涂料助劑：流平劑

文章出處：網責任編輯：作者：人氣：-發(fā)表時間：2023-07-24 14:48:00

第三節(jié) 流平劑

一、概述

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

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為中心，周圍形成一個環(huán)形的棱。從流平性的角度而言，它是一種特殊的“點式”的流不平，產生于涂膜表面，其形狀從表現可分為平面式，火山口式，點式，露底式，氣泡式等。

導致縮孔的原因是多方面的，既有涂料配方的內在因素，如涂料組分中不溶性膠粒的產生，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導致縮孔，主要是點式。涂料組分中表面活性物質與涂料不相容，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，易導致縮孔，表現為露底。

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濕，導致露底時縮孔。濕涂膜中氣泡破裂，隨后未經涂膜流平就固化成膜，易導致氣泡式縮孔。

縮孔形成的關鍵是涂膜表面產生表面張力梯度，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的存在導致表面張力梯度。如果涂膜周圍及內部有粒子或液滴等污染物存在，當它們流動到涂膜表層時，污染物的表面張力低，就會造成表面張力梯度，涂料中各組成物質分散不均勻也會造成表面張力梯度。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。由于濕涂膜粘度高，被污染物首先要克服粘度的阻滯作用，拖動表層以下的涂料。若濕膜較厚，里層的涂料會移動到表面補充而消除縮孔，若濕膜較薄，里層的涂料量不足以補充，就形成了縮孔?？s孔的形成還取決于涂料本身的流動性，當涂膜上形成表面張力梯度時，流體由一點到另一點流動，若流動量大，就會形成露底縮孔。要減少縮孔，就應使涂料流動性減小，要求涂膜薄、粘度高以及透當的橫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，溶劑的蒸發(fā)吸收熱量導致溫度下降，造成內外表面之間的溫差及表面張力、粘度不同。當表面張力不同時，將產生一種推動力，使涂料從底層上層運動。當上層溶劑含量降低時，較多溶劑的底層就往表面散開。隨著溶劑蒸發(fā)，粘度增大，流動速度緩慢。流動的涂料在重力作用下向下沉。同時，又由于里、表層之間表面張力的不同，再一次使流動的涂料向上。當表面再一次散開時，物質將再一次受到重力的影響并下沉。這種下沉、向上、散開的流動運動將反復進行，直到其粘度增長到足以阻止其流動時為止，此時里、表層的表面張力差也趨于消失。這種流動運動的反復進行，造成局部渦流。按照Helmholtz流動分配理論，這種流動，形成邊與邊相接觸的不規(guī)則六角形的網絡，稱之貝納爾旋流窩(Benard Cells), 旋渦狀小格中心稍稍隆起. 如果涂料的流動性差，干燥后就留下不均勻的網紋或條紋,稱為桔皮現象。

涂膜流平過程中常出現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，表面涂料不能及時流平所致。

涂料施工后，不可避免地產生條痕，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y，刷痕剖面的周邊曲線按正弦波剖面處理。按Rhodes和Orchaed關系式表示如下：

式中：a0—初始振幅，cm； at—經過時間t后的振幅，cm；

t — 時間，s； h—涂層平均厚度，cm；

λ— 波長，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在流運過程中不變（隨時間變化不大），且時間間隔很小，可按每一份時間間隔數縮減，進行數學處理，上式轉變如下：

該式的物理意義是，流平時間與流平次數成正比。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，相當于流平次數越多。

涂料表面張力一般在（2.5~5.5）×10-2N/m，改變表面張力對流平無明顯效果，而且會帶來不利影響。涂層厚度和波長對流平效果有顯著影響，而涂層厚度和波長受涂裝工藝所控制。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)逐漸轉變?yōu)楣虘B(tài)，可在涂料配方中添加少量高沸點溶劑，延長涂料表面開放時間，從而提高涂膜的流平性。

涂料在垂直面上施工時，由于重力作用導致流掛，涂料粘度低，涂層厚，表面張力高則流平性能佳但容易導致流掛。如涂料具有觸變性。就可以適當緩和二者的矛盾，在涂刷時受剪切力作用涂料粘度降低，呈現較好的流動性及流平性，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，使涂料具有適當的觸變性。

根據上述分析，為改善涂料的流平性，應考慮：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濕性，并且不致與引起縮孔的物質之間形成表面張力梯度；調整溶劑蒸發(fā)速度，降低粘度，改善涂料的流動性，延長流平時間；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、相容性受限制的長鏈樹脂、相容性受限制的長鏈硅樹脂等。

溶劑類流平劑主要是高沸點溶劑混合物。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致流掛等弊病；或者保持溶劑含量，只加入高沸點溶劑以圖調整揮發(fā)速度來改善流平，干燥時間也相應延長。故此兩方案均不理想。只有加入高沸點溶劑混合物，顯示各種遞增特性（揮發(fā)指數、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的混合溶劑，具有良好的溶解性，也是顏料良好的潤濕劑。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而造成刷痕，溶劑揮發(fā)導致基料的溶解性變差而產生的縮孔，或在烘烤型涂料中產生沸痕、起泡等弊病采用這類助劑是很有效的。另外采用高沸點流平劑調整揮發(fā)速度，還可克服泛白弊病。

相容性受限制的長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基材的潤濕性，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，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，應用時會形成有霧狀的涂膜。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，有機基改性聚硅氧烷等。這類物質可以提高對基材的潤濕性而且控制表面流動，起到改善流平效果的作用，當溶劑揮發(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硅，聚酯改性有機硅，反應性有機硅，引入有機基團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a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，提高對基材的潤濕性，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，有助于改善潤濕性、分散性和流平性，、還可以在溶劑型漆中調整溶劑揮發(fā)速度。

常用流平劑見下表：

商品名稱	組成	應用	生產商
BYK-300	聚醚改性有機硅	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BYK公司
BYK-306	聚醚改性有機硅	強烈降低表面張力，溶劑型涂料中增進底材潤濕，防止縮孔，改善流平，增光，增滑；增進消光粉定向效果，改善抗流掛性	德國BYK公司
BYK-330	聚醚改性有機硅	強烈降低表面張力，溶劑型涂料中防止縮孔，浮色，發(fā) 花，改善流動和流平，增光，增滑，抗劃傷；增進消光粉定向效果，改善抗流掛性	德國BYK公司
Tego Glide406	聚醚改性有機硅	溶劑型涂料中防止縮孔，改善流動流平，增滑；重涂性好	德國de-gussa公司
Tego Glide410	聚醚改性有機硅	溶劑，無溶劑型和水性涂料中強烈地增進表面滑爽，抗劃傷，抗粘連，防縮孔，增進消光粉定向效果	德國de-gussa公司
EFKA-3033	聚醚改性有機硅	強烈降低表面張力，溶劑型涂料中增進底材潤濕，防止縮孔，浮色，改善流平，增光，增滑，抗劃傷，抗粘喧嘩	德國de-gussa公司
EFKA-3232	聚醚改性有機硅	強烈降低表面張力，溶劑型和無溶劑型涂料中增進底材潤濕，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	聚醚改性有機硅	溶劑型涂料中改善流平，增光，增滑，抗劃傷，抗粘，連，增進鋁粉定向效果	德謙（上海）化學有限公司
DC-433	聚醚改性有機硅	強烈降低表面張力，溶劑型涂料中增進底材潤濕，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）化學有限公司
DC-836	聚醚改性有機硅	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）化學有限公司

商品名稱	組成	應用	生產商
BYK-310	聚醚改性有機硅	強烈降低表面張力，在溶劑型自干漆和烘烤漆中增進底材潤濕，防止縮孔，改善流平，增光，增滑，耐熱達230C，烘烤漆重涂時不影響層間附著力，不產生表面缺陷	德國BYK公司
BYK-323	聚酯改性含羥基有機硅	在溶劑型及無溶劑型自干漆和烘烤漆中改善流動和流平，增進表面滑爽，淋涂時可穩(wěn)定簾幕，具有消泡作用	德國BYK公司
EFKA-86	異氰酸酯改性有機硅	與含羥基本羧基官能團的溶劑型涂料進行交聯反應，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	異氰酸酯改性有機硅	與含羥基可羧基官能團的溶劑涂料進行交聯反應，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，增進底材材有效地防止縮孔，改善流動和流平，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BYK公司

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

流平劑加入后，對于涂料流平性能的提高一般采用目測判斷，也可以采用間接法取得定量的數據如測試涂膜光澤度。

四、發(fā)展趨勢

隨著高性能涂料的開發(fā)應用，流平劑在國內已得到應有的重視，一方面借鑒國外品種開發(fā)應用的經驗，開發(fā)了部分新產品，另一方面從結構-性能關系角度，進行必要的理論研究，同時結合涂料組成和實際應用開發(fā)新產品，進入分子結構與功能效應的設計階段，開發(fā)新結構、多功能的流平劑已成為趨勢。

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

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