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基于涂料树脂表面张力分析漆膜缩孔产生原因——树脂表面张力

2023-09-11

  对于溶剂型涂料而言,溶剂通常能够溶解成膜物质,因而在体系中存在着成膜物质溶液。而成膜物往往由多种高分子树脂组成,而且每一种高分子树脂,其分子量大小、端基种类、支化形式、键接结构等也各不相同,这种溶液本身就具有多分散的性质。颜料在溶剂中溶解度极小,通常呈悬浮状态,因而颜料在溶剂中所形成的则是一种多分散性的胶体和粗分散系相混合而成的复杂体系。对于涂料这样一种复杂的多分散而言,在涂料施工工程中会出现很多界面现象,因而详细讨论和研究因而讨论和研究涂料树脂界面性能对理解涂料体系的特性,解决涂料涂装过程中的漆膜缺陷问题具有重要的指导作用。因此,本文讨论了涂料树脂间的界面张力产生及影响因素,重点分析了涂料界面张力对漆膜缺陷-缩孔产生的原因及相应对策。

  1.1树脂的表面张力

  涂料树脂属于低表面张力的物体。大多数树脂的表面张力小于50 mN/m。在实际应用中,需要研究树脂与空气、水蒸气等气体,与各种有机溶剂液体,与其他树脂、颜料等固体材料间的界面现象和相互作用,其内容相当多,而目复杂。

  由于高分子没有气态,即树脂气相的蒸气压为零。因此,与液态树脂共存的只有气相。固体树脂表面张力的测定有很大的困难,因此,固体的表面张力一般是通过间接方法进行测定的,对于涂层而可以先测定树脂熔体的表面张力,再根据表面张力与温度的关系进行外推。表1列出了一些树脂从液态外推至固体时的表面张力值。

  在黏流状态下,树脂的表面张力与温度的关系是呈线性变化的。随着温度的改变,高分子链构象变化受到长链分子缠结的影响,变化较小,所以其表面张力的温度梯度也小。同系物的表面张力往往随分子量的增加而增加,但是,当分子量达到一定数值后,表面张力不再变化。当发生力学状态转变时,树脂表面张力也将明显改变。

  1.2 树脂熔体间的表面张力

  当形成两相的两种树脂极性完全相同时,树脂间的表面张力将变小,如聚甲基丙烯酸甲酯和聚甲基丙烯酸正丁酯;随着两相间极性的差异增大,树脂间的表面张力将变大,如聚乙烯和聚醋酸乙烯酯极性相差较大。界面张力的大小主要取决于两相极性之差。极性差别越大,界面张力也越大。

  两种树脂熔体的界面张力随温度的增加而降低,其幅度很小一般仅为0.01 mN/(m·k)。树脂熔体间的界面张力一般可从几到十几毫牛/米,且随分子量的增加而增大。如果两种树脂间完全相容,则其界面张力为零。一般说来,树脂间要完全相容,其分子量是不能太大的。树脂的分子量一般都较人,对于结构上差异较大的树脂间,要实现完全相容是不大可能的。但如果采用接枝或嵌段聚合物作为添加剂,其中分别含有与两种树脂结构相似的链段。则可以大大降低它们之间的界面张力。

  1.3 树脂溶液表面张力

  树脂溶液的表面张力与其他溶液的表面张力一样,与组成有关。当树脂的表面张力比溶剂的表面张力低时,溶液表面将富集树脂;反之,则富集溶剂分子。

  树脂溶液在一定的条件下会产生相分离。分离的两相间也存在着界面张力。如果临界相分离的温度为了T*,T>T*时,因为相分离尚未发生。因而不存在分离相,界面张力也为零。随着温度的降低,相分离逐渐明显,界面张力也随之增加,并有近似的线性关系,同时,分子量越大,界面张力越小。通常分层的树脂溶液间的界面张力比树脂熔体间的界面张力小得多,仅为10-2mN/m数量级。可见,温度越高。界面张力越低。当温度达到相转变温度T*后,两相融合,界面张力消失。但也有些体系是随着温度的升高而产生相分离,此时,温度的影响恰好相反。

  1.4 树脂固溶体表面张力

  合成树脂具有多分散性,因此在树脂本体中,由于各处结构上的差别、分子量的差别及密度上的差别,将导致各处表面张力也不同。低表面张力的部分将随着时间的延长而逐渐迁移至表面,使表面张力继续降低。一般非结晶相部分,分子量低的组分,含有烃基或氟烃基、有机硅等基团部分的表面张力较低,因而在材料的表面往往会聚集被盖一层低分子量的、以烃基为主的无定形层,使高分子材料表面密度总是低于体相晶态的密度,极性也往往较低。随着时间的推移,这些低表面张力组分还将陆续向表面迁移,导致材料的表面张力还会有所下降。

  对于高分子共聚物、共混物等这类含有若干种结构单元的体系,可以把它看成是高分子的固体溶液。和小分子溶液一样,在这些体系中,低表面张力组分总是优先吸附于表面,以降低体系的表面自由能。对于嵌段或接枝共聚物,其低能组分表现出明显的表面活性,这是由于处于嵌段或接枝部分的低能组分有足够的长度,它们可以独立于分子的其他部分积聚到表面上,并形成定向结构。从而使体系的表面张力降低。

  而当树脂共混时,无论是相容或不相容,都显示出显著的表面活性,只是不相容的混合物比相容体系的混合物的表面活性更为显著。不相容混合物由于其多相结构。使其表面活性变得更为复杂。表面活性随分子量的增加而增加,显然这是不相容性增加的缘故。

  在涂料中往往还有很多添加剂。低能添加剂可以大大降低涂层的表面张力,例如,氟碳表面活性剂、含硅表面活性剂等消泡剂、流平剂的加人都会使涂层的表面张力大大降低。添加剂迁移至表面的速度是由扩散控制的。

  了解了这些结果对于研究多分散体系的稳定性是有用的。例如,在涂料配方中,颜料、基料和溶剂是三个基本组分,三者间的相互作用能力应相近,相容性匹配良好,方能保证颜料在基料溶液中的分散性。如果表面张力匹配不好,相互作用又较弱,则低表面张力的组分将向表面迁移而造成起雾或发汗,或者颜料絮凝而沉底等不良现象。

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