不同用途和不同品種的涂料助劑需要有不同的配方。要使配制出來(lái)的涂料能滿足用戶提出的使用要求，不僅要求選擇合適的各種涂料組分，而且要求這些組分之間有合適的配比。本講座的目的就是向讀者提供有關(guān)涂料配方的一些基礎(chǔ)知識(shí)和原則，並以木材、建筑、塑料和鋼鐵制品用涂料的一些典型配方為例，向讀者介紹常用涂料助劑的配方設(shè)計(jì)方法。
常用的涂料一般由基料樹(shù)脂、顏料、溶劑和助劑四種組分所組成。其中助劑的用量通常較小，約為涂料總重量的0.01—5％。由于它們的用量小，其作用往往為某些涂料配方者所忽視。其實(shí)它們對(duì)提高涂料的各種性能如貯存性能、施工性能、成膜性能和涂膜性能有很顯著的影響。在不少情況下，甚至是必不可少的。我國(guó)涂料產(chǎn)品的質(zhì)量與國(guó)外先進(jìn)產(chǎn)品所存在的差距，除了樹(shù)脂、顏料、溶劑的品種質(zhì)量上的問(wèn)題之外，很多是由于未采用性能優(yōu)良的涂料助劑之故。因此了解涂料用助劑的知識(shí)，在設(shè)計(jì)配方時(shí)選用合適的助劑是十分重要的。
涂料用助劑就其在涂料中的作用來(lái)分有很多種類(lèi)，如影響涂料的粘度特性的增稠劑，影響涂料的貯存性能的顏料防沉淀劑、防結(jié)皮劑，影響涂料成膜性能的催干劑、成膜聚結(jié)劑，影響涂料施工性能的觸變劑、流平劑，影響涂膜性能的增塑劑、防霉劑、紫外線吸收劑、消光劑等等，品種繁多，不勝枚舉。本文限于篇幅，僅擇要介紹之。
一、增塑劑
增塑劑的作用是增加涂膜的柔軟性。對(duì)于某些本身是脆性的涂料基料來(lái)說(shuō)，要獲得具有較好的柔軟性和其它機(jī)械性能的涂膜，增塑劑是必不可少的。增塑劑通常是低分子量的揮發(fā)度很小的有機(jī)化合物，但某些聚合物樹(shù)脂也可用作增塑劑(也稱增塑樹(shù)脂)，如醇酸樹(shù)脂常用作氯化橡膠和硝酸纖維素涂料的增塑樹(shù)脂。無(wú)論是增塑劑還是增塑樹(shù)脂都必須與被增塑的樹(shù)脂有較好的混容性。
增塑劑應(yīng)當(dāng)毒性低微，在增加涂膜柔韌性的同時(shí)應(yīng)當(dāng)盡可能小地降低涂膜的硬度，也不應(yīng)當(dāng)使涂膜發(fā)生變色，尤其是涂膜在戶外使用時(shí)要不易變色。增塑劑的類(lèi)型和用量根據(jù)涂料中基料樹(shù)脂的不同以及涂料使用要求的不同而不同。
增塑劑的增塑作用是通過(guò)降低基料樹(shù)脂的玻璃化溫度(Tg)而實(shí)現(xiàn)的。玻璃化溫度(Tg)是樹(shù)脂由硬脆的固體狀態(tài)(玻璃態(tài))轉(zhuǎn)變?yōu)橄鹉z狀的高彈體狀態(tài)(高彈態(tài))的轉(zhuǎn)變溫度。增塑劑通?？煞譃閮深?lèi)。一類(lèi)是主增塑劑(溶劑型增塑劑)，另一類(lèi)是助增塑劑(非溶劑型增塑劑)。
主增塑劑猶如基料樹(shù)脂的溶劑，它們的某些基團(tuán)能與樹(shù)脂中的某些基團(tuán)產(chǎn)生相互作用，因而主增塑劑和樹(shù)脂能互相混容。由于增塑劑的分子較小，它就能進(jìn)入樹(shù)脂聚合物的分子結(jié)構(gòu)中而減少了樹(shù)脂的剛性，但增塑劑的加入也會(huì)使涂膜的機(jī)械性能受到一些損失。
助增塑劑對(duì)基料樹(shù)脂沒(méi)有溶解作用，它們只有在加入量不太多的情況下才能與基料樹(shù)脂混溶。助增塑劑對(duì)基料樹(shù)脂只有物理作用(潤(rùn)滑作用)，因而對(duì)涂膜機(jī)械強(qiáng)度的影響沒(méi)有象主增塑劑那樣大。但助增塑劑易從涂膜中遷移或滲透掉而使涂膜的柔韌性變差。
涂料中增塑劑的加入對(duì)涂膜的許多性能如張力強(qiáng)度、強(qiáng)韌性、延伸性、滲透性和附著力都有一定的影響。根據(jù)基料聚合物以及增塑劑類(lèi)型的不同，對(duì)這些性能的影響也各不相同。一般說(shuō)來(lái)，增塑劑的加入會(huì)增加涂膜的延伸性而降低它的張力強(qiáng)度。在一定的增塑劑加入量之內(nèi)，涂膜的滲透性將基本上保持不變，但增塑劑加入量繼續(xù)增加時(shí)，涂膜的滲透性將急劇地增加。涂膜的強(qiáng)韌性和附著力先是隨著增塑劑的加入而增加，但到達(dá)了一個(gè)峰值之后反而逐漸下降。除了對(duì)涂膜的機(jī)械性能有影響之外，增塑劑還會(huì)影響涂膜的一些其它性能，因而增塑劑的最適宜的加入量應(yīng)根據(jù)對(duì)各方面因素的考慮進(jìn)行綜合平衡后來(lái)確定。
下面簡(jiǎn)要介紹幾種涂料中常用的增塑劑。
1.鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)這種增塑劑對(duì)各種樹(shù)脂都有良好的混容性，因而在涂料中使用較廣。鄰苯二甲酸二丁酯對(duì)涂膜的黃變傾向較小，但它的揮發(fā)性不是很低，所以涂膜經(jīng)過(guò)一段時(shí)間使用后，會(huì)由于增塑劑的逐漸減少而發(fā)脆，這是它的不足之處。鄰苯二甲酸二丁酯常用于硝酸纖維素涂料和聚醋酸乙烯乳液等涂料中。
2.鄰苯二甲酸二辛酯(DOP)它的性能和上述的鄰苯二甲酸二丁酯相似，但它揮發(fā)性較小，耐光性和耐熱性較好。它常用于硝酸纖維素涂料和聚氯乙烯塑溶膠和有機(jī)溶膠涂料中。
3.氯化石蠟氯化石蠟主要用作氯化橡膠涂料的增塑劑，它的加入量可高達(dá)50％而不會(huì)使氯化橡膠涂膜的抗化學(xué)性變差。
二、催干劑
催干劑是加在氧化聚合型固化的涂料體系中用以加速涂膜固化速度的一種涂料用助劑。通常是油溶性的有機(jī)酸金屬鹽(也稱金屬皂)。用得最多的催干劑是鉛、鈷、錳的環(huán)烷酸鹽、辛酸鹽、松香酸鹽和亞油酸鹽。其它尚有鋁鹽和鋯鹽。近年來(lái)由于對(duì)鉛鹽毒性的關(guān)注，鋯鹽催干劑的用量在逐漸增加。
催干劑加速涂膜固化速度是通過(guò)加速基料中不飽和脂肪酸的氧化聚合作用而實(shí)現(xiàn)的。催干劑中以鉛鹽和鈷鹽的催干作用最強(qiáng)，但它們的催干方式是有所不同的。鉛鹽和鈷鹽通常拼合使用，兩者的典型配比是10∶1(金屬含量比)。鉛鹽能使涂膜內(nèi)部干燥而鈷鹽的作用主要是表干，兩者合用后就能使涂膜里外都能干透。當(dāng)基料是醇酸樹(shù)脂時(shí)，混合催干劑的使用能防止有光漆發(fā)生起霜現(xiàn)象。油溶性的鈣皂雖然沒(méi)有催干作用，但由于它也有減少涂膜起霜現(xiàn)象的作用，因而也常與其它催干劑一起使用。
催干劑的有機(jī)酸部分對(duì)涂膜的干燥速度沒(méi)有多大的影響，但卻能影響涂膜的性能。環(huán)烷酸鹽對(duì)涂膜性能沒(méi)有什么不利的影響，但松香酸鹽催干劑會(huì)加速涂膜的發(fā)脆。松香酸鹽和亞油酸鹽催干劑在涂料貯存期過(guò)長(zhǎng)時(shí)還會(huì)喪失催干作用。
如果要求涂膜平整光滑，沒(méi)有發(fā)皺和起霜等現(xiàn)象，涂料配方中的催干劑用量就必須嚴(yán)格確定。催干劑的典型用量是對(duì)每一份樹(shù)脂固體來(lái)說(shuō)，加入0.25—0.5％(重量)的鉛(以金屬含量計(jì)算)和0.025—0.05％的鈷(以金屬含量計(jì))。
三、防霉劑
常用涂料，特別是水性乳膠涂料容易受到微生物的侵襲。微生物的侵襲不僅使涂膜的外表變污，而且整個(gè)涂膜還會(huì)逐漸降解。微生物侵襲涂膜，在涂膜上繁殖並破壞涂膜的現(xiàn)象稱為涂膜的長(zhǎng)霉。涂料在施工成膜之前以液體形式貯存時(shí)，也會(huì)受微生物作用發(fā)生長(zhǎng)霉現(xiàn)象而使涂料破壞，不能應(yīng)用。水性乳膠涂料中通常加有纖維素增稠劑，微生物很容易在這種增稠劑中繁殖生長(zhǎng)，也就是說(shuō)水性乳膠涂料比較容易長(zhǎng)霉。因此在水性乳膠涂料和其它容易長(zhǎng)霉的涂料中必須加有能阻止和抑制微生物生長(zhǎng)的添加劑。這種添加劑稱為防霉劑。
能侵襲涂料的微生物主要有兩類(lèi)。一類(lèi)是細(xì)菌，另一類(lèi)是真菌(霉菌)。在涂料受細(xì)菌侵襲而降解的過(guò)程中，起主要作用的往往是細(xì)菌代謝過(guò)程中產(chǎn)生的酶，而不是細(xì)菌本身。對(duì)付細(xì)菌的防菌劑也稱殺菌劑，常用的是酚類(lèi)，甲醛類(lèi)化合物，有時(shí)也用有機(jī)汞化合物，用量約為涂料重量的0.05—0.3％。值得指出的是，在涂料的制造過(guò)程中，要保證在各種原料中不含有酶，否則即使加了防霉劑(殺菌劑)，涂料仍然會(huì)降解。因?yàn)闅⒕鷦┩ǔＶ粚?duì)細(xì)菌有毒性，而對(duì)酶則不起作用。
涂料中真菌(霉菌)的生長(zhǎng)也會(huì)引起涂料的降解，但通常僅以損害涂膜的外觀為主。在某些情況下，如在廚房，奶牛房和釀造廠中，涂膜長(zhǎng)霉還會(huì)間接地對(duì)人畜有毒。對(duì)付真菌的防霉劑也稱殺真菌劑，是有毒性的化合物，能阻止霉菌(真菌)的侵襲和繁殖。下面簡(jiǎn)要介紹幾種殺真菌的防霉劑。
1.有機(jī)汞化合物它們對(duì)人體有較大的毒性，但防各種霉菌的效果很好。如醋酸苯汞就是一種廣譜防霉劑(即能防止很多霉菌生長(zhǎng)的防霉劑)。由于它們?cè)诤蚩諝庵幸资雇磕ぐl(fā)暗，同時(shí)還容易受光化學(xué)作用而降解，因此它們的應(yīng)用面受到了一定的限制。
2.有機(jī)錫化合物這類(lèi)化合物對(duì)人體的毒性比有機(jī)汞化合物要低，但防霉性也很好。有機(jī)錫防霉劑適宜在戶內(nèi)用涂料中使用，用量為涂料中固體成分的1％。
3.偏硼酸鋇如果防銹顏料偏硼酸鋇在涂料中的用量達(dá)15—20％時(shí)，它也有很好的防霉作用。

4.氧化鋅氧化鋅是一種白色顏料，但也是一種傳統(tǒng)的防霉劑。它的用量在30—40％時(shí)有較好的防霉效果。由于它的戶外耐久性較差，而防霉效果也不很穩(wěn)定，因此目前已較少作為防霉劑使用。
5.二硫代氨基甲酸酯這是一種溶解度較小的廣譜防霉劑。用量為涂料中總固體成分的3—6％。
四、增稠劑、觸變劑和防顏料沉淀劑
按照某些配方制造出來(lái)的涂料有時(shí)會(huì)粘度太小，流動(dòng)性太大。在某些應(yīng)用場(chǎng)合下，涂料的流動(dòng)性大是有好處的，但在另一些應(yīng)用場(chǎng)合，流動(dòng)大則會(huì)造成種種不利。如對(duì)木材著色劑、封閉劑和噴漆來(lái)說(shuō)，要求它們的粘度較低，而對(duì)刷涂施工的和需要成膜較厚的涂料，則希望它們的粘度較大。粘度較低的涂料在貯存過(guò)程中，往往會(huì)發(fā)生顏料沉淀現(xiàn)象，而當(dāng)顏料的比重較大時(shí)，則沉淀現(xiàn)象尤為嚴(yán)重。顏料沉淀后，一般經(jīng)攪動(dòng)后可重新分散。但沉淀嚴(yán)重時(shí)，重新分散顏料就很麻煩。這種涂料粘度太小和顏料沉淀的問(wèn)題可通過(guò)加入適當(dāng)?shù)闹鷦﹣?lái)解決。
在涂料中加入增稠劑可增加涂料的粘度(即減少其流動(dòng)性)，但不會(huì)使涂料產(chǎn)生觸變現(xiàn)象。而在涂料中加入觸變劑則能使涂料在沒(méi)有受到剪切力或僅受到低剪切力的情況下形成膠凍狀的結(jié)構(gòu)，但在受到較高剪切時(shí)則有較好的流動(dòng)性。當(dāng)剪切力由較高減低到零時(shí)，涂料會(huì)重新恢復(fù)成膠凍狀態(tài)。這種流變現(xiàn)象稱為觸變。具有觸變性的涂料在施工時(shí)能避免發(fā)生流掛和流淌現(xiàn)象，在貯存時(shí)則能減少或完全消除顏料沉淀現(xiàn)象。
在要求涂膜平整光亮等需要涂料有較好的流動(dòng)性的情況下，不希望涂料有觸變性。此時(shí)顏料沉淀現(xiàn)象可以用添加防沉淀劑或表面活性劑如大豆卵磷酸酯的方法來(lái)解決，通常加入量為配方總量的1％左右。這種防沉淀的表面活性劑會(huì)吸附在顏料表面，因而增加了顏料的體積，降低了它的密度，減少了顏料的沉淀作用。在涂料配方中加入表面經(jīng)過(guò)處理的體質(zhì)顏料能使發(fā)生沉淀的顏料容易重新分散。一個(gè)典型的例子是加入顏料重量的5％的表面經(jīng)過(guò)處理的碳酸鈣。由于這種體質(zhì)顏料的表面有一層有機(jī)物，它們的體積就較大，在顏料發(fā)生沉淀時(shí)，它們堆積在顏料質(zhì)點(diǎn)之間。在涂料受到攪動(dòng)時(shí)，體質(zhì)顏料質(zhì)點(diǎn)的存在就有助于顏料聚集體的破碎。這樣，顏料的重新分散就方便得多了。
有許多化合物能增加涂料的粘度或使涂料具有觸變性，或者是兩種作用兼而有之。下面介紹幾種常用的增稠劑和觸變劑。
1.纖維素醚改性的纖維素醚，如羧甲基纖維素鈉和乙基羥乙基纖維素廣泛用作乳膠涂料的增稠劑。這種纖維素化合物能吸水膨脹而使涂料增稠。它們?cè)谌槟z涂料中的加入量約為0.25—1.0％，在這種加入量時(shí)，它們不會(huì)使涂料具有觸變性。使用羧甲基纖維素鈉作增稠劑時(shí)，乳膠涂料具有較好的流動(dòng)性和流平性，而用乙基羥乙基纖維素時(shí)，乳膠涂料的涂膜則有較好的耐擦洗性。
2.氣相二氧化硅
這種二氧化硅顆粒微細(xì)，吸收了水和其它溶劑之后能形成穩(wěn)定的膠體。由于它在化學(xué)上是惰性的，因此適宜在各種介質(zhì)中用作增稠劑和膠凍劑。氣相二氧化硅的表面經(jīng)過(guò)處理之后，能使它在非水的以及非極性的流體中使用。
3.膨潤(rùn)土
這是一種天然的膠態(tài)硅酸鹽瓷土。當(dāng)它分散在水中后能膨脹，因此可用作水性涂料的增稠劑。用胺處理過(guò)的膨潤(rùn)土能使溶劑型涂料增稠并具有觸變性，加入量約為涂料重量的2—4％。在將胺改性膨潤(rùn)土加入涂料時(shí)，通常是先將它分散在烴類(lèi)溶劑中，再加入少量極性溶劑如甲醇或乙醇使之形成一種觸變性的膠凍，然后將這種膠凍在制漆分散顏料過(guò)程中混和在涂料中。少量極性溶劑的加入能使涂料的觸變性增加。最近在國(guó)外已出現(xiàn)了一種不需要預(yù)先用溶劑制成膠凍，而能在制漆過(guò)程中的任何階段直接加入涂料的新型膨潤(rùn)土，使用十分方便。
五、顏料分散劑
在色漆中，顏料和填料必須在整個(gè)液體系統(tǒng)中均勻地分散。這就要求在制漆時(shí)，顏料和填料的聚集體要得到分散，每一個(gè)固體質(zhì)點(diǎn)的表面要受到液體介質(zhì)的均勻潤(rùn)濕，以使顏料和填料質(zhì)點(diǎn)在涂料中形成一個(gè)均勻的分散體。為此，液體介質(zhì)必須能取代沾留在質(zhì)點(diǎn)表面上的水分和氣體。這種取代是否容易進(jìn)行對(duì)顏料分散的好壞具有重要的實(shí)際意義。大多數(shù)(并不是所有)顏料和填料是親油性的，即它們能被有機(jī)溶劑和能溶于溶劑的基料所潤(rùn)濕，只有一小部分顏料和填料是親水性的，即它們能被水所潤(rùn)濕。例如許多有機(jī)顏料是疏水性(親油性)的。
當(dāng)顏料和填料不能或難于被介質(zhì)所潤(rùn)濕時(shí)，我們可以用顏料分散劑使?jié)櫇袢菀装l(fā)生。即使在顏料潤(rùn)濕較好的場(chǎng)合，人們也經(jīng)常使用顏料分散劑，以保證獲得很好的分散體。顏料分散劑也是一種表面活性劑，可用的化合物有磺化的油類(lèi)，脂肪酸(羧酸)的鈉鹽或鉀鹽、季銨鹽化合物、多環(huán)氧乙烷與脂肪酸或脂肪酰胺的縮合物等。顏料分散劑的用量通常為涂料中總固體分的0.1～0.5％。
顏料分散劑(表面活性劑)在化學(xué)結(jié)構(gòu)上含有極性(親水)基團(tuán)和非極性(親油)基團(tuán)。當(dāng)它加在顏料或填料中時(shí)，或者是極性部分，或在是非極性部分就吸附在質(zhì)點(diǎn)表面上，而另一端未吸附部分就定向排列在表面之外。是極性的還是非極性的基團(tuán)被吸附，決定于顏料或填料質(zhì)點(diǎn)表面的性質(zhì)。如果質(zhì)點(diǎn)表面是疏水性的則吸附顏料分散劑的非極性部分；如果質(zhì)點(diǎn)表面是親水性的，則吸附顏料分散劑中的極性部分。在顏料分散劑的吸附過(guò)程中，質(zhì)點(diǎn)表面上的水分和氣體等就被取代掉了。這樣，在顏料分散劑的幫助下，顏料在基料中的潤(rùn)濕作用得到了改善，顏料的分散就容易進(jìn)行了。

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