有机助剂与涂料技术有机助剂与涂料技术林冠吟

有机助剂与涂料技术,有机助剂与涂料技术

有机助剂与涂料技术 典型的涂装材料(我们通常定义为“涂料”)含有四种成分： 1．成膜树脂(然后形成涂料的母体相)； 2.一种或多种颜料，赋予涂层遮盖力和颜色(有时也有体质颜料和填料来增强机械及隔离性质)； 3.载体成分—把所有成分结合在一起，并给予流动性(指有机溶剂、水或粉末涂料中的空气)； 4．功能助剂。 功能助剂(或简称“助剂”)—指涂料配方中的一类专门成分的总称，含量相对很少，但具有下列功能： ●强化并控制生产油漆和涂料的工艺过程(如颜料研磨、树脂在水中的乳化作用、油漆与基材间的相互作用等)； ●增强各种涂膜特性(附着性、耐划痕性、防水性等)，因而也就增强了涂膜性能； ●稳定液体涂料(防止沉降、分离、生物降解等)、涂料使用时(以免形成涂层缺陷、闪蚀 腐蚀等)和涂层(防止受太阳光、紫外线辐射和热的破坏等). 在某些情况下，助剂可用于排除故障。有时会发生这样的事况：工厂中或发送到客户手上的某一种现成的油漆偏离了正常条件或在储存或在涂覆中出现问题，或者该油漆不能形成具有所需要性能的涂膜，或者客户想要非正常使用该油漆(如涂覆不规则基材或改变干燥条件等). 这时，可向涂料中搅拌进一种适当的助剂，以便改善原始涂料的性能(如为了提高涂膜附着力，或消除涂覆过程中出现的涂膜缺陷，或为了控制pH值等). 商用助剂在油漆和涂料中可起30多种的不同功能今天，任何优质油漆的配方都包含有几种类型的助剂(从2-5种，有时更多)，用量占可达10％(一般，常规溶剂型油漆中占1-3％，水性乳胶漆中占5-8％)，而价值却可高达30％. 助剂在所有类型涂料中都需要：高固性涂料、任何分散型涂料(尤其它们存在于乳胶漆配方中)、粉末涂料、空气干燥和UV光固化涂料、许多特种涂料等.当然，各种不同类型涂料的配方包含有不同类型和不同组合的助剂(表1). 表1：常用类型助剂 消泡剂 0.1-0.2 流变控制剂 0.5-1.0 分散剂 0.3-0.5 乳化剂 1.0-3.0 润湿剂 0.2-0.3 抗缩孔剂 0.02-0.05 成膜助剂 2.0-4.0 表面调理剂 1.0-3.0 紫外光稳定剂 0.3-1.0 目前，美国油漆市场使用约3.5亿磅的各种助剂，价值约在8亿美元。 助剂表现出的各种不同的功能 大多数商业化助剂可按不同方式分类：按照化学本质、按照分子量大小(小分子量或聚合物类)、按照使用助剂的涂料类型(例如：粉末涂料用助剂、环氧涂料用助剂、卷材涂料用助剂等)，但目前常用的分类方法是依据它们在涂料配方及涂装工艺中的功能来划分的。 按照这种方法，所有类型的涂料助剂都可分成两大功能类别： 工艺过程助剂 控制涂料生产、储存、涂覆到基材和成膜过程： ●强化(润湿剂、分散剂、干燥剂和催化剂等)； ●控制(流变改性剂、传导控制、成膜助剂等)： ●保护(消泡剂、抗起皮剂、罐内防腐剂、腐蚀抑制剂等)； ●稳定(抗沉降剂、UV光稳定剂、中和剂、在聚氨酯涂料中的潮湿控制剂等)。 ●表面调理剂(增强涂层性能)； ●附着力促进剂(增强并稳定附着耐久性)； ●表面改性剂(消光剂、防粘剂、防水剂等)： ●稳定助剂(热稳定剂、UV光稳定剂、腐蚀抑制剂等)。 而某些类型的助剂还包括许多分类别。例如，不同分类别的表面调理剂的作用是产生不同的涂膜特性，尤其是： ●防滑控制助剂(防表面低摩擦)； ●耐划痕改进剂； ●耐磨损增强剂； ●耐擦伤、耐金属刻划； ●抗结块特性； ●表面导电性(防尘)； ●表面外观改性剂(软感、浮雕助剂)等。 一般地，每种助剂等级在某一单独类型的涂料中是有效的，有时仅在一种涂料中是有效的。尤其，不同等级但却发挥相同功能的的助剂被推荐用于水性和溶剂性油漆、高固性涂料和粉末涂料中(如流变控制助剂、分散剂、稳定剂等)。 因此，商业化助剂的供应商宁愿按照应用领域对他们的产品系列进行分类，例如：汽车涂料用助剂、卷材涂料用助剂、工业涂料用助剂等。 大多数功能类助剂都包含有几种等级，每种等级基于不同的(有时是变化很大的)化学组成。例如，以下化学组成被用于表面调理剂：硅树脂、蜡(天然和人工蜡—聚乙烯、石蜡、酰胺蜡)、金属皂和金属有机化合物、季铵盐。 表2：构成美国涂料市场的主要助剂系列 流变控制剂 25% UV稳定剂 15% 分散剂 11% 生物杀伤物 10% 润湿剂 8% 涂膜性能助剂 控制在使用中的涂膜性质： 不同类型的杀生物剂(所说的罐内防腐剂)被用于湿涂料中和还用于保护干膜防止受生物侵蚀。什么时候需要找正确的助剂? 种类繁多的不同功能、化学性质及等级的助剂，为助剂的选择提供了广阔的可能性，尤其在：1.研制新配方时；2．试图寻找一种更有效、更便宜的替代物时：3.排除故障(出现技术问题)时。涂料组成的多样性、涂料多组分的特点、以及助剂与其它组分的具体的相互作用(可阻碍助剂的效率或破坏组分)的可能性,都要求任何新的潜在助剂要在完整的涂料配方中进行正确地测试。对助剂的总体要求 市场上有种类繁多的助剂，而且一般推荐助剂等级可在相同功能的组别里互换使用。因此，为了给每一个具体的任务选择最合适的助剂等级，涂料配方设计师必须考虑到助剂的以下几个方面： ●技术和成本效率(在最小的用量下取得最大的技术效果)； ●在油漆和涂料中的稳定性，作用的持续性； ●可接受的生态和毒性特性(对于杀生物剂、成膜剂和几种其它类别的助剂，这个要求尤其重要)； ●没有或最小的副作用(可损害油漆的稳定性或涂膜性能). 此外，在为某一项工作选择最佳助剂等级的同时，涂料配方设计师还可获得额外的优点： ●对其它性质的有利影响，或协同作用的正面影响； ●多功能性； ●使用方便(把助剂加入到油漆配方中的工艺简单). 助剂能控制整个工艺过程的所有工序，还能控制涂料的特性、湿涂覆和使用中的涂膜性能。 在涂装技术的整个路径(包括几种工艺过程和材料类型)上，助剂都是起作用的。 表3给出了该技术路径的示意图，并以几种类型的助剂为例，说明对工艺过程的强化以及对材料特性的稳定和加强。 表3：涂装技术路径和涉及的各种助剂 材料 工艺 有用的助剂 原材料 合成 乳化剂、引发剂、催化剂等 半成品 涂料生产 分散剂、消泡剂、流变控制剂等 涂料-A 涂料储存和涂覆前准备 抗沉降剂、偶联剂、抗结皮剂、生物防腐剂等 涂料-B 涂覆 基材润湿剂、消泡剂、表面流动控制剂、增稠剂等 湿涂覆 涂膜形成 干燥剂/催化剂、溶剂蒸发控制剂、交联剂、成膜助剂等 涂膜 使用 附着力促进剂、UV光吸收剂/稳定剂、抗结块剂、防水剂、防滑、防划痕、防擦伤、杀生物剂等 许多种有效的助剂归功于在界面上的吸收 我们还可以按照助剂在涂装中起作用的位置对它们进行分类： ●在界面上或接近界面处发挥功能的助剂(控制分散稳定性和表面特性)—即所谓的吸收性助剂； ●在油漆和涂料本体上发挥作用的助剂(控制体积涂层结构和相关的特性)—即所谓的非吸收性助剂； 对于选择类型的助剂，表4给出在液体油漆(包括乳胶漆)、湿涂覆和使用中的涂膜中的作用点。显然，为了在任何界面上都有效，助剂必须拥有足够的能力被吸收(或浓缩)到该界面上。 表4：涂料助剂-作用点 A．涂料 相或界面 助剂类型 涂料/空气 泡沫控制、抗结皮剂 聚合物/介质 乳化剂 颜料/介质 颜料润湿剂、分散剂、树脂稳定剂 聚合物相 成膜助剂 介质相 流变改性剂、抗沉降剂、罐内防腐剂偶联剂、水质调节剂、缓冲剂、脱臭剂 个质/容器 罐内腐蚀抑制剂 B.涂覆 相或界面 助剂类型 涂膜/空气 消泡剂、表面变形控制剂、表面流动促进剂 介质/颜料 颜料稳定剂 介质/基材 基材润湿剂、闪蚀抑制剂 介质 干燥剂、催化剂、表面流动 C．干涂层 相或界面 助剂类型 涂膜/空气 表面调理剂增光剂、消光剂、防水剂、抗静电剂 涂膜/基材 附着力促进剂、腐蚀抑制剂 聚合物母体 热稳定剂、干膜杀生物剂、UV光吸收剂/稳定剂、交联剂。 例如，吸收性助剂是分散剂、基材润湿剂、泡沫控制助剂、附着力促进剂的情况。非吸收性助剂是流变控制助剂、成膜助剂、杀生物剂、UV光稳定剂的情况。 一般地，吸收性助剂在用量相对较低(占整个配方的0.05-1.0%)的情况下作用效率高，而非吸收性助剂一般用量较高(1.0-5.0%)时作用效率高。 每种类型的涂料利用 专门系列的助剂 事实上，每种类型的涂料根据其被指定的技术功能,利用专门系列的功能性助剂。 装饰性涂料需要助剂主要是为了保证颜料正确的分散(相关的助剂是分散剂)和颜色的形成(颜料颗粒用胶体稳定剂)、高光或受控的消光(增光剂或消光剂)、良好的流平性/流挂平衡—即具有足够的涂膜厚度和光滑性而不产生流挂(流变控制助剂—增稠或/和触变剂、表面流动-流平剂)、耐气候性(UV光吸收剂和稳定剂、水性乳胶漆用生物防腐剂)等。 工业涂料通常需要增强各种不同的使用性能：附着耐久性(附着力促进剂)、耐划痕、耐擦伤性(表面调理剂)等。 另一方面不同类型的涂料利用专用的不同系列的助剂还出于以下原因： 1.避免可能的相互作用，阻碍它们的效率

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