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氟碳表面活性剂在水性木器涂料中的应用与研究

作者:深圳市长辉新材料科技有限公司 陈耀祖   |  发表于:2016-11-08   |  关键词:,木器涂料,非离子型,水性涂料,乳胶漆,树脂

作者:深圳市长辉新材料科技有限公司 陈耀祖

摘要:在环境保护的浪潮中,涂料行业也在寻找自己的方向,水性化是一个重要的途径。然而“知易行难”,由于水性漆的光泽、附着力、耐水性以及流平润湿性与溶剂型涂料相比还有一定的差距,所以在工业漆及其他特种涂料中,溶剂型涂料还是占有绝大部分市场。

但是保护环境和有效利用石油资源的压力,都使得水性化成为涂料行业不可逆转的趋势。解决技术问题是涂料行业水性化的关键所在。本文着重介绍氟碳表面活性剂在水性涂料特别是水性木器涂料中的应用,希望能够对水性木器涂料的推广有所帮助。

氟碳表面活性剂介绍

先给大家介绍一下表面张力的概念。在物质内部,每个分子受其周围分子的作用力是对称的,处于平衡状态。而处于表面上的分子所受的作用力是不对称的,一方面受到内部分子的作用力,另一方面还受到与该物质表面相接触的其他物质分子的作用力。这两种力是不平衡的,相互作用后的结果就是在两种物质界面的地方产生表面张力,其方向与物质表面相切。作一个形象的比喻,就像一个气球,里面充满了水,那一层皮膜就相当于表面张力,它有使水的表面积缩小的趋势,变成球形。如果忽略地球重力的影响,那么所有的水滴都应该是球形的。

而氟碳表面活性剂就是这样一类物质,它的分子同时具有极性基团(亲水结构)和非极性基团(疏水结构),使得它活跃于两相物质的界面,能够降低表面张力,从而改变物质的界面性质,就像针刺在皮膜的表面一样,使得皮膜收缩能力变小了。根据表面活性剂疏水结构的不同,又可以分为碳氢类、有机硅类和氟碳类的表面活性剂。 

氟碳表面活性剂是指普通表面活性剂碳氢链上的氢全部或部分被氟原子取代的一类表面活性剂。C-F链化学稳定性和热稳定性都很高;此外氟原子的半径比氢原子大,能将碳原子完全遮盖起来,范德华力小,即分子间力小,故氟碳表面活性剂具有很多普通碳氢表面活性剂不具有的特征:

第一:极强的表面活性。在水中只要很低的浓度就能够强烈的降低水的表面张力,提高了水性体系的湿润性和渗透性。由于氟原子非常难以被极化,使氟碳链极性比碳氢链小。正是因为这种低极性,使氟碳链具有憎水性的同时还有憎油性,因而在有机溶剂中也有高的表面活性。

第二:极好的稳定性。因为氟碳键的键能很大,不容易被破坏,所以具有极好的化学稳定性和热稳定性,可用于碳氢活性剂无法稳定存在的场合,如高温、强酸、强碱溶液中。

第三:生产成本高。氟是电负性最强的元素,所以对设备的要求非常的高,加之合成氟碳表面活性剂的工艺也比较的复杂,造成了目前世界上氟碳表面活性剂的产能不大,成本较高,市场售价也不便宜。

与普通表面活性剂一样,氟碳表面活性剂的分类依据其极性基团结构不同可分为非离子型和离子型二大类。非离子型的亲水基一般为聚氧乙烯醚类的产品,易溶于水、有机溶剂(包括酸、碱介质),与其它类型活性剂的相容性也更好。由于在水中不电离,故对pH值稳定性高,但是要避免在强氧化介质中使用,以免造成醚键断裂。非离子型的氟碳表面活性剂也是在水性涂料中应用最为广泛的一类。离子型氟碳表面活性剂根据亲水基的不同又可分为阴离子型、阳离子型和两性离子型氟碳表面活性剂。

氟碳表面活性剂的效果

在水性涂料中,氟碳表面活性剂又有哪些神奇的效果呢?

润湿性 由于水性体系自身的表面张力较大,72达因左右。对于一些低表面能的表面或者是表面有油污,普通涂料很难润湿铺展,常常引起的后果就是缩边、缩孔、火山口。这时候可以添加氟碳表面活性剂,改善涂料对基材的润湿性。

BNK-4021氟碳表面活性剂的添加量与水的表面张力的关系。首先水的表面张力是:72达因/厘米,而在涂料体系添加了BNK-4021氟碳表面活性剂可将表面张力降至17。当然,氟碳表面活性剂适用于所有的水性涂料及水性油墨体系。

第二、流平性 同样是由于表面张力的原因,水性漆特别是水性烘烤漆,特别容易产生桔皮鱼眼,可以通过添加氟碳表面活性剂来予以改善。对于一些低粘度要求的水性漆,添加氟碳表面活性剂,还可以在不增加粘度的情况下,增加流平性。

第三、防水性 相比较溶剂型涂料,水性涂料的耐水性总是不够理想。如果添加了氟碳表面活性剂,使得水性涂料膜表面覆盖一层疏水疏油的氟碳分子,水分子无法渗透,从而防水性得以提高。

第四、耐溶剂性 由于氟碳基疏水疏油的特性,氟碳基在涂料表面形成的分子膜,也有耐溶剂疏油的效果。

第五、提高耐沾污性 一般的污渍可以分为亲水性的污渍和亲油性的污渍。一般疏油的漆膜不防水性污渍,而疏水的漆膜有不防油性污渍,只有添加了氟碳表面活性剂的漆膜可以防水性油性的各种污渍。

第六、高温活性 有些水性烘烤漆的烘烤温度达到150度到200度,而氟碳表面活性剂在这样的温度下依然保持稳定,并发挥作用。

第七、提高抗粘连性 水性体系,特别是苯丙乳液体系一般抗粘连性较差,如果添加了氟碳表面活性剂,在漆膜表面形成氟碳膜,对提 高抗粘连性有所帮助。

第八、附着力 由于水性涂料湿膜能够很好的润湿基材表面,所以增加了涂料的附着力、并且不影响重涂,当然这个对附着力的影响不是决定性的。主要还是看树脂的性能。

第九、光泽 涂料的流平性提高,光泽也有一定的上升。

氟碳表面活性剂使用的注意事项

既然氟碳表面活性剂有这么多的优点,那么应用上与哪些需要注意的事项呢?还是以BNK-4021氟碳表面活性剂为例:

第一、添加量  氟碳表面活性剂的价格较高,如果是100%有效含量的全氟碳表面活性剂市场价格都在一千多。但是,氟碳表面活性剂的添加量也非常少,相比较于碳氢类百分之一和有机硅类千分之四到六的添加量,氟碳表面活性剂的添加量只有万分之五到千分之一。这样算下来,配方中会增加七毛钱到一块四毛钱左右的成本,比使用碳氢类的表面活性剂或者有机硅类的表面活性剂略高一点。但却提高了产品档次。当然,如使用美国美利肯公司的:BNK-4021氟碳表面活必剂的话,成本不但不会上升,反而比硅类产品更合理的成本。

第二、使用方法  BNK-4021的氟碳表面活性剂,不需要任何加工,在调涂料时,直接以滴加的方式添加入涂料体系,相比有机硅的产品,氟碳表面活性剂不会稳泡。

第三、环保性问题 谈到氟相关的产品,大家有可能会想到前一段时间美国环保署(EPA)发表的有关全氟辛酸胺(PFOA)的声明。全氟辛酸胺(PFOA)对人体和自然环境可能存在潜在的毒性。有些厂家已经开发了替代的产品。目前美国美利肯公司的产品是只含有4个碳原子氟碳基的全氟类的氟碳表面活性剂,是按照美国环保署(EPA)检测准则来制造和销售的。

第四、重涂性问题 使用过有机硅类表面活性剂的工程师往往会担心重涂性问题。  BNK-4021在任何配方体系里 , 无论在任何的成膜条件下 , 都不会发生第二次或多次涂装之间咬底和粘附不良等现象。当然如果使用不同的涂料涂装,那问题就不确定了。

第五、相容性问题 由于氟碳表面活性剂本身的稳定性,特别是非离子型的氟碳表面活性剂,几乎不与任何强酸和强碱反应。在各种树脂体系中,包括丙烯酸、聚氨酯、氨基和环氧体系中,均能够很好的发挥作用。而且对配方中的增稠剂、分散剂和消泡剂有协同作用。

氟碳表面活性剂在各种水性涂料中的应用介绍

水性木器涂料是除内外墙乳胶漆以外,最具有市场潜力的水性漆产品。水性木器涂料使用在门窗、家具、地板等地方,通常对其硬度、丰满度、耐水耐油和耐污渍性提出了较高的要求。对于丰满度、硬度和干燥速度这些性能与树脂的选择以及溶剂的搭配有关,与表面活性剂的使用关系不大。而对于耐水性、耐溶剂性、流平性,使用氟碳表面活性剂却能够在相当程度上提高水性木器涂料面漆的性能。

水性金属涂料是水性涂料的另外一个重要应用。目前国外在轻度防腐要求的地方很多已经使用了水性金属防锈涂料。国内这方面也刚刚开始起步。但是由于涂膜的耐水性不够,往往都是应用在室内。如果在水性金属防锈涂料中应用氟碳表面活性剂,可以对涂膜的耐水性有一定的提高。对于水性金属烤漆,应用氟碳表面活性剂有助提高漆膜的表面效果,因为在高温条件下,传统的表面活性剂并不能够很好的发挥作用,而氟碳表面活性剂却能够帮助润湿流平、防止缩边、缩孔、火山口和桔皮的发生。对于一些表面能比较低的金属表面,比如铝合金表面,添加过氟碳表面活性剂的水性涂料可以帮助润湿流平和增加附着力。

内外墙乳胶漆是目前应用最为广泛的水性涂料。各种具有新功能的墙面涂料被开发出来,例如负离子墙面涂料、防火涂料、弹性防裂涂料、以及各种合一的产品,基本是都是通过添加功能性的填料,或者使用一种或多种助剂,或者是使用具有某些优异性能的树脂。在内外墙乳胶漆中应用氟碳表面活性剂也能够使涂料具有某些特别的功能。在内墙涂料中,加入氟碳表面活性剂可以起到防水防油、易清洗污渍的效果。而在外墙涂料中加入氟碳表面活性剂,则可以提高漆膜的耐水性、抗酸雨性以及耐沾污性。

水性汽车涂料是技术含量很高的涂料,目前的应用还是局限在汽车中涂层中,即有颜色的那层涂料中,在底漆和罩光面漆中还没有得到应用。由于汽车漆对表面效果的要求极高,不光要求卓越的润湿流平性,而且要求色浆或者金属颜料能够排列定向,氟碳表面活性剂也能够在这方面也能够发挥作用,国外一些大的汽车原厂漆制造商在水性汽车漆中都添加了氟碳表面活性剂。

水性木器涂料中使用氟碳表面活性剂介绍

前面提到氟碳表面活性剂在各种水性涂料中都能够发挥一定的作用,然而目前的实际应用却不是很多,原因有两方面,第一、氟碳表面活性剂的价格较高,一些低档的水性漆用不上这个产品,当然,还是有一些技术人员对这类产品不太了解的原因;第二、使用在木材或金属的表面,漆和底材,正越来越多的技术人员开始关注并使用氟碳表面活性剂。

然而对于水性木器涂料情况却不一样。一方面目前市场上的主流木器漆产品都是采用溶剂型的聚氨酯体系,产品的价格较高,给水性涂料的发展留下空间。另一方面,由于木材表面极低的表面张力,使用传统的表面活性剂不能够解决问题。因此在水性木器涂料中应用氟碳表面活性剂效果最明显,也最具有意义。

从技术角度看,水性木器涂料的开发有三个难点。

第一、润湿流平性问题。塑胶是由非极性的碳氢类不饱和低分子聚合而成,表面张力很低,使用一般的碳氢类和有机硅类的表面活性剂很难润湿塑料表面。从而出现缩边或者桔皮现象。使得水性漆很难润湿铺展,从而形成缩孔。我们曾经帮助一个客户作过对比试验,说明如下:

表1 水性木器涂料当中应用不同表面活性剂效果的对照表:

表面活性剂

添加量

表面效果

表面张力(达因/厘米)

HC表面活性剂

1%

较多缩孔、火山口

30左右

BNK-LK600流平剂(硅类)

0.5%

较少缩孔、火山口

27-28

BNK-4021

0.1%

没有缩孔、火山口

17

表2 部分常用材料的表面张力值

PTFE(聚四氟乙烯)

PVDF(聚偏氟乙烯)

油漆

PE

PVC

72

18

25

30

31

39

第二、附着力的问题。最常规的塑胶基材,包括PE、PP、ABS、PC等等。从目前水性树脂的技术发展来看,水性木器涂料的附着力已经不是问题。使用氟碳表面活性剂能够进一步润湿底材以增强附着力。

除了上面提到的二个方面,氟碳表面活性剂还能够帮助提高水性木器涂料的耐水性、抗沾污性。

结论

表面张力越低的底材,使用氟碳表面活性剂越有价值。由于木器表面张力极低。水性木器涂料的体系中,选用氟碳表面活性剂几乎是必不可少的。就市场而言,目前国内生产水性木器涂料的公司已经很多了,相信大家会习惯使用氟碳表面活性剂的。

最后还是要说明一点,氟碳表面活性剂不是万能的,它可以帮助解决很多水性木器涂料在应用上的问题,但是并不是只要使用了氟碳表面活性剂就一切迎刃而解。想提醒大家,成膜物质的性能是决定水性木器涂料各项性能的最根本因素。水性木器涂料的推广首先还是依赖于我们的树脂技术的发展,正确的配方和生产工艺以及施工方法都可以提高水性木器涂料的性能。这一点,【长辉化工】的水性乳液:LS-WBR 7717W、LS-WBR 7718W,在合成时,已经添入了氟碳表面活性剂,在水性木器涂料的应用中,再加入少量的氟碳表面活性剂,将它牵引出来,达到荷叶效果,是其它水性木器乳液不可比较的。



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