯樹脂等，其中的一些體系所產(chǎn)生的表面缺陷僅僅依靠溶劑是無(wú)法完全消除的。人們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)這些體系出現(xiàn)表面缺陷時(shí)，向這些體系添加某些樹脂（如丙烯酸樹脂、三聚氰胺樹脂等）、或硅油、或含氟表面活性劑，問(wèn)題在很大程度上得以改善，甚至完全得到解決。人們把這些用來(lái)解決表面缺陷的產(chǎn)品，稱為流平劑或表面流動(dòng)控制劑。這些產(chǎn)品或降低、平衡涂料的表面/界面張力、或調(diào)整漆膜的粘度和開放時(shí)間，從而使涂料獲得所需要的漆膜外觀。

    近年來(lái)，由于不斷嚴(yán)格的環(huán)保要求，涂料工業(yè)正努力降低涂料的VOC含量，由此出現(xiàn)了一些新的涂料品種，如高固體份涂料、無(wú)溶劑涂料（UV涂料等）、粉末涂料和水性涂料等。在這些配方中，有機(jī)溶劑用量大為減少，甚至不含有機(jī)溶劑，因而涂料的潤(rùn)濕能力顯著下降，容易產(chǎn)生流動(dòng)和流平缺陷；高固體份涂料所采用的樹脂及配套采用的極性溶劑，表面張力相對(duì)較高，也容易產(chǎn)生流動(dòng)和流平缺陷；水性涂料的溶劑主要由水組成，具有很高的表面張力，潤(rùn)濕更是一個(gè)難題，很容易產(chǎn)生魚眼、縮孔等表面缺陷。在這些配方中，流平劑已成為必不可少的組份。

    為適應(yīng)涂料技術(shù)的發(fā)展，針對(duì)傳統(tǒng)流平劑品種的局限性，一些新型的流平劑品種相繼出現(xiàn)，如含反應(yīng)性官能團(tuán)的丙烯酸流平劑和有機(jī)硅流平劑、改性丙烯酸流平劑等。

    含反應(yīng)性官能團(tuán)流平劑通常用于交聯(lián)固化型體系，所含官能團(tuán)一般為羥基、羧基、環(huán)氧基和雙鍵等。這些流平劑不僅具有流平作用，而且可以交聯(lián)固化于漆膜中，可避免自身的遷移；同時(shí)，由于在交聯(lián)固化型體系中常具有比非反應(yīng)性流平劑更好的相容性，因而很多情況下能獲得更好的流平性能；某些情況下還由于提高了漆膜的交聯(lián)密度，從而幫助提高漆膜的物理化學(xué)性能。

    改性丙烯酸流平劑是通過(guò)對(duì)丙烯酸流平劑進(jìn)行改性賦予其一定的表面活性，這種流平劑不僅具有流平作用，還具有良好的底材潤(rùn)濕性。目前主要的品種為氟改性丙烯酸流平劑和最近才出現(xiàn)的磷酸酯改性丙烯酸流平劑。氟改性丙烯酸流平劑具有良好的流平性能的同時(shí)，還具有很好的底材潤(rùn)濕性，然而這類產(chǎn)品往往具有穩(wěn)泡、影響層間附著力的副作用，對(duì)環(huán)境還會(huì)造成污染。當(dāng)然某些有機(jī)硅流平劑由于表面張力較低，具有良好的底材潤(rùn)濕性能，但也具有氟改性丙烯酸流平劑相似的副作用。這種情況下，人們開發(fā)了磷酸酯改性丙烯酸流平劑，這類流平劑同樣兼顧流平性和底材潤(rùn)濕性，不僅沒有穩(wěn)泡、影響層間附著力等副作用，相反還有脫氣作用，是一類很有前景的流平劑新品種。

    二、涂料配方中為何要使用流平劑

    涂料的主要要功能是裝飾和防護(hù)，如果出現(xiàn)流動(dòng)和流平缺陷，不僅影響外觀，同時(shí)也有損防護(hù)功能。如形成縮孔造成漆膜厚度不夠、形成針孔會(huì)導(dǎo)致漆膜的不連續(xù)性，這些都會(huì)降低漆膜的防護(hù)性。

    涂料在施工和成膜過(guò)程中，會(huì)發(fā)生一些物理、化學(xué)變化，這些變化及涂料本身的性質(zhì)，將顯著影響涂料的流動(dòng)和流平。

    涂料施工后，會(huì)出現(xiàn)新的界面，一般情況下為涂料與底材之間的液/固界面和涂料與空氣之間的液/氣界面。如果涂料與底材之間的液/固界面的界面張力高于底材的臨界表面張力，涂料就無(wú)法在底材上鋪展，自然就會(huì)產(chǎn)生魚眼、縮孔等流平缺陷。

    漆膜干燥過(guò)程中溶劑的揮發(fā)會(huì)導(dǎo)致在漆膜表面與內(nèi)部之間產(chǎn)生溫度、密度和表面張力差，這些差異進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)生漆膜內(nèi)部的湍流運(yùn)動(dòng)，形成所謂Benard旋渦。Benard旋渦會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生桔皮；在含不止一種顏料的體系，如果顏料粒子的運(yùn)動(dòng)性存在一定差異，Benard旋渦還很可能導(dǎo)致浮色和發(fā)花，垂直面施工會(huì)導(dǎo)致絲紋。

    漆膜的干燥過(guò)程中有時(shí)會(huì)產(chǎn)生一些不溶性的膠粒，不溶性膠粒的產(chǎn)生會(huì)導(dǎo)致形成表面張力梯度，在漆膜中經(jīng)常導(dǎo)致縮孔的產(chǎn)生。例如，在交聯(lián)固化型體系中，配方含有不止一種樹脂，在漆膜的干燥過(guò)程中，隨著溶劑的揮發(fā)，溶解性較差的樹脂就可能形成不溶性膠粒。另外，在含有表面活性劑的配方中，如果表面活性劑與體系不相容，或在干燥過(guò)程中隨著溶劑的揮發(fā)，其濃度發(fā)生變化導(dǎo)致溶解性發(fā)生變化，形成不相容的液滴，也會(huì)形成表面張力差。這些都可能會(huì)導(dǎo)致縮孔的產(chǎn)生。

    涂料在施工和成膜過(guò)程中，如果存在外界的污染物，也可能會(huì)導(dǎo)致縮孔、魚眼等流平缺陷。這些污染物通常是來(lái)自空氣、施工工具和底材的油污、塵埃、漆霧、水汽等。

    涂料本身的性質(zhì)，如施工粘度、干燥時(shí)間等，也會(huì)對(duì)漆膜的最終流平產(chǎn)生顯著影響。過(guò)高的施工粘度和過(guò)短的干燥時(shí)間，通常會(huì)產(chǎn)生流平不良的表面。

    因此，必須通過(guò)添加流平劑，通過(guò)對(duì)涂料在施工和成膜過(guò)程中發(fā)生一些變化及涂料性質(zhì)進(jìn)行調(diào)整，幫助涂料獲得一個(gè)良好的流平。

    三、流平劑的種類

    流平劑大致分為兩大類。

    一種是通過(guò)調(diào)整漆膜粘度和流平時(shí)間來(lái)起作用的，這類流平劑大多是一些高沸點(diǎn)的有機(jī)溶劑或其混合物，如異佛爾酮、二丙酮醇、Solvesso150等。

    另一種是通過(guò)調(diào)整漆膜表面性質(zhì)來(lái)起作用的，一般人們所說(shuō)的流平劑大多是指這一類流平劑。這類流平劑通過(guò)有限的相容性遷移至漆膜表面，影響漆膜界面張力等表面性質(zhì)，使漆膜獲得良好的流平。根據(jù)化學(xué)結(jié)構(gòu)的不同，這類流平劑目前主要有三大類：丙烯酸類、有機(jī)硅類和氟碳化合物類。

    ●丙烯酸流平劑

    丙烯酸流平劑包括純丙烯酸流平劑和改性丙烯酸流平劑。

    純丙烯酸流平劑包括傳統(tǒng)的非反應(yīng)性丙烯酸流平劑和新型含管能團(tuán)的反應(yīng)性丙烯酸流平劑。這是一類分子量不等的丙烯酸均聚物或共聚物，這類流平劑僅輕微降低涂料的表面張力，但能夠平衡漆膜表面張力差異，獲得真正平整的、類似鏡面的漆膜表面。如果分子量足夠高，這類流平劑還具有脫氣和消泡的作用。傳統(tǒng)的非反應(yīng)性丙烯酸流平劑的缺點(diǎn)是高分子量產(chǎn)品，可能會(huì)在漆膜中產(chǎn)生霧影，低分子量產(chǎn)品，又有可能降低漆膜表面硬度。含反應(yīng)性官能團(tuán)的丙烯酸流平劑能很好的解決這一矛盾，提供良好流平性的同時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生霧影也不降低表面硬度，有時(shí)還會(huì)提高表面硬度。

    改性丙烯酸流平劑主要的品種為氟改性丙烯酸流平劑和磷酸酯改性丙烯酸流平劑。與純丙烯酸流平劑不同，改性丙烯酸流平劑可以顯著降低涂料的表面張力，這樣就會(huì)在具有流平性的同時(shí)具有良好的底材潤(rùn)濕性。

    ●有機(jī)硅流平劑

    有機(jī)硅流平劑有兩個(gè)顯著特性。一是可以做到顯著降低涂料的表面張力，提高涂料的底材潤(rùn)施能力和漆膜的流動(dòng)性、消除Benard旋渦從而防止發(fā)花。降低表面張力的能力取決于其化學(xué)結(jié)構(gòu)。另一個(gè)顯著特性是能改善涂層的平滑性、抗掛傷性和抗粘連性。這類流平劑的缺點(diǎn)是存在穩(wěn)定泡沫、影響層間附著力的傾向，有些還對(duì)施工環(huán)境如烘爐產(chǎn)生污染。其結(jié)構(gòu)目前主要有三類：聚二甲基硅氧烷、聚甲基烷基硅氧烷、有機(jī)改性聚硅氧烷，以有機(jī)改性聚硅氧烷最為重要，純聚二甲基硅氧烷由于與涂料體系的相容性差，現(xiàn)已很少使用。

    ●氟碳化合物類流平劑

    氟碳化合物類流平劑的特點(diǎn)是高效，但價(jià)格昂貴，一般在丙烯酸流平劑和有機(jī)硅流平劑難以發(fā)揮作用的時(shí)候使用，然而也存在穩(wěn)定泡沫、影響層間附著力的傾向。

    四、流平劑的應(yīng)用

    對(duì)于一個(gè)確定的配方體系，應(yīng)根據(jù)配方的性質(zhì)和希望流平劑所達(dá)到的性能，來(lái)選擇合適的流平劑品種。

    1、溶劑性涂料體系

    在底漆和中層漆配方中，通常采用丙烯酸流平劑。如果需要脫氣性和底材潤(rùn)濕性，宜選擇中等分子量或高分子量丙烯酸流平劑。在底漆中，如果需要更強(qiáng)的底材潤(rùn)濕性，可考慮選用能顯著降低表面張力的有機(jī)硅流平劑和改性丙烯酸流平劑（如氟改性丙烯酸流平劑和磷酸酯改性丙烯酸流平劑），如果有機(jī)硅流平劑和氟改性丙烯酸流平劑出現(xiàn)穩(wěn)泡、影響層間附著力等副作用，應(yīng)采用磷酸酯改性丙烯酸流平劑。

    在面漆和透明漆配方中，對(duì)漆膜外觀要求相對(duì)較高，一般可選用低分子量丙烯酸流平劑，這樣將獲得良好的流平性，在漆膜中也不易產(chǎn)生霧影。在交聯(lián)固化型體系，選用含反應(yīng)性官能團(tuán)的丙烯酸流平劑常常獲得更好的流平性，同時(shí)提高漆膜的物理化學(xué)性能。如果需要漆膜具有更好的流動(dòng)性或需要滑爽性和抗刮傷性，有機(jī)硅流平劑是必需的，這種情況下最好是有機(jī)硅流平劑和丙烯酸流平劑配伍使用。

    應(yīng)當(dāng)指出的是，在垂直面施工時(shí)，有機(jī)硅流平劑提供流平性能的同時(shí)，可有效降低涂層的流掛傾向。另外，在金屬閃光漆配方中，應(yīng)慎用有機(jī)硅流平劑，因?yàn)榭赡軐?dǎo)致片狀鋁顏料的不均勻排列而出現(xiàn)漆膜顏色不均。

    2、粉末涂料體系

    粉末涂料的流平過(guò)程分為兩個(gè)階段。第一個(gè)階段是粉末粒子的熔化，第二個(gè)階段粉末粒子熔化后流動(dòng)成為平整的漆膜。粉末涂料不含溶劑，在成膜過(guò)程不會(huì)產(chǎn)生表面張力梯度，流平更多的是與底材潤(rùn)濕有關(guān)。

    粉末涂料常采用丙烯酸流平劑。如果流平劑呈液態(tài)，一般要預(yù)先制成母料才能使用。也有制成粉體的丙烯酸流平劑，專門用于粉末涂料，這類產(chǎn)品是將液態(tài)的丙烯酸流平劑吸附在二氧化硅粉體上，一些低檔流平劑用碳酸鈣吸附。

    如果粉末涂料需要滑爽性和抗掛傷性，就要采用有機(jī)硅流平劑，已有制成粉體的專門用于粉末涂料的有機(jī)硅流平劑。使用有機(jī)硅流平劑要留意避免形成縮孔。

    3、水性涂料體系

    水性涂料體系分為水溶性體系和乳膠體系。

    在水溶性體系中，需要強(qiáng)烈降低體系的表面張力，最常用的是有機(jī)硅流平劑和氟碳化合

    物類流平劑，所起作用與它們應(yīng)用于溶劑型涂料體系相同。當(dāng)然如果需要真正平整的表面，用于水性體系的丙烯酸流平劑是必需的。

    而對(duì)于乳膠體系，成膜機(jī)理則完全不同，粘度也不隨溶劑的揮發(fā)而改變。配方中采用流平劑會(huì)可能提高涂料的底材潤(rùn)濕性，丙烯酸流平劑可以提高漆膜平整度，但涂料的主要流動(dòng)性能，更多的是通過(guò)添加流變控制劑來(lái)進(jìn)行控制和調(diào)整。