涂料科普：流平劑概述

李偉平 （先創(chuàng)化學品 ）

    一、發(fā)展歷史

    在涂料發(fā)展的早期，人們使用一些溶劑來消除某些涂料體系的表面缺陷，如采用松油來解決亞麻油體系的表面缺陷問題，這些溶劑能調整體系的粘度和開放時間。然而，自二十世紀上半葉以來，一些合成樹脂相繼面世，如硝酸纖維素、丙烯酸樹脂、環(huán)氧樹脂、聚氨酯樹脂、不飽和聚酯和無油聚酯樹脂等，其中的一些體系所產生的表面缺陷僅僅依靠溶劑是無法完全消除的。人們發(fā)現(xiàn)，當這些體系出現(xiàn)表面缺陷時，向這些體系添加某些樹脂（如丙烯酸樹脂、三聚氰胺樹脂等）、或硅油、或含氟表面活性劑，問題在很大程度上得以改善，甚至完全得到解決。人們把這些用來解決表面缺陷的產品，稱為流平劑或表面流動控制劑。這些產品或降低、平衡涂料的表面/界面張力、或調整漆膜的粘度和開放時間，從而使涂料獲得所需要的漆膜外觀。

    近年來，由于不斷嚴格的環(huán)保要求，涂料工業(yè)正努力降低涂料的VOC含量，由此出現(xiàn)了一些新的涂料品種，如高固體份涂料、無溶劑涂料（UV涂料等）、粉末涂料和水性涂料等。在這些配方中，有機溶劑用量大為減少，甚至不含有機溶劑，因而涂料的潤濕能力顯著下降，容易產生流動和流平缺陷；高固體份涂料所采用的樹脂及配套采用的極性溶劑，表面張力相對較高，也容易產生流動和流平缺陷；水性涂料的溶劑主要由水組成，具有很高的表面張力，潤濕更是一個難題，很容易產生魚眼、縮孔等表面缺陷。在這些配方中，流平劑已成為必不可少的組份。

    為適應涂料技術的發(fā)展，針對傳統(tǒng)流平劑品種的局限性，一些新型的流平劑品種相繼出現(xiàn)，如含反應性官能團的丙烯酸流平劑和有機硅流平劑、改性丙烯酸流平劑等。

    含反應性官能團流平劑通常用于交聯(lián)固化型體系，所含官能團一般為羥基、羧基、環(huán)氧基和雙鍵等。這些流平劑不僅具有流平作用，而且可以交聯(lián)固化于漆膜中，可避免自身的遷移；同時，由于在交聯(lián)固化型體系中常具有比非反應性流平劑更好的相容性，因而很多情況下能獲得更好的流平性能；某些情況下還由于提高了漆膜的交聯(lián)密度，從而幫助提高漆膜的物理化學性能。

    改性丙烯酸流平劑是通過對丙烯酸流平劑進行改性賦予其一定的表面活性，這種流平劑不僅具有流平作用，還具有良好的底材潤濕性。目前主要的品種為氟改性丙烯酸流平劑和最近才出現(xiàn)的磷酸酯改性丙烯酸流平劑。氟改性丙烯酸流平劑具有良好的流平性能的同時，還具有很好的底材潤濕性，然而這類產品往往具有穩(wěn)泡、影響層間附著力的副作用，對環(huán)境還會造成污染。當然某些有機硅流平劑由于表面張力較低，具有良好的底材潤濕性能，但也具有氟改性丙烯酸流平劑相似的副作用。這種情況下，人們開發(fā)了磷酸酯改性丙烯酸流平劑，這類流平劑同樣兼顧流平性和底材潤濕性，不僅沒有穩(wěn)泡、影響層間附著力等副作用，相反還有脫氣作用，是一類很有前景的流平劑新品種。

    二、涂料配方中為何要使用流平劑

    涂料的主要要功能是裝飾和防護，如果出現(xiàn)流動和流平缺陷，不僅影響外觀，同時也有損防護功能。如形成縮孔造成漆膜厚度不夠、形成針孔會導致漆膜的不連續(xù)性，這些都會降低漆膜的防護性。

    涂料在施工和成膜過程中，會發(fā)生一些物理、化學變化，這些變化及涂料本身的性質，將顯著影響涂料的流動和流平。

    涂料施工后，會出現(xiàn)新的界面，一般情況下為涂料與底材之間的液/固界面和涂料與空氣之間的液/氣界面。如果涂料與底材之間的液/固界面的界面張力高于底材的臨界表面張力，涂料就無法在底材上鋪展，自然就會產生魚眼、縮孔等流平缺陷。

    漆膜干燥過程中溶劑的揮發(fā)會導致在漆膜表面與內部之間產生溫度、密度和表面張力差，這些差異進而導致產生漆膜內部的湍流運動，形成所謂Benard旋渦。Benard旋渦會導致產生桔皮；在含不止一種顏料的體系，如果顏料粒子的運動性存在一定差異，Benard旋渦還很可能導致浮色和發(fā)花，垂直面施工會導致絲紋。

    漆膜的干燥過程中有時會產生一些不溶性的膠粒，不溶性膠粒的產生會導致形成表面張力梯度，在漆膜中經(jīng)常導致縮孔的產生。例如，在交聯(lián)固化型體系中，配方含有不止一種樹脂，在漆膜的干燥過程中，隨著溶劑的揮發(fā)，溶解性較差的樹脂就可能形成不溶性膠粒。另外，在含有表面活性劑的配方中，如果表面活性劑與體系不相容，或在干燥過程中隨著溶劑的揮發(fā)，其濃度發(fā)生變化導致溶解性發(fā)生變化，形成不相容的液滴，也會形成表面張力差。這些都可能會導致縮孔的產生。

    涂料在施工和成膜過程中，如果存在外界的污染物，也可能會導致縮孔、魚眼等流平缺陷。這些污染物通常是來自空氣、施工工具和底材的油污、塵埃、漆霧、水汽等。

    涂料本身的性質，如施工粘度、干燥時間等，也會對漆膜的最終流平產生顯著影響。過高的施工粘度和過短的干燥時間，通常會產生流平不良的表面。

    因此，必須通過添加流平劑，通過對涂料在施工和成膜過程中發(fā)生一些變化及涂料性質進行調整，幫助涂料獲得一個良好的流平。

    三、流平劑的種類

    流平劑大致分為兩大類。

    一種是通過調整漆膜粘度和流平時間來起作用的，這類流平劑大多是一些高沸點的有機溶劑或其混合物，如異佛爾酮、二丙酮醇、Solvesso150等。

    另一種是通過調整漆膜表面性質來起作用的，一般人們所說的流平劑大多是指這一類流平劑。這類流平劑通過有限的相容性遷移至漆膜表面，影響漆膜界面張力等表面性質，使漆膜獲得良好的流平。根據(jù)化學結構的不同，這類流平劑目前主要有三大類：丙烯酸類、有機硅類和氟碳化合物類。

    ●丙烯酸流平劑

    丙烯酸流平劑包括純丙烯酸流平劑和改性丙烯酸流平劑。

    純丙烯酸流平劑包括傳統(tǒng)的非反應性丙烯酸流平劑和新型含管能團的反應性丙烯酸流平劑。這是一類分子量不等的丙烯酸均聚物或共聚物，這類流平劑僅輕微降低涂料的表面張力，但能夠平衡漆膜表面張力差異，獲得真正平整的、類似鏡面的漆膜表面。如果分子量足夠高，這類流平劑還具有脫氣和消泡的作用。傳統(tǒng)的非反應性丙烯酸流平劑的缺點是高分子量產品，可能會在漆膜中產生霧影，低分子量產品，又有可能降低漆膜表面硬度。含反應性官能團的丙烯酸流平劑能很好的解決這一矛盾，提供良好流平性的同時，不會產生霧影也不降低表面硬度，有時還會提高表面硬度。

    改性丙烯酸流平劑主要的品種為氟改性丙烯酸流平劑和磷酸酯改性丙烯酸流平劑。與純丙烯酸流平劑不同，改性丙烯酸流平劑可以顯著降低涂料的表面張力，這樣就會在具有流平性的同時具有良好的底材潤濕性。

    ●有機硅流平劑

    有機硅流平劑有兩個顯著特性。一是可以做到顯著降低涂料的表面張力，提高涂料的底材潤施能力和漆膜的流動性、消除Benard旋渦從而防止發(fā)花。降低表面張力的能力取決于其化學結構。另一個顯著特性是能改善涂層的平滑性、抗掛傷性和抗粘連性。這類流平劑的缺點是存在穩(wěn)定泡沫、影響層間附著力的傾向，有些還對施工環(huán)境如烘爐產生污染。其結構目前主要有三類：聚二甲基硅氧烷、聚甲基烷基硅氧烷、有機改性聚硅氧烷，以有機改性聚硅氧烷最為重要，純聚二甲基硅氧烷由于與涂料體系的相容性差，現(xiàn)已很少使用。

    ●氟碳化合物類流平劑

    氟碳化合物類流平劑的特點是高效，但價格昂貴，一般在丙烯酸流平劑和有機硅流平劑難以發(fā)揮作用的時候使用，然而也存在穩(wěn)定泡沫、影響層間附著力的傾向。

    四、流平劑的應用

    對于一個確定的配方體系，應根據(jù)配方的性質和希望流平劑所達到的性能，來選擇合適的流平劑品種。

    1、溶劑性涂料體系

    在底漆和中層漆配方中，通常采用丙烯酸流平劑。如果需要脫氣性和底材潤濕性，宜選擇中等分子量或高分子量丙烯酸流平劑。在底漆中，如果需要更強的底材潤濕性，可考慮選用能顯著降低表面張力的有機硅流平劑和改性丙烯酸流平劑（如氟改性丙烯酸流平劑和磷酸酯改性丙烯酸流平劑），如果有機硅流平劑和氟改性丙烯酸流平劑出現(xiàn)穩(wěn)泡、影響層間附著力等副作用，應采用磷酸酯改性丙烯酸流平劑。

    在面漆和透明漆配方中，對漆膜外觀要求相對較高，一般可選用低分子量丙烯酸流平劑，這樣將獲得良好的流平性，在漆膜中也不易產生霧影。在交聯(lián)固化型體系，選用含反應性官能團的丙烯酸流平劑常常獲得更好的流平性，同時提高漆膜的物理化學性能。如果需要漆膜具有更好的流動性或需要滑爽性和抗刮傷性，有機硅流平劑是必需的，這種情況下最好是有機硅流平劑和丙烯酸流平劑配伍使用。

    應當指出的是，在垂直面施工時，有機硅流平劑提供流平性能的同時，可有效降低涂層的流掛傾向。另外，在金屬閃光漆配方中，應慎用有機硅流平劑，因為可能導致片狀鋁顏料的不均勻排列而出現(xiàn)漆膜顏色不均。

    2、粉末涂料體系

    粉末涂料的流平過程分為兩個階段。第一個階段是粉末粒子的熔化，第二個階段粉末粒子熔化后流動成為平整的漆膜。粉末涂料不含溶劑，在成膜過程不會產生表面張力梯度，流平更多的是與底材潤濕有關。

    粉末涂料常采用丙烯酸流平劑。如果流平劑呈液態(tài)，一般要預先制成母料才能使用。也有制成粉體的丙烯酸流平劑，專門用于粉末涂料，這類產品是將液態(tài)的丙烯酸流平劑吸附在二氧化硅粉體上，一些低檔流平劑用碳酸鈣吸附。

    如果粉末涂料需要滑爽性和抗掛傷性，就要采用有機硅流平劑，已有制成粉體的專門用于粉末涂料的有機硅流平劑。使用有機硅流平劑要留意避免形成縮孔。

    3、水性涂料體系

    水性涂料體系分為水溶性體系和乳膠體系。

    在水溶性體系中，需要強烈降低體系的表面張力，最常用的是有機硅流平劑和氟碳化合

    物類流平劑，所起作用與它們應用于溶劑型涂料體系相同。當然如果需要真正平整的表面，用于水性體系的丙烯酸流平劑是必需的。

    而對于乳膠體系，成膜機理則完全不同，粘度也不隨溶劑的揮發(fā)而改變。配方中采用流平劑會可能提高涂料的底材潤濕性，丙烯酸流平劑可以提高漆膜平整度，但涂料的主要流動性能，更多的是通過添加流變控制劑來進行控制和調整。