各类流平剂作用原理及流平性的判断方法

一.流平的概述

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。在涂料实际施工过程中,常出现的涂膜缺陷有橘皮,鱼眼,缩孔,针孔,缩边,贝纳得漩涡,气流敏感及由于流平性不好,刷涂时出现刷痕,辊涂时产生辊痕都称之为流平性不良,这些现象的产生降低了涂料的装饰和保护功能。影响涂料流平性的因素很多,溶剂的挥发梯度和溶解性能、涂料的表面张力、湿膜厚度和表面张力梯度、涂料的流变性、施工工艺和环境等,其中最重要的因素是涂料的表面张力、成膜过程中湿膜产生的表面张力梯度和湿膜表层的表面张力均匀化能力。改善涂料的流平性需要考虑调整配方和加入合适的助剂,使涂料具有合适的表面张力和降低表面张力梯度的能力。‍

二.流平剂的作用

涂料的主要功能是装饰和防护,如果出现流动和流平缺陷,不仅影响外观,同时也有损防护功能。如形成缩孔造成漆膜厚度不够、形成针孔会导致漆膜的不连续性,这些都会降低漆膜的防护性。涂料在施工和成膜过程中,会发生一些物理、化学变化,这些变化及涂料本身的性质,将显著影响涂料的流动和流平。

涂料施工后,会出现新的界面,一般情况下为涂料与底材之间的液/固界面和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表面张力,涂料就无法在底材上铺展,自然就会产生鱼眼、缩孔等流平缺陷。

漆膜干燥过程中溶剂的挥发会导致在漆膜表面与内部之间产生温度、密度和表面张力差,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旋涡会导致产生桔皮;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。

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表面张力梯度,在漆膜中经常导致缩孔的产生。例如,在交联固化型体系中,配方含有不止一种树脂,在漆膜的干燥过程中,随着溶剂的挥发,溶解性较差的树脂就可能形成不溶性胶粒。

另外,在含有表面活性剂的配方中,如果表面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,也会形成表面张力差。这些都可能会导致缩孔的产生。

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。

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表面。

因此,必须通过添加流平剂,通过对涂料在施工和成膜过程中发生一些变化及涂料性质进行调整,帮助涂料获得一个良好的流平。

三.流平的主要影响因素

1.表面张力梯度——液——气界面

● 里层和表层的表面张力梯度导致紊流

● 消除表面张力梯度是获得平整表面的要素

2.表面张力——液——固界面

比底材低的表面张力,使涂料拥有更好的底材润湿力

● 降低涂料的表面张力降低处于表面的分子之间的吸引力,从而促使更好的流动。‍

四.流平速度的影响因素

● 粘度越大,流平越慢

● 涂膜越厚,流平越快

● 表面张力越大,流平越快‍

五.不同流平剂的作用机理及特性

1) 消除表面张力梯度

2)降低体系表面张力

● 有机硅类:

–明显降低表面张力

–良好的迁移性能消除表面张力梯度

● 丙烯酸酯类:

–不明显降低表面张力

–不向表面迁移

–在涂层内部定向,调整局部表面张力同一性‍

有机硅流平剂有两个显著特性。

性能有机硅聚丙烯酸酯
流平优异
流动优异
抗缩孔优异一般
底材润湿一般
稳泡
滑爽
层间附着
添加量

●有机硅流平剂

一是可以做到显著降低涂料的表面张力,提高涂料的底材润湿能力和漆膜的流动性、消除Benard旋涡从而防止发花。降低表面张力的能力取决于其化学结构,另一个显著特性是能改善涂层的平滑性、抗挂伤性和抗粘连性。这类流平剂的缺点是存在稳定泡沫、影响层间附着力的倾向,有些还对施工环境如烘炉产生污染。

其结构目前主要有三类:聚二甲基硅氧烷、聚甲基烷基硅氧烷、有机改性聚硅氧烷,以有机改性聚硅氧烷最为重要,短链有机硅不影响重涂。

●丙烯酸流平剂

丙烯酸流平剂包括纯丙烯酸流平剂和改性丙烯酸流平剂。

纯丙烯酸流平剂包括传统的非反应性丙烯酸流平剂和新型含官能团的反应性丙烯酸流剂。这是一类分子量不等的丙烯酸均聚物或共聚物,这类流平剂仅轻微降低涂料的表面张力,能够平衡漆膜表面张力差异,获得真正平整的、类似镜面的漆膜表面。如果分子量足够高,这类流平剂还具有脱气和消泡的作用。传统的非反应性丙烯酸流平剂的缺点是高分子量产品,可能会在漆膜中产生雾影,低分子量产品,又有可能降低漆膜表面硬度。含反应性官能团的丙烯酸流平剂能很好的解决这一矛盾,提供良好流平性的同时,不会产生雾影也不降低表面硬度,有时还会提高表面硬度。

●氟碳化合物类流平剂

氟碳化合物类流平剂的特点是高效,但价格昂贵,一般在丙烯酸流平剂和有机硅流平剂难以发挥作用的时候使用,然而也存在稳定泡沫、影响层间附着力的倾向。

六.流平剂的应用及选择

对于一个确定的配方体系,应根据配方的性质和希望流平剂所达到的性能,来择合适的流平剂品种。

1.确定水性配方时,常常先选择润湿剂,再选择流平剂。有的助剂既可以起到润湿剂,也可以起到流平剂的作用。

2.不要大量使用强烈降低表面张力的润湿剂,够用就好,因为它会使流平时间延长。

●溶剂性涂料体系

在底漆和中层漆配方中,通常采用丙烯酸流平剂。如果需脱气性和底材润湿性,宜选择中等分子量或高分子量丙烯酸流平剂。在底漆中,如果需要更强的底材润湿性,可考虑选用能显著降低表面张力的有机硅流平剂和改性丙烯酸流平剂(如氟改性丙烯酸流平剂和磷酸酯改性丙烯酸流平剂),如果有机硅流平剂和氟改性丙烯酸流平剂出现稳泡、影响层间附着力等副作用,应采用磷酸酯改性丙烯酸流平剂。在面漆和透明漆配方中,对漆膜外观要求相对较高,一般可选用低分子量丙烯酸流平剂,这样将获得良好的流平性,在漆膜中不易产生雾影。在交联固化型体系,选用含反应性官能团的丙烯酸流平剂常常获得更好的流平性,同时提高漆膜的物理化学性能。如果需要漆膜具有更好的流动性或需要滑爽性和抗刮伤性,有机硅流平剂是必需的,这种情况下最好是有机硅流平剂和丙烯酸流平剂配伍使用。应当指出的是,在垂直面施工时,有机硅流平剂提供流平性能的同时,可有效降低涂层的流挂倾向。另外,在金属闪光漆配方中,应慎用有机硅流平剂,因为可能导致片状铝颜料的不均匀排列而出现漆膜颜色不均。

●粉末涂料体系

粉末涂料的流平过程分为两个阶段。第一个阶段是粉末粒子的熔化,第二个阶段粉末粒子熔化后流动成为平整的漆膜。粉末涂料不含溶剂,在成膜过程不会产生表面张力梯度,流平更多的是与底材润湿有关。粉末涂料常采用丙烯酸流平剂。如果流平剂呈液态,一般要预先制成母料才能使用。也有制成粉体的丙烯酸流平剂,专门用于粉末涂料,这类产品是将液态的丙烯酸流平剂吸附在二氧化硅粉体上,一些低档流平剂用碳酸钙吸附。如果粉末涂料需要滑爽性抗挂伤性,就要采用有机硅流平剂,已有制成粉体的专门用于粉末涂料的有机硅流平剂。使用有机硅流平剂要留意避免形成缩孔。

● 水性涂料体系

水性涂料体系分为水溶性体系和乳胶体系。在水溶性体系中,需要强烈降低体系的表面张力,最常用的是有机硅流平剂和氟碳化合物类流平剂,所起作用与它们应用于溶剂型涂料体系相同。当然如果需要真正平整的表面,用于水性体系的丙烯酸流平剂是必需的。而对于乳胶体系,成膜机理则完全不同,粘度也不随溶剂的挥发而改变。配方中采用流平剂会可能提高涂料的底材润湿性,丙烯酸流平剂可以提高漆膜平整度,但涂料的主要流动性能,更多的是通过添加流变控制剂来进行控制和调整。‍

七.如何判定流平剂的好坏

一般来说,我们可以采用以下目测的方法来粗略判断涂料流平剂的好坏。

●涂料按照指定的涂刷方法施工干燥后,如果看到涂料表面没有缩孔、针孔。橘皮、丝纹、刷痕、雾影等缺陷,就可以判定这个涂料流平剂的的流平性是较好的。

●但是以上这种方法是无定量指标的,很容易引起分歧。所以在国内和国际的涂料工业界中,人们制定了专门的标准来评定涂料流平剂的流平性。如:

①GB/T l750-1979 涂料流平性测定法:该方法是测定按一定方法刷涂/喷涂涂料于一定底材上,达到流平所需的时间。

②GB-Sl07 水平流动性测定法:该方法是测定环氧粉末涂层试片在一定温度下熔化后的直径大小。

③ASTM D2801 流平性测定法:该方法使用纽约涂料协会(NYPC)的流平性刮刀,以成对的两条漆条流到一起的能力来确定流平性等级。‍

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