基材潤濕基礎(chǔ)知識

1、基材潤濕劑及其應(yīng)用機(jī)理?xiàng)钇湓阑臐櫇駝?1、前言 由于環(huán)保省資源型涂料的發(fā)展，對基材潤濕劑的需求越來越強(qiáng)烈。 環(huán)保省資源型涂料主要有各類水性涂覆料，如水性涂料、水性墨及皮革、紙張、織物等用的涂飾劑。除此之外還有高固體份涂料、無溶劑型涂料等。 這些材料有一個共同的特奌，就是不用或者少用有機(jī)溶劑。因此，使它們擁有一個共同的不足之處，就是對基材潤濕欠佳。其結(jié)果就會導(dǎo)致涂膜展布性不佳、產(chǎn)生表面缺陷、附著力差等弊病。 富含有機(jī)溶劑的涂料,因有機(jī)溶劑的表面張力比較低.所以其對基材具有較好的潤濕能力。而這些環(huán)保省資源型涂料,因不含或少含有機(jī)溶劑其表面張力較高,所以對基材的潤濕性就比較差,極易出現(xiàn)上述的病態(tài)。

2、 特別是水性涂料,在涂料中的有機(jī)溶劑被水取代。水的表面張力比有機(jī)溶劑髙出2倍至3倍,對基材的潤濕更加困難,尤其是對低表面能的材質(zhì)就根本無法潤濕,造成涂裝困難。 實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)告訴我們:相對液體的表面張力,基材的表面張力越高,液體包括涂料等涂飾材料,對基材 的潤濕性越理想。 前面只談了環(huán)保省資源型涂料有基材潤濕問題,這並不是說傳統(tǒng)的有機(jī)溶劑型涂料就不存在基材潤濕問題。在低表面能的材質(zhì)如PE.PP塑料上,在被低表面張力物質(zhì)如油脂污染過的材質(zhì)上涂裝時,有機(jī)溶劑型涂料也會出現(xiàn)潤濕困難問題。 改善潤濕性一般採取兩種方法：第一種方法是進(jìn)行基材表面處理，清除油污、灰垢：鋼鐵表面可以採取打磨、噴沙噴凡處理,有機(jī)材質(zhì)

3、特別是塑料可以採取電暈處理、火焰噴射處理、酸性氧化處理等來提髙基材的表面能，增強(qiáng)潤濕性。第二種方法是使用基材潤濕劑,降低涂覆材料的表面 張力,特別是降低涂料與基材之間的界面張力。 這類助劑的品種不很多有傳統(tǒng)型的表面活性劑,特別是非離子型的表面活性劑。聚醚改性的聚硅氧烷或氟碳化合物。這類助劑的最大特奌是與所有的表面活性劑一樣,分子中必須含有一個親水基團(tuán)和一個疏水基團(tuán)。這種分子結(jié)構(gòu),特別有利于其在液/固界面定向排布,達(dá)到基材潤濕的目的。 涂料在髙剪切速率下,極易失掉表面張力平衡,出現(xiàn)表面張力差,這種涂料若落到基材上,就會產(chǎn)生涂膜病態(tài)。這就是因動態(tài)表面張力失衡,所造成的涂裝或涂膜缺陷。必須加添控制動

4、態(tài)表面張力平 衡的基材潤濕劑才能克服解決。 動態(tài)表面張力,純粹液體的表面張力在運(yùn)動靜止后能很快達(dá)到平衡,但溶液不同,其中存在活性物重排過程,所以表面張力達(dá)到平衡往往需要一定時間,這一點(diǎn)對含表面活性劑的水性涂料要特別注意。達(dá)到平衡時的表面張力叫靜表面張力(平時稱其為表面張力),隨時間變化的表面張力呌動表面張力。也可以理觧為：溶液在運(yùn)動狀態(tài)下的表面張力。 在涂料中動態(tài)表面張力低比髙更有利于顏料潤濕,涂裝施工及涂膜的形成。 2、基材潤濕 基材潤濕屬于界面問題,界面是指兩相相接觸的界面。本文所指的是固相,液相和氣相三者之間相互形成的界面：固/氣、固/液、氣/液界面。 相鄰的兩相之間沒有清楚的界線,而是

5、由界面相連。界面是由兩相相互滲透緊密相椄構(gòu)成的,其厚度大約數(shù)個分子大小。 界面的性質(zhì)與相鄰兩相截然不同，例如純液體的表面,在表面張力的作用下其表面積趨向于最?。挥秩缛芤旱谋砻?由于從液相內(nèi)部吸附溶質(zhì),導(dǎo)致溶質(zhì)在表面的濃度不同于液相內(nèi)部的濃度。 在工業(yè)生產(chǎn)過程中許多程序是與潤濕分不開 的，例如顏料在基料中的分散、色漿制造、織物涂飾,油墨印刷、涂料涂裝、乳化、吸附、滲透、洗潔等等,都離不開潤濕、都存在界面、都與表面活性劑有密切的關(guān)系。 基材潤濕與顏料在基料中的潤濕分散還不完全相同。前者為鋪展?jié)櫇?，后者為浸漬潤濕。 基材潤濕是液體對固體表面的展布潤濕，如印刷、涂漆。液/氣界面張力和液/固界面張力都必

6、須低。浸漬潤濕不存在液/氣界面，潤濕效果取決于液/固界面張力。液/固界面張力越低效果越好。一、什么是基材潤濕 1、潤濕的定義 潤濕：是指固體表面的一種流體被另一種流體所取代的過程叫潤濕。潤濕有三種現(xiàn)象： 是沾濕，是浸濕，是鋪展。 2 、表面活性劑是潤濕的關(guān)鍵。它能使髙能固體表面疏水親油，還能使低表面能固體被髙表面能液體潤濕。這種表面活性劑就是潤濕劑。、潤濕作用：是表面張力及界面張力的變化過程，實(shí)質(zhì)是一種表面置換工程。潤濕作用是由液體的表面張力（rl）、固體的表面張力（rs）和液/固間的界面張力（rls）三者之間的關(guān)系所決定。這三者之間的關(guān)系可用楊氐定理觧釋。 楊氐定理如式1所示： SG = S

7、L + LG COS -1 式 中 SG -固/氣界面張力； SL -固/液界面張力； LG -液/氣界面張力： -液體與固體的接觸角。 各種潤濕狀態(tài)可由接觸角來測定，接觸角不同潤濕鋪展的類型不同。接觸角大小是由基材潤濕劑在界面上吸附 的形態(tài)和量來決定的。接觸角可由1式導(dǎo)出，用2式表示： SG - SL COS = -2 LG 、當(dāng)SG SL，那么COS0，90。不潤濕。=180時，不潤濕、不鋪展，形成水珠滾動。 當(dāng)LG SG - SL，則1COS0， 90時液體能潤濕固體表面，但不能全潤濕，鋪展不好。 、 當(dāng)LG = SG - SL，則COS = 1， = 0液體會完全潤濕固體表面，形成良好

8、的鋪展現(xiàn)象。 當(dāng)固體浸漬在溶液中，潤濕應(yīng)是固體的固/氣界面被 固/液界面取代的全部過程，潤濕效果取決于固/液界面張力。與鋪展?jié)櫇癫煌淮嬖谝?氣界面。潤濕效率Wi 為： W i= SG SL - 3 若將式代入式，則潤濕效率為： Wi = LG COS - 4 液體的表面張力(LG )和接觸角()都可以測出，采用4式就可以直接計算出潤濕效率。為實(shí)驗(yàn)提供了方便。但要注意修正。 4、影響顏料潤濕效率的因素 Washborre提出了測定顏料在基料中潤效率的修正公式。潤濕效率除4式所示外還與顏料粒子集聚體孔隙度的半徑成正比與孔隙度的深度和基料的 粘度成反比 。如式5所示： 3 潤濕效率 = K F1C

9、OS -5 I 式中 K-常數(shù)； -基料的表面張力； r-顏料粒子集聚體孔隙度的半徑； L-顏料粒子集聚體孔隙度的深度； -基料的粘度。 這就是說顏料附聚體易潤濕分散，而凝聚體難分散。 潤濕是使顏料粒子由疏液型的變成親液型的，潤濕劑能潤濕顏料粒子還能潤濕粉碎后新產(chǎn)生的粒子界面，能夠提髙顏料研磨粉碎的效率。而分散是指被研磨粉碎后的顏料細(xì)小粒子能夠穩(wěn)定地懸地浮保持在分散媒中。不產(chǎn)生沉淀、浮色、發(fā)花、分層等不良現(xiàn)象。由此可見，潤濕中有分散，分散中有潤濕，因此才有潤濕分散劑之稱。 5、鋪展?jié)櫇衽c流平的關(guān)系 鋪展?jié)櫇袷潜砻孀杂赡艿淖兓＿@種自由能包 括液體分子定向吸附在固體表面上產(chǎn)生的吸附熱和熵的變化。

10、 產(chǎn)生潤濕的主要因素是在固/液界面上吸附的化合物的組成，該物質(zhì)在界面上的吸附密度和定向方式。固/液接觸角越小潤濕效果越好。 流平，是一種運(yùn)動。是涂料在基材上達(dá)到光滑平整狀態(tài)的過程。其動力應(yīng)是各種能量的總和。其中主要動力是表面張力，該力越高流動流平性越好。請參看式6： t = L / r -6 式中，L為刷痕： r表面張力。這只強(qiáng)調(diào)單純的流動，而未考慮表面缺陷?！皾櫇窈土髌绞敲堋边@要從兩方面考慮：若只降低液/固界面張力，減小接觸角，涂料會有良好的鋪展?jié)櫇?這對流動和流平是有利的，潤濕和流平是統(tǒng)一的。如果只會大幅度的降低涂料的表面張力，對基材的潤濕作用不大這種潤濕和流平便是矛盾的。這種觀念來源于

11、“能降低表面張力便有潤濕作用”其實(shí)不然能降低表面張力不一定有潤濕作用。 潤濕功可用6式表示 Ws = rS rLS rLG 7 將6式代入1式楊氐定理公式中可得7式 Wsrl(cos1) 8一 只有當(dāng)Ws0時，才能發(fā)生鋪展?jié)櫇瘛Ｒ簿褪钦f只有接觸角是0時，cos值才等于1。Ws才能等于零，否則就不會產(chǎn)生鋪展?jié)櫇?，只會是浸濕或粘濕?當(dāng)涂料成膜外力取消后，推動流平的力就只有表面張力了，所以表面張力高，流平效果好。但表面張力高對潤濕不利，又防礙鋪展。要調(diào)節(jié)兩者的平衡，只有依靠液/固界面張力。從6式中可知只有rLG值小，cos值大，才會產(chǎn)生鋪展?jié)櫇?。只所以流平和潤濕有時是矛盾的，有時是統(tǒng)一的。 要想獲

12、得良好的流平性，就必須提髙涂料對基材的潤濕性和控制涂料的表面張力。所以選擇流平 劑和基材潤濕劑就特別重要。特別是高分子量的聚醚改性的聚硅氧烷和氟碳類的流平劑，它們會快速地在涂膜表面定向排布，但不能在基材的界面上定向排布，它雖然能降低涂膜的表面張力，控制涂膜表面狀態(tài)。但對基材潤濕潤卻不起作用，所以這類助劑鋪展性很差，流平性不佳。潤濕和流平是矛盾的?；臐櫇駝焖俚卦诨慕缑娑ㄏ蚺挪肌?dǎo)致涂料的表面張力相對變髙，使涂料迅速鋪展成膜幫助了流平。潤濕和流平是統(tǒng)一的。但涂料中若含有未分散好的固體粉料時，其會吸附在這些材質(zhì)的表面上，吸附了基材潤濕劑的粒子在成膜過程中會形成縮孔施體，特別是在水性清漆簿膜涂

13、飾時極易出現(xiàn)縮孔。觧決辦法是添加適量的流平劑，保持涂料的表面具有適宜的表面張力。二、基材潤濕劑的應(yīng)用及其作用機(jī)理 1、基材潤濕劑的類型 （1）表面活性劑類，各種離子型和非離子型的傳統(tǒng)表面活性劑。例如DO-75、WET-500。 （2）低分子量的硅氧烷型的表面活性劑。多數(shù)是端基聚醚改性的小分子量的聚硅氧烷。例如WET-KL-245、WET-260、270、280等。 （3）氟碳類表面活性劑，這類表面活性劑降低表面張力速度快、能力強(qiáng)、穩(wěn)泡后難于消除。 （4）其他類型產(chǎn)品，如炔二醇類產(chǎn)品等。 各種基材潤濕劑降低表面張力的能力 (0.l%的水溶液, 25) 表面活性劑 靜態(tài)表面張力(mN/m) 烷基壬

14、基酚聚氧乙稀醚 35 高分子量有機(jī)硅 表面活性劑 31 Tego Wet KL-245 21 非離子型氟碳聚合 物表面活性劑 17 參照物純凈水 72.5 2、基材潤濕劑的作用機(jī)理 （1）基材潤濕劑必須具備在基材上吸附的能力，降低固/液界面張力。將0.1%的WET-245加到水中，可使水的表面張力降到22-23mN/m左右。在涂膜中它會優(yōu)先吸附到基材的表面上，降低涂膜和基材的界面張力，增加涂膜對基材的潤濕能力，改善或提髙涂膜對基材的附著力。因其還具備降低液/氣界面張力的能力，所以對展布性也是有利的。由于其多數(shù)在基材界面處定向，所以不會發(fā)生層間附著力問題。低分子量的端基改性的聚硅氧烷化合物對基材

15、的潤濕、對涂膜的展布性都比較理想，是一種良好的基材潤濕劑。 （2）基材潤濕劑要有良好的舖展性 基材潤濕劑除具有降低涂膜/基材之間的界面張力，增加涂膜對基材的潤濕性和改善附著力的作用外。還應(yīng)有良好的鋪展性。涂膜要獲得良好的展布性？必須滿足6式要求：固/液和氣/液的界面張力之和不能大于固/氣界面張力， 只有潤濕功是正數(shù)，才能具有舗展性。一個定型的配方，基材潤濕劑的用量是固定的。在成膜過程中基材潤濕劑會取向于固/液界面定向吸附，必然導(dǎo)致氣/液界面張力升高，對鋪展有利。但表面失控會出現(xiàn)表面缺陷。所以配方設(shè)計時要特別注意基材潤濕劑和表面狀態(tài)控制劑(流平劑)的添加量。 （3）潤濕與鋪展的關(guān)系 為了驗(yàn)證Gl

16、ide 410、Wet270、R-6（18碳脂肪酸與6個環(huán)氧乙烷的加成物）對鋪展?jié)櫇竦淖饔?，分別將其制成0.04%的水溶液。觀其外觀均有發(fā)乳現(xiàn)象，難區(qū)伯仲。 各取10滴溶液滴到聚酯膜片上，觀其流動鋪展現(xiàn)象初期流動速度：R-6Wet270Glide410（幾乎不流動）。最終流動面積270（17.4CM2）R-6（16.8CM2）410（1.77CM2）。說明鋪展?jié)櫇褡詈檬?70。R-6也可以，只比270少0.6CM2。 在各溶液中添加一定量的BASF有機(jī)紅觀查其潤濕情況，沉降速度：R-6270410說明潤濕最好的是R-6。更有趣的是加顏料后的鋪展面積都比未加時變大：270（18.6CM2）R-6

17、（17.6CM2）410（3.14CM2）。270（18.6-17.4=1.2）、R-6（17.6-16.8=0.8）410（3.14-1.77=1.37）。這說明潤濕對鋪展沒有影響，反而會因表面張力的提升促動了鋪展。潤濕劑吸附到顏料表面上一部份，畄在液體表面的量就減少了，表面張力得以提升，促動了鋪展?jié)櫇瘛?為了測定流平劑和基材潤濕劑對流動流平的作用配制了流平劑與基材潤濕劑的混合溶液245（0.03）+410（0.02）、245（0.03）+450（0.02）、單獨(dú)245（0.02）。 各取10滴溶液滴到聚脂膜片上，觀查其流動性，流動速度：245245+450245+410。最終流動面積245

18、（23.6CM2）245+410（6.8CM2）245+450（6.6cm2）。添加顏料后兩個混合溶液的鋪展面積變大，245變小。245+410（12.65增大了5.85），245+450（8增大了1.4），245（19.5減少了4.1cm2）。從上面實(shí)驗(yàn)可以看出單就鋪展而言245最好，是因?yàn)槠淙吭诨慕缑嫔隙ㄏ蚺挪?，?液界面張力高有助于流動流平。加添流平劑的表面張力被降低了對流動流平是不利的。結(jié)論是流平劑不利于鋪展流動。 在各溶液中分別加添BASF有機(jī)紅，看到沉降速度幾乎相同。這說明流平劑並不影響其對顏料的潤濕。但加添顏料的245卻影響了其鋪展性，是因?yàn)?45吸附在顏料表面上 ，在基材界

19、面上吸附量減少，所以鋪展面積減少了。 展布性與降低表面張力的能力沒有必然的關(guān)系，表面張力降得低，展布性未必好。表面活性劑 0.1%水溶液的表面張力 0.1%水溶液0.05ml在PVC膜上 的展布面積(cm2)傳統(tǒng)有機(jī)化合物表面活性劑 35 20高分子量有硅表面活性劑 31 5非離子氟碳表面活性劑 17 20低分子有機(jī)硅Wet KL-245 21 160 由上表可見，降低表面張力最低的，不是展布性最好的。傳統(tǒng)型表面活性劑降低表面張力最差，但其展布性卻和降低表面張力最強(qiáng)的氟碳表面活性劑相同。 (4)、基材潤濕劑對顏料有良好的潤濕性 實(shí)驗(yàn)證實(shí)基材潤濕劑在水性顏料分散體中 會優(yōu)先吸附到顏料粒子表面上增

20、強(qiáng)顏料潤濕性。 在水中加入0.3%的Wet KL-245水的表面張力會由70.08mN/m下降至22mN/m，降了67.75%。 在水中加入5gFW-200炭黑，水的表面張力下降為 68.29mN/m，若再加入0.3%的245，表面張力幾乎沒有下降，為67.88mN/m，只降了0.6% 在水中加入5g酞菁蘭，水的表面張力下降到52.44mN/m，若再加入0.3%的245，表面張力降到34.68mN/m，降了33.87%。 在水中加入5g有機(jī)紅，水的表面張力降到59.25mN/m，若再加入0.3%的245，表面張力降到37.25mN/m，降了37.13%。 顏料加到水中會使水的表面張力下降，這奌

21、證實(shí)了顏料有微溶于水的現(xiàn)象，溶觧物定向于水的表面，才會使水的表面張力降低。其順序?yàn)樘嗵m有機(jī)紅炭黑。這說明炭黑溶得少，酞菁蘭溶得多。顏料在這里起到了降低表面張力的作用。 在顏料水性分散體中再繼續(xù)添加245，降低表面張力的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于在純水中的能力 。這只能說明245 大部份吸附到顏料的表面上了，減少了 在氣/液界面的排布量，才導(dǎo)致表面張力的增加。其順序?yàn)椋禾亢?酞菁蘭有機(jī)紅純水。純水加245的表面張力為22 mN/m，炭黑為67.88 mN/m Wet KL-245在不同顏料表面上的吸附量不同，這與顏料的表面張力和245疏水基團(tuán)有關(guān)。顏料表面張力越低，245疏水基團(tuán)越強(qiáng)，吸附量越多。在滿足該條

22、件下，比表面積越大，吸附量越多。當(dāng)然與其他添加材料及共存溶劑也有關(guān)。 將低表面能的硬脂酸鋅和聚四氟乙烯分散在水中不加潤濕劑是漂浮在水面上的。分散硬脂酸鋅時可使用Wet-500為潤濕劑；在分散聚四氟乙烯蠟時245最好，500就不潤濕能了。 以上的實(shí)驗(yàn)都證實(shí)了基材潤劑在水性分散體系中能夠吸附到顏料的表面上，降低液/固界面張力，起到好的潤濕效果。但潤濕並不等于分散，要想獲得良好的分散體，潤濕劑要配合適宜的分散劑 (4)、基材潤濕劑應(yīng)用性能的穩(wěn)定性 在手套涂飾劑中應(yīng)用Wet KL-245，經(jīng)長期貯存后，發(fā)現(xiàn)涂飾劑表面張力有升髙的現(xiàn)象，在涂裝時手腕處會出現(xiàn)亮斑。分析原因，涂飾劑中含有亞光粉，亞光粉分散時

23、沒有得到良好的潤濕，在貯存時245吸附到亞粉粒子表面上，導(dǎo)致涂膜表面張力升高，展布性出現(xiàn)問題，產(chǎn)生亮斑。這不是245的缺陷，是應(yīng)用技術(shù)水平不夠。觧決對 策，補(bǔ)加245，增加其在表面的排布量；添加髙分子量聚醚改性聚硅氧烷流平劑，使其在涂膜表面排布，降低表面張力；用濕潤分散劑研磨亞光粉，制成穩(wěn)定的亞光膏，使亞粉達(dá)到飽和吸附，再添加到涂飾劑中，就不會再吸附基材潤劑了。實(shí)踐證實(shí)這些方法都是行之有效的。 (5)、動態(tài)表面張力失衡涂膜產(chǎn)生缺陷 當(dāng)採用髙剪切速率涂裝時，在瞬間大幅增加的表面上，涂料中的表面活性劑來不及重新排布落到基材上，潤濕不均勻，就會產(chǎn)生不展布的現(xiàn)象。這時必須使用調(diào)節(jié)動態(tài)表面張力平衡的基材潤濕劑，使涂料在運(yùn)動中達(dá)到表面張力平衡。三、基材潤濕劑作用小結(jié) （1）降低表面張力、 基材潤濕劑能使表面張力平衡、防縮孔、特別是因基材污染或表面張力過低造成的表面缺陷、防止波紋、防止貝納爾渦流（特別是氟碳類的表面活性劑、還有高分子量的有機(jī)硅類流平劑）。 （2）降低界面張力、增強(qiáng)潤濕能力、提高展布性、改善附著力。如WET-KL-245、WET-260。 （3）基材潤濕劑能夠降低顏料孔隙內(nèi)的固/液界面張力，增強(qiáng)液體對顏料孔隙的潤濕和滲透能力WET-270就具有這種特殊功能、對孔隙的滲透能力特別強(qiáng)。可用于木器底漆，涂裝多孔的材質(zhì)，提高附著力，防止涂膜塌陷；還可防止