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UV涂料基本組成——溶劑

2023-06-08

  溶劑是涂料配方中的一個重要組成部分,雖然不直接參與固化成膜,但它對涂膜的形成和最終性能起到非常關鍵的作用,它主要具有以下功能:

  (1)溶解聚合物樹脂;

  (2)調節(jié)涂料體系的流變性能,改善加工性能,使涂料便于涂裝;

  (3)改進涂料的成膜性能,進而影響涂料的附著力和外觀;

  (4)靜電噴涂時調整涂料的電阻,便于施工;

  (5)防止涂料和涂膜產生病態(tài)和缺陷,如橘皮、發(fā)花、浮色、起霧、抽縮等。

  溶劑的選擇一般需要考慮溶劑的溶解能力、揮發(fā)速度、粘度、表面張力、安全性、毒性及成本。

  1.聚合物的的溶解

  聚合物溶解時,首先是聚集分子的互相分離,分子之間的間隙被溶劑分子所占據(jù),如果溶劑分子與聚合物分子間作用力大于聚合物分子間的作用力,溶解就會發(fā)生,同時伴隨著體系內能的降低,為放熱過程。從熱力學角度來講,只有混合過程的自由能ΔGM減少,溶解才能自發(fā)進行。

  ΔGM = ΔHM-TΔSM < 0

  ΔSM為混合熵變,ΔHM為混合焓,TΔSM總是正值,ΔHM越小越利于溶解。極性聚合物溶解在極性溶劑中,由于溶劑和溶質的強相互作用,ΔHM< 0,溶解可以自發(fā)進行,非極性聚合物與溶劑互相混合時如果混合過程中沒有體積變化,則:

  ΔHM=VΦ1Φ2(δ1-δ2)2

  這就是經典的Hildebrand溶度公式 , 式中V為溶液總體積,Φ為體積分數(shù),δ為溶度參數(shù),下標1和2分別表示溶劑和溶質。從式中可知,ΔHM始終是正值,溶質與溶劑的溶度參數(shù)愈接近,則ΔHM 愈小,愈能滿足ΔG < 0的條件,溶解愈容易進行。

  溶度參數(shù)的定義為內聚能密度的平方根,小分子液體的δ可以從某些物理常數(shù)求得,聚合物的δ可通過特性粘數(shù)和溶脹度進行實驗測定或者由重復單元中各基團的摩爾引力常數(shù)直接計算。

  Hansen認為內聚能密度是色散力、極性力、氫鍵的共同貢獻,提出了三維溶度參數(shù)即色散力溶度參數(shù)δd、極性溶度參數(shù)δp、氫鍵溶度參數(shù)δh組成,總的溶度參數(shù)δt 為

  δt =(δd 2 +δp 2+δh2)1/2

  則 ΔHM = VΦ1Φ2(Δδd 2 +Δδp 2+Δδh2)

  當聚合物和溶劑的三維溶度參數(shù)之差趨于零時,溶解可以自發(fā)進行。常用溶劑和聚合物的三維溶度參數(shù)見下表:

溶劑或聚合物 δd δp δh
丙酮 7.6 5.1 3.4
正丁醇 7.8 2.8 7.7
醋酸丁酯 7.7 1.8 3.1
醋酸乙酯 7.7 2.6 3.5
庚烷 7.5 0.0 0.0
異丙醇 7.7 3.0 8.0
丁酮 7.8 4.4 2.5
甲苯 8.8 0.7 1.0
7.6 7.8 20.7
二甲苯 8.7 0.5 1.5
聚甲基丙烯酸甲酯 9.1 5.1 3.7
聚甲基丙烯酸乙酯 8.6 4.7 2.0
聚異丁烯 7.1 1.2 2.3
聚苯乙烯 10.4 2.8 2.1
聚醋酸乙烯酯 10.2 5.5 4.7
聚氯乙烯 8.9 3.7 4.1
丁苯橡膠 8.6 1.7 1.3

  2.溶劑的蒸發(fā)速率

  溶劑的揮發(fā)性是在選擇溶劑時需考慮的一個重要因素,揮發(fā)速率過快,可使干燥時間縮短,但不利于涂料的流平且會導致起泡和桔皮等漆病,揮發(fā)速率過慢,則使干燥時間延長且易發(fā)生流掛。

  溶劑的蒸發(fā)速率不僅和沸點或蒸氣壓有關,還受到氫鍵、蒸發(fā)焓、表面張力、空氣流動等的影響,沸點不能夠完全反映其蒸發(fā)速率,例如正丁醇的沸點為118℃,乙酯丁酯的沸點為125℃, 前者的沸點雖較低,但其蒸發(fā)速率要比后者低得多,這是由于氫鍵的原因。為此,多用溶劑的相對蒸發(fā)速率來表征溶劑的揮發(fā)性,即測定定量溶劑的蒸發(fā)時間并與同樣條件下定量醋酸丁酯或者二乙基醚的蒸發(fā)時間相比較,以下式表示純溶劑的。

  為了消除蒸發(fā)過程中因溶劑與底材相互作用而產生誤差,采用溶劑總量的90%所需的時間t90來表征溶劑的相對蒸發(fā)速率,規(guī)定以醋酸丁酯為比較標準,其相對蒸發(fā)速率E=1,E為試驗溶劑的相對蒸發(fā)速率,常用溶劑的相對蒸發(fā)速率見下表:


  *以醋酸丁酯為比較標準,E=1

  在混合溶劑中,某一溶劑的相對蒸發(fā)速率取決于其濃度、相對蒸發(fā)速率及其活度系數(shù),混合溶劑的總相對蒸發(fā)速率等于各組分相對蒸發(fā)速率之和,隨著蒸發(fā)的進行,混合溶劑的組成發(fā)生變化,其總相對蒸發(fā)速率亦發(fā)生變化,

  尤其要提出的是,聚合物溶液中溶劑的揮發(fā)還受到與聚合物相互作用的影響,與聚合物相互作用較弱的溶劑較容易揮發(fā)。

  涂料配方中一般含有幾種揮發(fā)速度不同的溶劑以保持合適的揮發(fā)速率,調節(jié)涂料的流平,防止揮發(fā)過快造成表面水蒸氣凝結,防止涂膜出現(xiàn)沉淀和渾濁影響附著力等。不同的氣候條件,配方組成亦不同。

  3.常用溶劑及應用

  常用溶劑按照沸點分為低沸點溶劑(沸點<100℃)、中沸點溶劑(沸點100~150℃)、高沸點溶劑(沸點>150℃),按照化學組成分為烴類溶劑、醇類溶劑、酮類溶劑、酯類溶劑、醚類溶劑等。

  (1)烴類溶劑

  主要包括脂肪烴如溶劑汽油、環(huán)己烷,芳香烴如甲苯、二甲苯等。

  溶劑汽油能溶解大多數(shù)天然樹脂、油性樹脂及中至長油度醇酸樹脂,常用于硝基漆和醇酸漆等。二甲苯具有良好的溶解性能和中等蒸發(fā)速率,廣泛用做醇酸樹脂、乙烯基樹脂、氯化橡膠和聚氨酯的溶劑。甲苯常與其他溶劑合用,主要用于硝基漆、醇酸樹脂漆、氯化橡膠漆等。鹵代烴有很好的溶解性能,由于其對人體健康的危害,應用日益減少,由于它們具有很高的極性,可用來調節(jié)靜電噴涂涂料的電阻。

  (2)醇類和醚類溶劑

  乙醇:能溶解天然樹脂蟲膠制成清漆,也能用做聚乙烯醇縮丁醛、聚醋酸乙烯或硝基漆的混合溶劑。

  正丁醇:蒸發(fā)速率低,是多種油類和樹脂的溶劑,特別適宜做氨基樹脂和丙烯酸樹脂的溶劑,也可與甲苯混合做環(huán)氧樹脂的溶劑.

  乙二醇一乙醚屬揮發(fā)性較慢的溶劑,常用于不能加入烷烴的涂料配方中。

  (3)酯類和酮類溶劑

  丙酮:揮發(fā)快、具有優(yōu)異的溶解力,多用做乙烯基共聚物、丙烯酸樹脂和硝酸纖維素溶劑;也可與其它溶劑混合,以改進施工和漆膜性能。

  甲乙酮:是蒸發(fā)速率快的強溶劑,廣泛用于乙烯基共聚物,環(huán)氧樹脂和聚氨酯樹脂。常與溶解力低的溶劑摻合,以改進涂料的施工性能與成膜性能。

  乙酸乙酯:是蒸發(fā)速率較快的酯類溶劑,有令人愉快的水果香昧.它優(yōu)于有刺激性氣味的酮類溶劑,最初主要用于硝基纖維素漆,現(xiàn)在廣泛應用于聚氨酯樹脂、丙烯酸樹脂、氨基樹脂等,其溶解力低于酮類溶劑。

  乙酸丁酯:屬于常用的中等蒸發(fā)速率的酯類溶劑.可用做多種合成樹脂的溶劑。

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