水性漆配方的搭配關鍵問題！
2021-11-10 09:13:33
admin
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快干是最常聽到的客戶對水性涂料的要求。由于其分子結構的獨特性，即分子間極強的氫鍵作用，特性與絕大部分有機溶劑有著明顯的區別。在水性涂料領域，這個特性集中體現在，由于水的蒸發熱高，水的蒸發速度要比常見的涂料溶劑慢十幾倍甚至幾十倍。而且，由于空氣中水蒸汽的含量顯著，并隨季節變化大，水的蒸發速度隨之發生變化。最嚴重時，如果空氣相對濕度達到100%時，水的蒸發會停止，而非水溶劑則不受此因素影響。 雖然，水性涂料面臨以上所述技術挑戰，但由于其環保特性，必然會成為涂料領域重要的一員。隨著過去十幾年水性涂料工作者的不懈努力，水性涂料技術日趨成熟。以下就影響水性涂料干燥速度的主要因素，及配方時可采取的相應措施進行討論。像所有涂料一樣，水性涂料的性能在很大程度上是由配方中選用的樹脂決定的。絕大多數水性成膜樹脂為乳液體系，該體系的成膜機理與溶劑型涂料不同。溶劑型樹脂與溶劑形成單相體系，隨著溶劑的蒸發，體系粘度增大，直至成為固體，從體系的機械性能來講，是一個連續的過程。而水性乳液則是一個雙相體系，隨著水的蒸發，體系粘度起始時變化不大，但當乳液顆粒的體積占總系統體積達到一臨界值時，系統突然從液態變為固態，是一個不連續的過程，這一臨界點是水性涂料表干的開始，因此水性涂料的表干時間要比某些溶劑型涂料還要短。從表干到漆膜性能的全部體現，取決于系統中殘留水分的蒸發速度，乳液顆粒中高分子的相互滲透，及體系中其它有機小分子的揮發速度。為了實現系統的優化，制作水性漆配方時，應從以下幾個方面對樹脂進行選擇： a)固含量：通常，乳液的固含量越高，其距離表干臨界值就越近，干燥速度就越快。然而固含量過高，也會帶來一系列的不利因素。表干過快會使涂刷間隔縮短，帶來施工上的不便。固含量偏高的乳液，由于樹脂顆粒間距小，通常其流變性能較差，對增稠劑也不敏感，使對涂料的噴涂或粉刷性能調節的困難增大。 b) 乳液顆粒大小：乳液的顆粒越小，同樣固含量下，顆粒之間的間距就越小，表干臨界值就越低，干燥速度就越快。乳液顆粒小，還會帶來成膜性好，光澤度高等其他方面的優勢。c) 樹脂玻璃化轉變溫度（Tg）：一般而言，樹脂的Tg越高，最終成膜的性能就越好。然而，對于干燥時間來講，其趨勢則基本相反。Tg高的樹脂，通常需要在配方時加入較多的成膜助劑，以便高分子在乳液顆粒間的相互滲透，促進成膜質量。而這些成膜助劑，需要足夠的時間從體系中揮發，實際上會延長從表干到全干的時間。所以，從這Tg這個因素來講，干燥時間與成膜性能往往是相悖的。d) 乳液顆粒的相結構：取決于乳液的制備工藝，同樣的單體組成可能會形成不同的顆粒相結構。被廣為人知的核殼結構就是其中的例子之一。雖然一個乳液不可能所有的顆粒都做成核殼結構，但這個形象的比喻是人們對乳液的成膜性能可以有一個通俗的了解。如果顆粒的殼Tg低，核Tg高，那么該體系成膜助劑需求少，干燥較快，但由于成膜后連續相是低Tg的樹脂，漆膜的的硬度則會受到一定影響。相反，顆粒的殼Tg高，則成膜需一定量的助劑，則膜的干燥速度會較前者慢，但干燥后的硬度會比前者高。 e) 表面活性劑的種類和用量：常見的乳液在制造工藝中均采用一定的表面活性劑。表面活性劑對乳液顆粒有隔離和保護的作用，在顆粒相互融合的成膜過程中，特別是在初始階段，即表干時有很大影響。而且，這些獨特的化學品，在水和油相中均有一定的溶解度，溶在樹脂中的部分其實會起到成膜助劑的作用。不同的表面活性劑，由于其在樹脂中的溶解度不同，其成膜劑的作用也會不同。水性樹脂成膜固化一般有幾個層次上的機理。首先，乳液顆粒的聚集和融合，是所有乳液表干都必然經歷的機理。然后，水和其他成膜助劑的揮發，使熱塑性樹脂本身的基本性能得以充分體現，是固化的第二個階段。最后，某些乳液在制備時引入交聯機理，或在涂料使用時引入交聯劑，使膜的硬度在熱塑性樹脂的基礎上進一步提高。最后這一步的交聯機理，會對膜的最后固化速度和程度有很大的影響。常見的交聯機理有氧化交聯（如醇酸樹脂的交聯），麥克爾加成式交聯（如一些自交聯乳液體系），及親核取代式交聯（如環氧，聚氨酯等）。這些交聯反應，都受溫度，pH等因素影響，在配方時應平衡體系的固化要求與其他性能的關系。從理論上講，任何樹脂的溶劑都是成膜助劑。在實踐中，考慮到安全，成本，速度等因素，常見的成膜助劑也不過十幾種，主要是一些高沸點的醇，醚及酯。這些成膜助劑對于不同的水性涂料工程師來講又會各有偏愛。一般，某個有經驗的工程師，常用的成膜助劑不過兩三種。主要考慮因素是試劑在水和樹脂之間的分配和在樹脂顆粒內部的分配。特別是當水性樹脂為多相樹脂時，成膜助劑的選擇和搭配即顯得尤為重要。 在本文開始時我們討論了水的問題。正因為水的特性，使得水性涂料在施工環境上比油性漆要求要高一些，主要是盡量控制施工時的溫度和濕度。通用配方的施工要盡量避免高濕環境。如果必須在高濕度下施工，應該對配方進行調整，或者選擇成膜性快的樹脂或者對現場實行隔離處理。水性丙烯酸乳液配方需要考慮的問題：乳液顆粒的相結構和成膜助劑
水性丙烯酸乳液顆粒的內部結構，會對水性漆配方的幾個方面有影響。以影響效果發生先后順序來分，相結構首先會影響成膜助劑的選擇和添加方式。不同的相具有不同的親水/親油特征，而各種成膜助劑的親油性也不同，比如二丙二醇甲醚（DPM）就比二丙二醇丁醚（DPnB）的親水性高，親油性低。如果水性丙烯酸乳液顆粒外層是親油性很強的相，那么DPM的加入不但對成膜效果不明顯，而且還會使多余的DPM游離在水中影響水性漆漆膜的其他性能。相結構對水性漆配方的另一影響，就是對水性漆漆膜的成膜質量的影響。成膜質量的關鍵是在水性丙烯酸乳液顆粒融合的過程中，讓需要混合的相充分混合，而需要分離的相保持分離。如果不同的相都需要參加融合，則應該選擇混合的成膜助劑以達到最佳效果。 國內外許多關于水性丙烯酸乳液聚合的文獻，大都提到核殼等多種乳液顆粒的結構問題。比如，像核殼，半月，多核，中空，及草莓等多種結構都有報道。雖然這些結構的描述對理解水性丙烯酸乳液顆粒結構的復雜性很有幫助，但實際上水性丙烯酸乳液的結構要復雜得多。比如，只有單一相結構顆粒的乳液是不存在的，實用水性丙烯酸乳液中的顆粒是各種結構的分布，可能核殼多一些，可能草莓多一些，等等。水性丙烯酸乳液生產商是通過單體的選擇，添加順序，表面活性劑額的使用等等工藝條件來控制水性丙烯酸乳液的相結構。 由于通常水性丙烯酸乳液的相結構屬乳液生產商的技術秘密，通常該信息是不公開的。但供應商都會提供其所供水性丙烯酸乳液的推薦助劑和比例。通常不同的水性丙烯酸乳液會要求不同的助劑組合就是這個道理。水性樹脂的玻璃化溫度（Tg）與最低成膜溫度（MFFT）的關系
通常情況下，水性樹脂如水性丙烯酸乳液或水性聚氨酯分散體的的玻璃化溫度越高，其最低成膜溫度越高，在室溫下的成膜性越差，需要的成膜助劑的量就越大。其中原因眾所周知，成膜的必要條件是水性樹脂顆粒的互融。這就要求水性樹脂顆粒在成膜溫度下有足夠的流動性，也就是說成膜溫度應該高于水性樹脂顆粒樹脂的玻璃化溫度。但是，很多水性樹脂產品成膜后的Tg要比最低成膜溫度高，違背以上所述常見的規律。其中有幾個原因。首先，以上所述通用的理論是建立在幾個假設的基礎之上的。假設一為水性樹脂顆粒中樹脂的玻璃化溫度，或軟化溫度與成膜后樹脂的一致。假設二是水性樹脂顆粒之間沒有差別。在實際的水性樹脂合成工藝中，這兩個假設都可以被打破。首先，在過去十幾年的人們對納米材料的研究中了解到，當顆粒的大小達到納米水平時（小于50納米），由于顆粒表面積的大幅增加，有如顆粒本體的含雜質量增加，顆粒表面對顆粒本體性能開始發生影響，顆粒的熔點和軟化點會大幅度降低。也就是說，當水性樹脂中納米級顆粒含量增加時，顆粒的玻璃化溫度會低于成膜后的玻璃化溫度。另外，現代的水性樹脂合成技術，通常使用多步驟的聚合方法，使得水性樹脂顆粒形成多層次或多相的結構，也使水性樹脂顆粒之間產生差異，就是說水性樹脂顆粒的玻璃化溫度會彼此之間不同。只要體系中存在足夠的軟顆粒，水性樹脂就可以成膜。水性樹脂成膜溫度低于成膜后的玻璃化溫度的另一個原因是膜的反應性。一些自交聯體系在成膜后引發進一步的交聯反應，使得材料本體的分子量升高，導致膜的玻璃化溫度升高。但是通常這一類的影響相對較小，因為玻璃化溫度的隨分子量升高的能力是有限的。回粘是水性涂料配方人員經常遇到的問題。要解決水性丙烯酸漆回粘問題，必須從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為線性熱塑型高分子在高于玻璃化轉變溫度時，流變性增加造成的。1. 加入高 Tg的丙烯酸樹脂，并用揮發性較快的。2. 盡量使用自交聯型的丙烯酸樹脂；3. 盡量選擇粒徑較少的丙烯酸乳液； 4. 加入PUD。PUD有一定的熱固性，可以減少熱塑性； 5. 加入蠟乳液。蠟乳液可以在涂層表面形成蠟膜，減小表面粘性； 6. 如果樹脂體系含有羧基，可適量加一點鋅等金屬鹽或氧化物，起到離子型交聯的作用；水性涂料生產過程中，發現涂料在增稠后含有大大小小的氣泡。氣泡體積大者為大泡，體積小的為微泡，這種現象常發生在彈性拉毛等厚漿型涂料中。在水性涂膜干燥后氣泡會引起針孔或痱子，影響漆膜外觀。水性涂料中氣泡產生途徑：涂料制造過程中，顏料和填料的分散、增稠調漆過程中的攪拌、成品涂料在過濾分裝過程中產生振動、涂料在調色過程中與色漿混合攪拌，攪拌引進空氣，空氣在水性涂料中被表面活性劑包裹穩定在涂料中成為氣泡。具體到水性涂料配方與生產工藝環節上，涂料制造過程產生氣泡主要在以下幾個工序中。 1. 顏料和填料分散階段投料順序不當，容易導致微小針尖泡的產生，尤其在超細填料比例高、固體量也高的涂料體系。細粒徑的填料比表面積大，吸附較多的空氣，應在低黏度情況下首先投入，有利于泡沫逸出。如果細粒徑填料放在最后的階段投人，細填料投料后漿料黏度已高，由細填料帶進的大量空氣進入漿料中形成微泡。微泡難以聚集長大上升到涂料表面破裂，而使氣體全部留在涂料中難以脫出。 2. 水性涂料配方中使用過量表面活性劑在攪拌中易起泡。涂料生產、過濾、運輸中的振動，以及涂料從高處往下傾倒、攪拌都會再次產生氣泡難以脫出。 3. 分散機的分散盤齒設計不合理，或分散過程中分散盤安置在涂料中的位置不當，在高速攪拌下，大量空氣被旋渦帶入高速分散的涂料中。 1. 水性涂料生產投料應按先細后粗的順序，有利于氣泡的脫出，防止微泡的產生； 2. 水性涂料配方生產中不過量使用潤濕劑，不可以用潤濕劑替代分散劑。如果為了某種要求非用不可時，宜選用低泡潤濕劑。額外的潤濕劑在調漆階段添加。并在漿料制備中加入抑泡能力大的消泡劑； 3. 涂料過濾、包裝、傾倒盡量減少振動和傾倒高度； 4. 選擇好分散盤，分散物料時通過實踐確定最佳分散盤在分散物料中的位置，不可在分散中形成較大的旋渦，以免帶進大量空氣。水性丙烯酸樹脂，自干體系。60℃／120分鐘后泡入水中、用手指甲可以劃下來。但拿出來待水干后又可以的，該如何解決？這個測試方法還是很苛刻的。一般水性樹脂，丙烯酸，聚氨酯或自交聯單組分體系，都很難滿足。可以考慮以下幾種其他辦法： 2. 如果樹脂體系里含羧基，何以考慮添加鋅鹽增加交聯度。我用水性丙烯酸樹脂+氨基樹脂做出來的玻璃漆在烘烤時出現痱子。具體情況如下：溫度：80 度； 時間：2分鐘就開始出現；在放進烤箱時已經流平；閃干時間10分鐘； 已經改過消泡劑、流平劑、溶劑，都沒效果. 我想問下還有什么辦法把痱子消掉。1）因為您的烘烤溫度是80C, 那么涂層的溫度最高不過80C，在這個溫度下，如果您沒在體系中加入很多催化劑的話，應該不會有什么化學反應發生造成氣泡。 2）您看到的氣泡很可能是原來配方中的低沸點物質造成的。通常氨基樹脂不應有這類問題。問題可能出在您配方中其他的組分上。1）不妨做個實驗，從丙烯酸樹脂開始，逐個組分往里添加，每次添加后做涂膜烘烤實驗，直到找到發泡的組分。 2）如果無法解決，請試用一下高溫自交聯樹脂，使用時不用加氨基樹脂，直接可以加顏填料和助劑制成烤漆，相信您會感興趣。在鋁材上有很好附著力的水性丙烯酸底漆，一次成膜厚度達不到要求，但是加入了流變助劑后（如BYK425），在鋁材上附著力下降，容易返粗，請問是為什么？應該加入何種流變助劑？配方設計應當注意哪些問題？ 水性金屬漆漆膜的附著力不好可以從幾方面考慮。假設是你所見到的問題是由于水性金屬漆漆膜和底材之間的破損而不是水性金屬漆漆膜自身的破損，漆膜附著力下降有可能是因為BYK425流變增稠劑使得漆膜變厚。在同樣的干燥條件下， 如果干燥不夠，漆膜底部強度下降，導致附著力下降。但是，我們不認為這是主要原因。你所見到的返粗現象在很大可能上是因為你所選擇的增稠劑BYK425與你的水性金屬漆配方體系混溶性不好，造成強度下降。 具體的說，在你的水性金屬漆配方中，你所選擇的水性樹脂本身以及添加劑分散體系和BYK425流變增稠劑有競爭作用，二者都與填料都發生作用，導致你所見到的附著力下降和返粗現象。要解決你的水性金屬漆配方附著力的問題， 必須選擇與樹脂體系互溶性好的添加劑。為什么自交聯強的水性樹脂，在濕度大的條件下，干燥較慢：而非自交聯的水性樹脂，在濕度大的條件下，干燥相對較快？ 影響樹脂干燥的因素較多，其中比較重要的包括乳液的固含量，樹脂的Tg，樹脂顆粒的表面化學等等。在我們的工作中，并沒注意到您所說的現象。因為沒有看到您的對比數據，所以這里只是討論。要下您所給的這個結論，我們首先必須選擇相同Tg和相結構的樹脂來比。如果樹脂聚合物的Tg相同，自交聯乳液比起一般乳液的不同主要是兩個方面。一是其樹脂單體中含有反應性基團及交聯劑，這些基團雖有一定的親水性，但其濃度比起體系中其他親水成分，如表面活性劑等來講，是不顯著的，我們不覺得會對干燥性有質的影響。我們覺得可能性最大的一個影響因素是乳液的固含量。通常自交聯乳液要比普通乳液的固含量低，以保證乳液穩定性。兩種乳液固含的差別可以到5-10%。您會不會看到的是這個現象？我公司上周生產一批水性涂料。配方未有變動。在生產完成后，涂料出現團塊絮狀物，過濾很難除去，水性涂料質量降低。請問是什么原因引起的？有什么方法可以去除？ 1. 最常見的是顏料、填料分散完畢，調漆過程中添加成膜助劑時出現絮凝團塊物。對此團塊未處理強行分散增稠，絮凝團塊繼續留在涂料中，過濾也很難除去。 2. 涂料生產在增稠過程中，增稠劑濃度高、添加過快，引起局部劇烈增稠，成為顆粒團塊：尤其是堿溶脹類增稠劑、纖維素醚類增稠劑直接添加易導致團塊物出現。 3. 纖維素醚類增稠劑與某些增白劑，如羥乙基纖維素(HEC)與增白劑搭配使用，會出現絮凝團塊，導致過濾困難。成膜助劑引發顏料、填料絮凝，多發生在低PVC (Particle Volume Concentration 顏料體積濃度）有光涂料體系中。低PVC涂料體系常搭配疏水低離子濃度的分散劑。由于PVC低、聚合物乳液量高，相對成膜助劑用量大，添加成膜助劑過程中，溶劑將分散劑從顏料和填料表面剝落下來，使顏料和填料絮凝。要避免體系發生此種絮凝，可以對成膜助劑進行預乳化后再添加。成膜助劑預乳化組成可以參考如下配比：成膜助劑與5％左右助溶劑(乙二醇或丙二醇等)、O.5％左右的高HLB值的潤濕劑、50％～80％的水，總計100％，混合后攪拌均勻添加。對于已經引起了絮凝的分散體，適當添加潤濕劑再高速分散，打開絮凝體，然后正常調漆。一般潤濕劑占總漆量的0．2％左右。對于增稠劑添加速度過快、過濃引起的絮凝團塊，可以采用改變添加方式來預防。對于高相對分子質量的纖維素醚、堿溶脹(ASE)或疏水改性堿溶脹(HASE)類增稠劑，可先制成一定濃度的預凝膠，以預凝膠形式可在任何階段添加。纖維素醚增稠劑還可以提前在分散顏填料過程中添加，使增稠劑在涂料中得到充分的溶解。堿溶脹(ASE)、疏水改性堿溶脹(HASE)增稠劑可用水稀釋，按照水與增稠劑4：1的比例添加。聚氨酯或聚醚締合型增稠劑可以采用助溶劑，將配方中的助溶劑(乙二醇或丙二醇、成膜助劑等)按照1：1的比例稀釋后，在攪拌下慢慢添加。為避免纖維素與增白劑搭配使用出現團塊，在選擇原料時應確定產品的化學成分，并通過實驗選擇無不良反應的產品牌號。我公司現在在做木器漆首涂，試了一個水性樹脂（聚氨脂），附著力是沒有問題，目前的問題是加入色精后，涂在地板上，木紋顯示不夠清晰。該水性樹脂用量為90%，少于90%，板面發蒙木紋顯示不夠，現在用的溶劑是PM和BCS，沒有加水。不知道是什么原因？希望專家給點建議？ 你配方中采用的PM沒有問題。你所遇到的問題可能是由幾個原因引起的： 1. 你用的樹脂的潤濕性不夠。這是因為你的配方體系中的聚氨酯乳液粒子較大，直徑比木孔的直徑要大。因此，水性木器漆滲透性差，水性木器漆不能滲進木材紋理內部而覆蓋在木材表面，覆蓋了木材的紋路，減弱了木紋的層次感。
2. 你所使用的成膜助劑有可能和你所選擇的乳液兼容性不好。成膜助劑，或BCS, 對乳液有選擇性。這是因為水性樹脂生產商是通過單體的選擇，添加順序，表面活性劑額的使用等等工藝條件來控制水性樹脂的相結構。水性樹脂的相結構屬乳液生產商的技術秘密，通常該信息是不公開的。但供應商都會提供其所供水性樹脂的推薦助劑和比例。通常不同的水性樹脂會要求不同的助劑組合就是這個道理.在你的配方體系中，在水性樹脂用量高于90%的情況下，因為其他助劑的使用量相對減小，乳液兼容性問題相對不明顯，木紋顯得相當清晰。反之，在水性樹脂用量低于90%的情況下，其他助劑的使用量相對增大，乳液兼容性問題變得明顯，木紋也因此顯得“板面發蒙”。
來源：水漆助手
