不再高低起伏-水性涂料的流平控制

作者 Anne Odoux，研发工程师，Synthron公司，法国，Indre et Loire

无论是装饰涂料还是工业涂料，水性饰面都需要完美的外观和最佳的机械性能。流平剂和基材润湿剂可为这一目的提供有价值的帮助。

水性涂料在干燥过程中，尤其是在高速应用（如喷涂）后，表面可能出现一些不规则或明显的纹理。这包括涂层表面缺陷，如缩孔、鱼眼、针孔和波浪效应。理想的饰面源于较好的基材润湿性和液体涂料较好的流平性。这些特性在干燥过程中形成了连续且均匀的薄膜，从而实现更好的机械性能。这些性能与表面张力问题直接相关，尤其涉及到两个界面：液态-空气和液态-基材。

掌握表面张力现象

表面缺陷

表面缺陷通常由液-气界面表面张力的不均匀性引起，在该界面上液体倾向于减少其表面积，从而降低能量。例如，由于这些不均匀性，在干燥阶段，水分蒸发，从而激发了挥发性成分处的局部表面张力上升。流体向这些区域流动，从而导致波浪形和不规则性。这也可能发生在具有低表面能的污染物的界面处（图1和图2）。

最常见的表面缺陷是缩孔或鱼眼。在表面张力较高的区域，这些缺陷表现为小的圆形缺陷（凹陷约为1至5mm，鱼眼高达20mm），它们对饰面的美观造成了破坏。此外，如果液体没有形成均匀的层，在干燥阶段后，溶剂分子会保留下来，形成一个压力点。这些被称为针孔（或爆裂点），在干燥表面上显示为小点（小于1mm）。还有橘皮效应——会产生一个结构和波浪表面形貌。橘皮可能导致鲜映性（DOI）不正确，DOI表示涂层表面反射的外观质量。该数据是光泽测量的有用补充，用于说明表面的平滑度和外观，它也会随液体的不透明度增加变得更差。

流平性

我们的表面添加剂是表面活性剂类的聚合物。由于它们的化学结构，它们迁移并处于液-气界面的位置。这些聚合物可以在必要时进行有机改性，以调整其他性能（流动、平滑性等），并或多或少地与介质相容。

添加剂的化学结构必须与介质稍有不相容，以便它能够向界面迁移并起到减少短波的作用。另一方面，它必须与介质充分兼容，以避免透明涂层产生雾影。因此，流平剂会集中在液-气界面，并使涂层的表面张力均匀化。平衡该界面处的表面张力有助于显著减少短波纹，从而提高流平性并防止表面缺陷。

基材润湿

适当的基材润湿对于实现好的流动和流平性至关重要。通过液体和基材之间的低接触角，可以促进基材的良好润湿（图3）。当液体的表面张力低于基材的表面能时，低接触角（θ<90°）是可以产生的。因此，可以通过降低液体的表面张力或通过增加基材的表面能来改善基材润湿性。表面添加剂便是通过降低液体涂料的表面张力来作用于第一个参数。

与涂料中通常使用的溶剂（20°C时为70mN.m -1 ）相比，水是一种具有高表面张力（20°C时为73mN.m -1 ）的液体。因此，水性涂料要获得良好的基材润湿性更具挑战性。

表面添加剂的开发需要更好的综合性：如果添加剂提供的表面张力太低，基材润湿性会得到改善，但难以避免表面的波动效应。若表面张力过高，可能会发生基材的润湿问题。

流平剂的其他影响力

根据其化学结构，某些表面活性剂也可能对配方产生其他积极或消极影响。例如，它们可以作用于液体的流动，稍微改变流变性，或者更令人烦恼的是，稳定泡沫。或者，一旦体系干燥成膜，它们可能会改变表面的滑爽性、产生雾影、影响涂层间的附着力等。它们甚至可能会影响液体涂料的开放时间或干燥时间。在涂敷过程中，更长的开放时间可能会更好，因为它会具有更好的施工性能。它还延长了流平剂调整空气界面表面张力的可用时间，从而使涂料具有更好地流平性。因此，在选择有效的流平剂或基材润湿剂时，还应考虑其他参数，这一点也很重要。

两个化学家族

通常采用两种不同的化学物质来生产水性涂料用的流平剂。首先，是基于聚硅氧烷的添加剂，它们能大大降低液体的表面张力。它们赋予了涂料较好的流动性，并且在减少波动效应和橘皮方面也非常有效。但有时它们可能会降低多层体系中涂层间的附着力。其次，有基于聚丙烯酸酯的流平剂（均聚物或共聚物）。它们在降低液体表面张力方面的效率较低，但它们的化学结构使它们在减少缩孔或针孔方面非常有效，它们对减少橘皮也很有帮助。它们与介质的相容性可以在避免雾影的同时提高效率。

一系列新的添加剂

Synthron的Modarez®PW系列包括几种高效的流平剂和基材润湿剂。表1给出了其中四种添加剂的基本数据。

Modarez PW 336是一种含有游离羟基官能团的丙烯酸基添加剂，在改善流动性和流平性方面特别有效。它的作用是立即可见的，因为它减少了缩孔和橘皮现象。由于其粘度相对较高，建议使用稀释型Modarez FA 365，以便于操作。Modarez PW 363也是一种丙烯酸基添加剂，具有良好的表面流平性能。本产品在防护0饰面的干燥阶段提高了开放时间，但不会对总干燥时间产生负面影响。最后，Modarez PW 677也是一种流平剂，可显著增强涂层的表面外观，并具有较高的基材润湿性能。因此，该添加剂特别适用于表面能较低的基材，如打算涂覆水性体系的塑料。

在法规方面，所有这些添加剂均不含VOC，并符合欧盟Ecolabel (2014/312/UE)的要求，这可能有助于减少配方中其他含溶剂成分。此外，Modarez PW 336和FA 365符合FDA 175-300标准。

实验研究

配方

我们以传统白色水性建筑涂料对流平剂进行了评估，表2和表3详细说明了为测试其性能的这些基础漆配方。最后添加流平剂，并在自动搅拌机下将其混合均匀。这些实验中使用的添加量为2.5%。对于每种涂料，保留一份不含添加剂的基础漆样品作为参考。

测试过程

流平和基材润湿性测试

为了更好地观察涂层表面情况，我们将涂料涂敷在光滑的玻璃板上，且已经用乙醇进行脱脂处理。使用K-涂布棒对涂料样品进行涂施，湿膜厚度为100µm。为了完成测试，还在铝Q样板A-35进行了第二次应用。干燥过程在环境温度（23°C）下进行。在每次试验中，同时使用了含有和不含流平剂的涂料。

为了测试基材的润湿性，在聚丙烯和聚乙烯样板上进行涂料涂覆。这些材料的表面能很低，为30达因/cm，使用传统涂料很难进行重涂，使用水性涂料则更难。为了强调测试图 4 涂料样品的开放时间和干燥时间。 ?中基材润湿性的差异，在涂敷前未对基材进行表面处理（例如等离子技术）。塑料样板在使用前只简单地用乙醇进行了清洗。

使用湿刷和挤压刷将涂料样品涂成薄层。在接下来的几秒钟内，用一根小木棍在湿膜上画一个标记，这有助于观察到最终的去湿效果。事实上，当涂料未能适当地润湿基材时，它会收缩，使塑性孔出现，有时会形成滴状（爬行效应）。涂料的润湿能力在涂覆后立即可见。

开放时间测量

我们根据Beck Koller方法（ISO9117-4:2012），使用干燥时间记录仪测量了开放时间和干燥时间。使用立方体涂敷器在300 x 25mm玻璃条上涂敷涂料样品，湿膜厚度为120µm。将涂层样品放置在设备上，移动机架携带的半球形针在6小时内穿过样板的长度。实验完成后，读取干燥时间阶段，如图4所示。在实际操作中，所有这些阶段并不总是明显的。通常，我们可以很容易地观察到实干时间（我们称之为干燥时间）和表干时间（我们称之为开放时间）。

实验结果

添加Modarez PW添加剂可显著改善测试涂料的流动性和流平性。表4总结了它们的评估结果。通过作用于液体涂层的表面张力，这些水性体系的流平剂可以帮助消除许多表面缺陷，如针孔、缩孔或橘皮等。

在实验室进行的不同实验中，我们在下面重点介绍一些改善了流平性的例子。在玻璃板上涂敷含有Modarez PW 677的涂料A，结果表明，添加剂可以消除涂层表面上的针孔（图5），从而显著改善干燥漆膜的外观。

此外，在铝Q板A-35上的应用表明，Modarez PW 677改善了涂料B的流动性和流平性。如图6所示，未添加该助剂的涂料B呈现出一些由涂敷（在本例中为K-涂布机）引起的痕迹，而含有该添加剂的涂层表面则得到了改善。

实验还证明，Modarez PW 677提高了基材的润湿性。事实上，涂料A在使用后立即产生了收缩，并在聚丙烯和聚乙烯面板上出现许多去湿区域。然而，当涂料中含有添加剂时液体涂料的表面张力被充分改性，可以在基材上适当地铺展，并获得较好的润湿性。这在图7中很明显。此外，我们对该涂料的涂层间附着力进行了测试，表面Modarez PW 677对该参数未产生负面影响。

关于开放时间的测量，实验表明添加剂Modarez PW363产生了积极影响（图8）。当添加剂以2.5%的剂量掺入丙烯酸水性涂料C中时，加入该添加剂涂料的开放时间为17分钟，而未添加涂料的时间为8分钟，增加了9分钟。总干燥时间（30分钟）没有增加，两个样品的总干燥时间结果是一样的。

结论

Modarez PW产品是水性涂料的重要添加剂。由于这是它们的主要用途，它们在液体体系中提供了非常好的流动和流平性能。它们能与许多水性粘合剂完全相容，可以防止雾影产生，同时还可以消除表面缺陷，如缩孔、鱼眼或针孔等。它们还可以减少橘皮效应，这有助于改善光泽度和DOI。

由于其化学结构，它们对多层体系的耐水性或涂层间的附着力没有负面影响。此外，它们都是不含VOC的添加剂。

最后，Modarez PW添加剂系列产品各有其自身的特性，如Modarez PW 363可以改善开放时间，Modarez PW336能增强流动和流平性能，Modarez PW 677则具有优异的基材润湿性。

本文收录在《PCI中文版》杂志2021年9月刊中