水性塗料成膜的物理和化學機制

2021-02-18 水性大平臺

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近年來，水性塗料因為國家環保政策的促進因素而得到快速發展。水性塗料成膜從機理上看就分為兩種，一是物理反應，即基於溫度變化水的揮發而最終成膜；二是樹脂與各種化學介質交聯形成三維狀結構的塗膜。水性塗料物理反應是指成膜過程中水性塗料中水分揮發的過程。塗料中的水和助溶劑會隨著空氣中的溫度和氣流變化形成氣態逸出從而促進成膜。成膜進入最後階段時聚合物鏈經常出現纏繞，不規則的捲曲，甚至形成各式各樣的網狀結構。溫度與氣流的物理反應在水性塗料成膜過程中至關重要。這裡主要是討論交聯固化聚合物，交聯反應形成三維網狀結構塗膜，使塗膜性能取得提高。要注意的是物理成膜和化學成膜並不是孤立的、絕對分離的，而是常常交替重疊地進行。對於水性塗料來講，由於其樹脂需水溶，其分子量不會太大。因此，作為一種高分子材料來講，大多是由熱固性製成，其樹脂中的活性基團或由外加交聯劑的活性基團之間的交聯反應形成不溶不融的網狀結構，從而使塗膜的性能得到提高。另一方面水性樹脂多以羧酸鹽或胺鹽的形式出現，在其成膜固化過程中，先是氨或胺的揮發，在加熱過程中形成胺的衍生物，也有用交聯劑來完成的。酸性高聚物與鋯離子通過離子鏈進行交聯成膜，並在常溫下乾燥。在交聯固化的乳液體系中，乳膠粒中的聚合物鏈段上含有一定數量的反應性官能團，最終塗膜的性能與乳液成膜過程中聚合物鏈段的擴散速率和交聯速率密切相關。如果交聯速率比聚合物鏈段的擴散速率快得多，交聯反應集中在乳膠顆粒內部發生，乳膠顆粒之間幾乎沒有交聯反應發生，導致塗膜性能並不理想。

最後我們來討論下水性塗料中乳化劑的使用問題。乳化劑的選擇是要根據不同的乳液及其在成膜過程中的變化來考慮的，一般應考慮以下兩個的問題。

1、水性樹脂乳膠顆粒的排列組合問題。對使用乳化劑前後的塗膜用AFM進行觀察可以明確看到其塗膜表面排列堆積的差異。非離子乳化劑對乳液成膜的研究表明，乳膠顆粒表面全部被乳化劑覆蓋，塗膜表面的乳膠顆粒排列最整齊、堆積最密集，這被認為是靜電穩定和絮凝減少的緣故。

2、乳化劑用量問題。乳化劑向膜表面擴散已被研究證實。有專家對乳化劑在成膜過程中的脫附行為進行研究，發現成膜後有部分吸附在水性樹脂乳膠膜表面的乳化劑會一直保留其上而不能脫附。因此一般在乳液聚合過程中，宜將乳化劑用量降到最低，以提高塗膜的性能。

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