水性涂料成膜助劑分類特點及使用方法

1、水性涂料成膜助劑的特點及使用方法一、成膜助劑概況水性涂料的成膜助劑又叫凝聚劑、聚結(jié)劑、成膜助溶劑或共溶劑，能夠?qū)θ橐褐械木酆衔锪Ｗ赢a(chǎn)生溶解和溶脹作用，使粒子在較低溫度下也能夠隨水分的揮發(fā)產(chǎn)生塑性流動和彈性 變形而聚結(jié)成膜，但在成膜以后較短時間內(nèi)又能揮發(fā)逸出，而不影響涂膜的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，高溫下涂膜不回粘。 成膜助劑是分子量數(shù)百的溶解力極強的高沸點有機溶劑，多為醇類、醇酯類、醇醚類化合物，實際上成膜助劑是聚合物的一種溶劑，在涂膜干燥過程中，水分揮發(fā)后余下的成膜助劑使聚合物微滴溶解并融合成連續(xù)的膜，成膜助劑除有溶解作用外，還會對聚合物起短暫的增塑作用，成膜助劑是一種可以揮發(fā)的暫時性增塑劑，能促進乳

2、膠粒子的塑性流動和彈性變形，改善其聚結(jié)性，可在廣泛的施工溫度范圍內(nèi)成膜。水性涂料成膜助劑廣泛應(yīng)用于建筑涂料（乳膠漆）、水性汽車涂料及汽車修補涂料、水性電泳涂料、水性船舶涂料、水懷集裝箱涂料、水性防腐涂料、水性工業(yè)涂料、水性膠粘劑、水性木器涂料、水性卷材和卷鋼涂料、水性絲印油墨、水性凹印油墨、水性柔印油墨、UV水性涂料油墨等等。二、成膜助劑化的化學(xué)類型和生產(chǎn)廠家（一）、醇類（如苯甲醇 BA、乙二醇、丙二醇、己二醇）；（二）、醇酯類（如十二碳醇酯（即 Texanol酯醇或醇酯-12）；（三）、醇醚類（乙二醇丁醚 EB、丙二醇甲醚PM、丙二醇乙醚、丙二醇丁醚、二丙二醇單甲醚 DPM、二丙二醇單丙醚

3、DPnP、二丙二醇單丁醚 DPnB、三丙二醇正丁醚 TPnB、 丙二醇苯醚PPH等）；（四）、醇醚酯類（如己二醇丁醚醋酸酯、3-乙氧基丙酸乙酯 EEP）等；從成膜助劑的主要生產(chǎn)廠商和主要產(chǎn)品來看，具代表性的有BASF公司的LusolvanFBH、美國Du Pont的DBE-IB、英國Chemoxy公司的COASOL的（己二酸二異丁酯、戊二酸二 異丁酯和丁二酸二異丁酯的混合物），比利時Neste perstorp 公司的Nexcoat 795（ 2，2，4-三甲基-1，2-戊二醇-異丁單酯），美國DowChemical公司的Dowanol pph （丙二醇苯醚）、 DAL-PADC、DAL-PA

4、DD、DPnB，伊士曼（EASTMAN CHEMICAL）化學(xué)公司的 Texanol、EEH、OE300、OE400，英國海名斯化學(xué)公司的 SER-AD FX510、SER-AD FX511、江蘇 潤泰化學(xué)有限公司的十二碳醇酯（酯醇12）等。成膜助劑在水性涂料中的狀態(tài)根據(jù)成膜助劑在聚合物中的位置，將其分為 A、B、C三類。乳液以水為連續(xù)相，由乳化劑穩(wěn)定形成的疏水聚合物鏈球形膠束所組成。加入乳液體系中的成膜助劑在體系中所處的位置取決于自身的疏水/親水性。其中，A型在乳液聚合物中，主要是如石油醚的烴類，如松 節(jié)油、雙戊烯松油、十氫蔡等；AB型在乳液聚合物和水的界面，主要為雙酯類和醇酯類，如Texa

5、nol酯醇、Lusolvan FBH、DBE-IB、COASOL ； ABC型主要在聚合物顆粒間、邊界 上和水中，主要為乙二醇酯和乙二醇酯醚，乙二醇丁醚（EB）、丙二醇苯醚（PPH）、二丙二醇單甲醚DPM ； C型在水中，主要為醇類、乙二醇類，如乙醇、二乙二醇、二丙二醇、 三乙二醇。傳統(tǒng)分類中，又可以從和聚合物的相容性方面分為油溶性和水溶性。三、成膜助劑的選擇標準理想的成膜助劑應(yīng)具有下列特性：（一） 、成膜助劑必須是聚合物的強溶劑，對多種水性樹脂都有極佳的成膜效率，并具有 很好的相容性，極好降低水性樹脂的最低成膜溫度，不會會影響漆膜的外觀及其光澤；（二）、氣味低、加量少、效果優(yōu)異、環(huán)保性佳、具

6、有一定的揮發(fā)性，有效調(diào)節(jié)干燥速 率，以便于施工；（三）、優(yōu)異的水解穩(wěn)定性，在水中的溶解度小，其揮發(fā)速度應(yīng)低于水和乙醇，在成膜 前保留在涂料涂層中，成膜后須完全揮發(fā)，不影響涂膜性能；（四）、加人乳膠體系后吸附在乳膠粒子表面，能為乳膠粒吸附而具有優(yōu)良的聚結(jié)性 能，充分溶解和溶脹水性樹脂不影響乳膠粒子的穩(wěn)定性。四、成膜助劑的發(fā)展方向盡管成膜助劑對乳膠漆的成膜有很大作用，但成膜助劑是有機溶劑，對環(huán)境是有影響的，所 以發(fā)展的方向是環(huán)境友好型的有效成膜助劑：（一）是降低氣味。Coasol、DBE-IB、OptifilmEnhancer300、TXIB、TXIB 和 Texanol 的混合物都能降低氣味。盡

7、管 TXIB在降低MFFT和早期耐洗刷性稍差，但通過和Texanol的混用，能在這些方面得到改善。（二） 是降低揮發(fā)性有機物（VOC）。多數(shù)成膜助劑是涂料VOC的重要組成部分，因此成膜助劑應(yīng)該用得越少越好。選用成膜助劑要優(yōu)先考慮不屬于VOC限制范圍，但揮發(fā)性不得太慢、成膜效率還要高的化合物。在歐洲，VOC是指那些沸點等于或低于250 C的化學(xué)物質(zhì)。沸點超過 250 C的那些物質(zhì)不歸入VOC的范疇，所以使成膜助劑向高沸點發(fā)展。如Coasol、LusolvanFBH、DBE-IB、OptifilmEnhancer300 、二異丙醇己二酸酯。（三）是低毒、安全、可接受的生物降解性。（四） 是活性成膜

8、助劑。丙烯酸雙環(huán)戊烯基氧乙基酯（DPOA ）是不飽和的可聚合有機物， 均聚物Tg=33 C，無氣味。其結(jié)構(gòu)式如下：CH2CH2CHCODCHiCHiODPOA，并加入少量催干劑，如鉆DPOA不揮發(fā)，不僅環(huán)境友好， 抗粘性和亮度。因此，DPOA在較高TgDPOA，并加入少量催干劑，如鉆DPOA不揮發(fā)，不僅環(huán)境友好， 抗粘性和亮度。因此，DPOA五、水性涂料的成膜機理水性漆的成膜過程較復(fù)雜，要經(jīng)歷一個從分散的聚合物顆粒到相互聚結(jié)成為整體的過 程。其施工后，水分揮發(fā)，球狀顆粒必須相互融合才能形成連續(xù)的涂膜。水性漆成膜分以下幾 個過程（一）、顆粒逐漸靠攏填充過程。球狀顆粒在乳膠漆中以雙電層和屏蔽穩(wěn)定的

9、作用保持著分散狀態(tài)在水性涂料施工后，水分逐漸 揮發(fā),原先以靜電斥力和空間位阻穩(wěn)定作用而保持分散狀態(tài)的聚合物顆粒和顏料、填料顆粒逐漸靠攏，但仍可以自由運動。在該階段，水份的揮發(fā)與單純水的揮發(fā)相似，為恒速揮 發(fā)。（二）、顆粒融合過程。隨著水分的進一步揮發(fā)，聚合物微粒表面吸附的保護層破壞，裸露的微粒相互接觸，其間隙愈來愈小，漆膜的體積收縮，當水份揮發(fā)將盡時，其推動力也將消失，至毛細管經(jīng)大小時，由于毛細管效能作用，其毛細管壓力高于聚合物微粒的抗變形力，顆粒穩(wěn)定性破壞并變形，最后凝集、融合成連續(xù)的涂膜。這一過程是水性漆能否成膜的關(guān)鍵，若乳液聚合物的玻璃化溫度（Tg）較高（為了使涂膜具有良好的機械性能，耐

10、候性和沾污性，Tg值一般不能太低），在較低環(huán)境溫度下，就很難變形，從而會使融合過程受阻，導(dǎo)致不能成膜，這時需 要用成膜助劑協(xié)助成膜。成膜助劑可以使乳膠粒子溶脹變軟，因此，很容易使他們?nèi)诤显谝黄鹦纬蛇B續(xù)的膜。（三）、聚合物鏈段相互擴散滲透交聯(lián)成膜過程。隨著時間的推移，殘留在水中的助劑逐漸向涂膜擴散，并使聚合物分子長鏈段相互滲透、擴散，纏繞形成具有良好性能的均勻涂膜，隨著成膜助劑從漆膜中逐漸揮發(fā)，最后形成理想的性能優(yōu)異的涂膜。六、水性涂料成膜助劑的用法與用量乳液或分散體等聚合物通常具有高于室溫的玻璃化溫度Tg。為了使乳液粒子很好地融合成為均勻的漆膜，必須使用成膜助劑降低最低成膜溫度（MFFT）。乳

11、液的最低成膜溫度（MFFT）對涂膜的硬度、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和低溫涂裝性能會產(chǎn)生重要的影響。最低成膜溫度 高，涂膜的硬度高和光澤高，但在稍低溫度時不能涂裝；最低成膜溫度太低，低溫涂裝性能雖好，但涂膜玻璃化溫度低，高溫發(fā)軟回粘，耐污性差。成膜助劑的基本功能就是降低乳液以及乳膠漆的最低成膜溫度，使水性涂料能在低溫下進行涂裝。成膜助劑的加量取決于配方中乳液或水分散體的用量和玻璃化溫度Tg。涂料中乳液或水分散體的用量大以及聚合物的Tg高，成膜助劑的用量也要大，反之用量少。配方設(shè)計時，首先考慮成膜助劑大約占乳液的或水分散體的3%-5%，或占乳液或分散體固體份的5%-15%。成膜助劑的有效性表現(xiàn)在成膜助劑對乳

12、液粒子的成膜效率。按乳液固含量的5 % -15 %添加成膜助劑，測定 MFFT的下降值，將下降值對成膜助劑用量作圖，所得直線的斜率即表示該成膜助劑對給定乳液的成膜效率，其斜率越大，成膜效率越高。顯然，成膜效率有乳液樹脂的特定性，即表現(xiàn)為對每種樹脂或每一類樹脂有效，并且與乳液的初始MFFT有關(guān)。值得注意的是，成膜助劑在用量較大時，MFFT的下降往往偏離直線關(guān)系，這時要用回歸法求得一個相對最好的斜率值用以比較。當一種乳液體系確定后，選用合適的成膜助劑是十分重要的。涂料是一門實踐科學(xué)，通過大量試驗選取最佳成膜助劑，保證水性涂料的低溫施工性十分重要。實踐表明，水性涂料的MFFT應(yīng)保證在10 C以下，最

13、好小于5C，涂裝能形成不開裂、不粉化的均勻漆膜為止，找出成膜助劑的最低用量。如果成膜助劑的用量達乳液或分散體的15%或者更高是不可取的，應(yīng)考慮更換其他成膜助劑再試。鑒于成膜助劑降低MFFT 的作用不是萬能的，所以對于Tg過高的乳液，添加大量的成膜助劑也難保證有足夠的低溫施工性和凍融穩(wěn)定性。普通 乳液和水分散體的 Tg不宜大于40 C，否則用大量的成膜助劑也難于將MFFT降至10 C以下。片面追求高Tg帶來高硬度的涂膜是不適宜的，何況這樣做還會因為成膜助劑用量過大 產(chǎn)生VOC超標的問題。七、成膜助劑的幾點使用經(jīng)驗（一）涂料成膜助劑與最低成膜溫度（MFFT）的關(guān)系乳膠的最低成膜溫度是指乳膠形成不開

14、裂、連續(xù)涂膜的最低溫度，直至達到最低成膜溫度0C時成膜助劑的用量越少越好。成膜助劑的作用類似于增塑劑，加入成膜助劑后能降低 乳液的MFFT，降低的幅度隨成膜助劑用量的增大而增大。但是，成膜助劑的用量達到一定程度后MFFT幾乎不再降低。MFFT下降的幅度還與成膜助劑的種類和乳液類型有關(guān)，對一種乳液有顯著降低MFFT作用的成膜助劑可能對另一種乳液作用很小，甚至完全不起作用。 由此我們認為：MFFT降低的幅度隨成膜助劑用量的增加而增大，但是MFFT降至一定程度后再多加成膜助劑無濟于事，所以應(yīng)選取效果最好的成膜助劑并且使用最小用量；由于水性體系的特殊性，往往成膜溫度最低只能降到0 C左右，此后加大成膜

15、助劑用量成膜溫度也不再有明顯的下降；對同一種基料，不同的成膜助劑降低MFFT 的效果截然不同，有的十分明顯，有的幾乎不能降低最低成膜溫度；不同類型的基料，同一種成膜助劑效果也完全不一樣，在一種乳液體系中添加少量就有顯著效果的成膜助劑在另一種乳液體系中可能作用不明顯，甚至完全無效。因此，針對特定的水性涂料體系篩選最佳成膜助劑的品種和用量是非常必要的。成膜助劑對降低MFFT的效率與其種類有極大的關(guān)系，獲取相同用量下具有最低成膜 溫度和最佳涂膜效果的成膜助劑是配方工作者的重要工作。除降低最低成膜溫度和提高漆膜致密度外，成膜助劑還能改善施工性能，增加漆的流平性，延長開放時間，提高漆的貯存穩(wěn)定性，特別是

16、低溫防凍性。成膜助劑與涂膜硬度的關(guān)系成膜助劑多為分子量較大的高沸點有機化合物，遷移速度慢，揮發(fā)速率低，延長了達到最終硬度的時間。在傳統(tǒng)涂料中鄰苯二甲酸酯類的增塑劑不能揮發(fā)，而是隨時間的推移緩慢遷移至漆的表面，帶來的問題是涂膜長時間表現(xiàn)出抗粘連性差和耐劃傷性差，并且容易沾塵。因此，水性涂料配方中盡可能不用增塑劑。醇酯類成膜助劑一般比醇醚類成膜助劑揮發(fā)慢， 所以用醇酯做成膜助劑的涂膜硬度的展現(xiàn)也慢。水性涂料成膜后成膜助劑對涂膜硬度展現(xiàn)的影響主要取決于2個因素：成膜助劑在涂膜中的遷移速度和在空氣中的揮發(fā)速率。我們比較了同一種漆中分別添加鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)和三種成膜助劑，醇酯-12(Texan

17、o1)、二丙二醇正丁醚(DPnB)和三丙二醇正丁醚(TPnB )后涂膜硬度隨時間的變化，加有DBP的涂膜46d后涂膜硬度幾乎沒有增長，硬度始終很低有Texanol的46d后硬度低于加醇醚的；分別含有2種醇醚的涂膜硬度增長相對較快，其中DPnB的硬度展現(xiàn)最快。成膜助劑與有機揮發(fā)物含量VOC有機揮發(fā)物含量(VOC )是涂料界最為關(guān)心的問題之一。各國對VOC的定義各不相同，因而，同一涂料按不同國家的法規(guī)判定的VOC會有差別。例如：沸點在250 C或更高的成膜助劑按美國環(huán)保局(EPA)的法規(guī)可能屬于VOC之列，但是按中國和澳大利亞的法規(guī)顯然不能視為VOC ；又譬如：聚氨酯分散體合成時常用的溶劑丙酮按美

18、國的法律屬于豁免化合物，不算VOC，而按中國和歐盟的法規(guī)則認為是VOC。助溶劑或成膜助劑在水性樹脂合成時常常用來降低水化前的樹脂黏度，施工時起到改進水性涂料的流變性能以及改善開放時間的作用，成膜過程中能促進高質(zhì)量涂膜的形成，在水性涂料中起著相當重要的作用，特別對高玻璃化溫度和最低成膜溫度高的樹脂體系，其用量相當大，可占到樹脂固含量的10 % -100 %，有時甚至更高。絕大多數(shù)常用成膜助劑的沸點在250 C以下，屬于VOC必須考慮之列。但是，三乙二醇單乙醚(256 C )、三乙二醇單丁醚(283 C )、三丙二醇單丁醚TPnB(276 C )按中國的標準已排除在VOC范圍之外，作為成膜助劑應(yīng)給

19、予特別的關(guān)注，尤其是三丙二醇單丁醚，其揮發(fā)速度較前二者快，也比醇酯-12快，可以說既有良好的成膜效果，涂膜硬度展現(xiàn)也快，還不在VOC限制范圍之內(nèi)，采用這種成膜助劑有一舉多得之優(yōu)點。得到不含任何現(xiàn)今合成技術(shù)的進展已經(jīng)能在水性樹脂合成時做到完全不用助溶劑降黏，得到不含任何VOC溶劑的乳液和分散體。然而，在涂料配制過程中往往不得不添加成膜助劑，特別是對 于高玻璃化溫度的樹脂，不用成膜助劑低溫不能成膜。這時選用不在VOC范圍之內(nèi)的成膜助劑有可能制成“零” VOC的水性涂料。 美國環(huán)保局（EPA）列出了 50 個（類）有機化合物，認為其光化學(xué)反應(yīng)可忽略不計，屬于VOC豁免化合物。有些化合物還在申請豁免權(quán)，有的已經(jīng)批準，如醋酸特丁酯（t-BuoAc）現(xiàn)已從VOC中排除。特別要指出的是可作為水性涂料成膜助劑的乙二醇避免了對環(huán)境的污染。（四）成膜助劑的親水和親油值HLB在設(shè)計涂料配方時，很重要的一點是考慮到成膜助劑的活性及其在乳液中的分層現(xiàn)象。 溶解度參數(shù)影響成膜助劑的活性，因為水性乳液是兩相體系，主要是水相和聚合物相，成膜助劑在這兩相的濃度主要取決于聚合物和溶劑的親水和親油的平衡。成膜助劑在兩相的分配方式是成膜助