涂料的基本組成（3）

第三節(jié)　溶劑

溶劑是溶解基料（樹(shù)脂部分）和改善涂料粘度的揮發(fā)性液體。

助溶劑是本身不能溶解所用的基料，但在一定數(shù)量范圍內(nèi)與溶劑（真溶劑）混合使用，可以提供一定程度的溶解能力，并可影響涂料的其它性能。  e.g. 二甲苯對(duì)中、高分子量環(huán)氧樹(shù)脂是助溶劑。

稀釋劑是不能溶解所用的基料，也無(wú)助溶作用，但在一定數(shù)量范圍內(nèi)，可以與真溶劑及助溶劑混合使用，起到稀釋作用同時(shí)達(dá)到降低成本的目的。  e.g. 乳膠漆中的水；

選擇涂料溶劑應(yīng)考慮的因素：對(duì)基料的溶解性。蒸發(fā)速率。價(jià)格。毒性及氣味。

一、溶劑對(duì)基料的溶解性

1. 相似相溶

甲苯、二甲苯溶解烴類樹(shù)脂；  酯類、酮類溶解含氧樹(shù)脂

2. 溶解度參數(shù)

Hildebrand提出：溶解度參數(shù)匹配則溶解。

溶解度參數(shù)定義：內(nèi)聚能密度的平方根。即

ΔE₁、ΔE₂分別代表每摩爾溶劑與聚合物的內(nèi)聚能；

V₁、V₂分別代表溶劑與聚合物的摩爾體積。

從熱力學(xué)觀點(diǎn)看，對(duì)于一個(gè)溶解過(guò)程是否能自動(dòng)進(jìn)行，主要看其混合自由能是否減小，即ΔG_M＜0

∵ ΔG_M＝ΔH_M－TΔS_M

而

N₁、N₂為溶劑與聚合物的摩爾分?jǐn)?shù)。

ΔS_M為混合熵，在溶解過(guò)程中，總是增大的，即ΔS_M＞0；如果要ΔG_M小，則要求盡量小，所以δ₁−δ₂應(yīng)盡量小。

對(duì)于高聚物和有機(jī)溶劑的非極性分子體系，當(dāng)δ₁−δ₂<1.3~1.8時(shí)，就可以估計(jì)為能夠溶解。

e.g.1 已知PS_t的δ＝8.5~9.3，能否溶于丁酮。在苯、甲苯及氯仿中可否溶解？

答：丁酮δ＝9.3；；小于1.3~1.8  ∴可溶

苯、甲苯及氯仿的δ₁分別為9.2、8.9和9.7，δ₁−δ₂的差值的絕對(duì)值分別為0.2、0.5和0.3，小于1.3~1.8，∴可溶。

e.g.2 已知天然橡膠的δ₂平均值為8.2，正已烷的δ₁為7.3，可以很好地溶解天然橡膠，但若加入適量的甲醇可以使其溶解增強(qiáng)，試求甲醇的最佳加入量是多少？

答：設(shè)甲醇所占的體積分?jǐn)?shù)為X，甲醇的δ₁為14.6；混合溶劑的溶解度參數(shù)為：δ_m＝14.6X+7.3(1－X)

欲使此混合溶劑對(duì)天然橡膠有最大的溶解能力，混合溶劑和天然橡膠的溶解度參數(shù)最好是相同，即δ_m＝8.2，代入上式得：8.2＝14.6X+7.3(1－X)

解些方程得X＝0.125，即在正已烷中加入12.5%的甲醇（體積），所得的混合溶劑對(duì)天然橡膠的溶解力最強(qiáng)。

3. 溶解度參數(shù)和氫鍵力

Hildebrand的推導(dǎo)是限于非極性分子混合時(shí)無(wú)熱或吸熱的體系，對(duì)于強(qiáng)極性分子構(gòu)成的體系，因?yàn)橛袣滏I形成，則該推導(dǎo)結(jié)果就不甚合適了，美國(guó)Burrell在1955年將上述原則予以完善，使涂料工作者能對(duì)不同類型的體系較合理地判斷某一聚合物的溶解能力。他提出對(duì)每一種液體有兩個(gè)因數(shù)（或參數(shù)）與液體的溶解能力有關(guān)。第一個(gè)因素是液體的氫鍵力。根據(jù)氫鍵力的強(qiáng)弱，Burrell將溶劑定量地分成3組：

第一組：弱氫鍵（烴類、氯化烷烴，硝基化烷烴）；第二組：中氫鍵（酮類，酯類，醚類和醇醚類）

第三組：強(qiáng)氫鍵（醇類和水）

設(shè)想以氫鍵程度表征平均值來(lái)定量氫鍵力，依其設(shè)定，弱氫鍵力平均值為0.3，中氫鍵力平均值為1.0，強(qiáng)氫鍵力平均值為1.7。且混合溶劑的氫鍵力的表征平均值，可以用下式計(jì)算：

混合溶劑的氫鍵力表征平均值＝φ₁A+φ₂B+…式中

φ₁，φ₂為溶劑A，B在混合溶劑中的體積分?jǐn)?shù)；B為溶劑A，B的氫鍵力表征平均值。

根據(jù)Burrell提出的方法，當(dāng)判斷一種樹(shù)脂在一種溶劑中是否溶解時(shí)，首先要確認(rèn)該樹(shù)脂和溶劑的氫鍵力大小的等級(jí)，然后依據(jù)樹(shù)脂和溶劑在相同氫鍵等級(jí)內(nèi)的δ大小是否相近的原則，來(lái)判斷該樹(shù)脂在該溶劑中是否溶解。這樣就將分子極性及氫鍵力對(duì)溶解性的影響考慮在內(nèi)了。

e.g.1 E-20環(huán)氧樹(shù)脂為中等氫鍵溶解度參數(shù)，δ_m為8~13，可溶于中等氫鍵溶解度參數(shù)的溶劑中，如醋酸正丁酯（δ_m＝8.5），丙酮（δ_m＝9.9），乙二醇單丁醚（δ_m＝9.5）。但不能溶于強(qiáng)氫鍵的醇類中，如正丁醇（δ_s＝11.4）和弱氫鍵的烴類溶劑中，如二甲苯（δ_p＝8.8）。能否溶于70%二甲苯＋30%正丁醇的混合溶劑中？

解：混合溶劑的氫鍵力＝(0.7×0.3)+(0.3×1.7)＝0.8，屬于中等氫鍵力范圍。

混合溶劑的溶解度參數(shù)δ_M＝(0.7×8.8)+(0.3×11.4)＝10.5

由計(jì)算結(jié)果可知，E－20環(huán)氧樹(shù)脂和該混合溶劑屬同一氫鍵等級(jí)，而溶解度參數(shù)又相近，故E－20環(huán)氧樹(shù)脂可以溶于該混合溶劑中。

將氫鍵力和溶解度參數(shù)結(jié)合起來(lái)考慮的方法，預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確程度可以提高到95%。

二、溶劑的蒸發(fā)速率

一個(gè)好的涂料配方，溶劑的揮發(fā)速率不能太快，也不能太慢，兩者之間必須取得平衡。

如果溶劑揮太快，那么涂膜既不會(huì)流平，也不會(huì)對(duì)基材有足夠的濕潤(rùn)，因而不能產(chǎn)生很好的附著力。揮發(fā)過(guò)于迅速的溶劑，還會(huì)導(dǎo)致由于迅速冷卻而使?jié)衲け砻娴乃�蒸汽冷卻而造成涂膜表面發(fā)白，嚴(yán)重者甚至影響正常噴涂成膜。

如果溶劑揮發(fā)太慢，不僅會(huì)延緩干燥時(shí)間，同時(shí)涂膜會(huì)流掛而變得很薄。如果溶劑組成在揮發(fā)過(guò)程中發(fā)生不理想的變化，就會(huì)產(chǎn)生樹(shù)脂的沉淀和涂膜的缺陷，因此溶劑的揮發(fā)速率是影響色漆施工質(zhì)量及涂膜質(zhì)量的一個(gè)重要因素。

所以我們?cè)谠O(shè)計(jì)色漆配方時(shí)，在選擇溶劑時(shí)要根據(jù)施工方法、氣候和環(huán)境選擇揮發(fā)速率適宜的溶劑或混合溶劑。

對(duì)于混合溶劑還要注意保持“溶劑平衡”，溶劑平衡是指涂料在成膜過(guò)程中，混合溶劑的各組份揮發(fā)速率要與溶劑組成保持對(duì)應(yīng)。

在溶劑配方中，不僅要考慮最初的揮發(fā)速率，也要考慮中間和最終的速率，以利流平，防止流掛、條痕、桔皮、縮邊等漆膜弊病的出現(xiàn)。

對(duì)于錘紋漆、皺紋漆的施工，控制溶劑的揮發(fā)更是影響成敗的關(guān)鍵。

1. 溶劑揮發(fā)性的表達(dá)

(1)曾用沸點(diǎn)高低來(lái)說(shuō)明揮發(fā)的快慢，但會(huì)出現(xiàn)很大偏差。如

(2)相對(duì)蒸發(fā)速率

即選定某一溶劑為標(biāo)準(zhǔn)（習(xí)慣上常選乙酸正丁酯，也有用乙醚的），把它的蒸發(fā)速率定為1。則溶劑的相對(duì)蒸發(fā)速率定義為：

t₉₀指在規(guī)定條件下，蒸發(fā)溶劑之量為90%所需的時(shí)間。之所以要采用蒸發(fā)溶劑總量的90%所需的時(shí)間，是為了避免蒸發(fā)過(guò)程中因溶劑與底材間相互作用而造成誤差。

舉例：環(huán)氧樹(shù)脂的溶劑一般是70%二甲苯+30%正丁醇

配制混合溶劑時(shí)，希望各組分相對(duì)揮發(fā)速率要與溶劑組成保持對(duì)應(yīng)。如果溶解能力強(qiáng)的溶劑組分比其它組分揮發(fā)得快，則在干燥后期樹(shù)脂可能析出，涂膜表面產(chǎn)生顆粒。

三、溶劑的粘度

在涂料工業(yè)中我們不僅關(guān)心樹(shù)脂能否溶解在溶劑中形成均勻的溶液，同時(shí)也關(guān)心所形成的樹(shù)脂溶液粘度，即希望相同濃度（或固體份）的樹(shù)脂溶液粘度越低越好。這樣當(dāng)達(dá)到相同的施工粘度時(shí)，漆液的固化含量較高，從而使施工效率提高，而揮發(fā)到大氣中的溶劑量少，對(duì)環(huán)境的污染較輕。

溶劑通常是以如下兩種方式影響著樹(shù)脂溶液的粘度：

   溶劑對(duì)高分子樹(shù)脂的溶解力；   溶劑自身的粘度

前者的作用為人們所普遍認(rèn)識(shí)，而后者的作用往往為人們所忽視

對(duì)于高聚物的濃溶液（涂料工業(yè)所用樹(shù)脂溶液均為此類型），溶劑的溶解力越強(qiáng)，所形成的樹(shù)脂溶液的粘度越低。

驚人的事實(shí)中：往往被人們所忽視的是，溶劑自身的粘度對(duì)樹(shù)脂溶液的粘度影響十分顯著，溶劑自身粘度相差不大于1mp·s時(shí)，會(huì)使樹(shù)脂溶液的粘度相差幾百甚至上千個(gè)mp·s。

因此，我們?cè)谂渲迫魏我环N涂料用樹(shù)脂溶液（漆料）或色漆產(chǎn)品時(shí)，為使其粘度能滿足預(yù)定的要求指標(biāo)，在選擇溶劑時(shí)，除了選擇溶解力好的溶劑外，還要同時(shí)注意選擇粘度較低的溶劑，這樣才有利于獲得高固體低粘度的樹(shù)脂溶液或色漆產(chǎn)品。

四、溶劑的表面張力

所謂“表面張力”應(yīng)用于液體時(shí)指的是在液相和氣相之間形成一個(gè)單位面積表面所需要的功。或者定義為，在液體表面上垂直作用于單位長(zhǎng)度線段上的表面緊縮力。

所以表面張力的因次以J•M-2或N•M-1來(lái)表示。

在涂料中“表面張力”是個(gè)重要的指標(biāo)，低表面張力的漆料和低表面張力的色漆漆液無(wú)疑是有益的，表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1、低表面張力的樹(shù)脂溶液（漆料），有利于對(duì)顏料的濕潤(rùn)，便于顏料在漆料中分散，提高色漆制造時(shí)的研磨分散效率，并有利于漆漿的穩(wěn)定。

2、低表面張力的色漆漆液有利于涂膜對(duì)底材的濕潤(rùn)，因此便于涂膜的流平和提高涂膜對(duì)底材的附著力。

3、高固體份的涂料的表面張力對(duì)其噴涂時(shí)霧化性能的影響比涂料粘度的影響更為重要。低表面張力的色漆漆液容易霧化，從而易于獲得滿意的涂膜。

4、某些漆膜病態(tài)也與漆液表面張力有關(guān)，如陷穴、縮孔和鏡框效應(yīng)（Picture  Tramins）等。降低漆液的表面張力，可以使上述漆膜病態(tài)得到緩解。

降低漆料和色漆漆液表面張力也是色漆配方設(shè)計(jì)時(shí)需要關(guān)注的一個(gè)重要問(wèn)題。

而色漆配方組成中的成膜物的表面張力都比較高，一般在32—61mN/m,而各類溶劑的表面張力相對(duì)比較低。

因此，在色漆配方中盡量選用低表面張力的溶劑是降低漆料和色漆漆液的一條重要途徑。

五、涂料工業(yè)常用溶劑舉例

1. 烴類溶劑

(1)溶劑汽油。主要成份烷烴（芳香烴約15~18%）。200號(hào)溶劑汽油的蒸餾范圍：145~200℃.

揮發(fā)速度慢，可溶解大多數(shù)天然樹(shù)脂、油性樹(shù)脂和中長(zhǎng)油度醇酸。

(2)甲苯。揮發(fā)較快，用于硝基漆、氣干型乙烯基樹(shù)脂漆，作氯化橡膠涂料混合溶劑組分。

(3)二甲苯。中等蒸發(fā)速率，廣泛用于醇酸、乙烯基樹(shù)脂。氯化橡膠及PU涂料中。

2. 醇類和醚類溶劑

(1)乙醇：用于蟲(chóng)膠清漆、PVB樹(shù)脂、硝基漆的混合溶劑

(2)正丁醇：蒸發(fā)速率低，用于氨基樹(shù)脂、聚乙酸乙烯酯、丙烯酸樹(shù)脂，也用于硝基漆的助溶劑。

(3)乙二醇單乙醚：揮發(fā)慢，常加到施工配方中改進(jìn)施工性能。

(4) 乙二醇單丁醚：揮發(fā)更慢，還用于乳膠漆作成膜助劑。近來(lái)發(fā)現(xiàn)乙二醇的這類衍生物毒性太大，其代用品是丙二醇的單醚或醚酯。

3. 酯類、酮類溶劑

(1)丙酮：揮發(fā)快，溶解力強(qiáng)。各種乙烯共聚物和硝化纖維的溶劑，也可適量加入其他混合溶劑中，改善涂料及涂膜性能。

(2)甲乙酮(MEK)：揮發(fā)快，溶解力強(qiáng)，常與溶解力低的溶劑混合使用，改善成膜性、施工性，用于乙烯基共聚物、環(huán)氧樹(shù)脂、PU。

(3)乙酸乙酯：揮發(fā)快，溶解力低于酮，用于硝基漆，現(xiàn)在應(yīng)用有擴(kuò)大。

(4)乙酸丁酯：揮發(fā)中等，用于硝基漆、PU等。

4. 乙二醇乙醚乙酸酯：揮發(fā)慢，溶解力強(qiáng)，用于PU、乙烯基樹(shù)脂、乙基纖維素漆。