涂料溶劑

由于涂料對(duì)溶劑的要求比較苛刻，考慮到揮發(fā)速率、溶解性以及成本等多種因素，單一溶劑很難滿足涂料的使用要求，涂料用溶劑一般為混合溶劑，由三大部分組成，即真溶劑、助溶劑和稀釋劑。一般來說，混合溶劑的組成是由其施工工藝條件所控制的，如涂料干燥溫度和干燥時(shí)間等。通常室溫下物理干燥的涂料，其混合溶劑的組成為45%低沸點(diǎn)溶劑、45%中等沸點(diǎn)溶劑和10%高沸點(diǎn)溶劑。

配方中真溶劑與惰性溶劑的比例要合適，這樣才能得到透明無光霧的涂膜。低沸點(diǎn)的溶荊加速干燥，而中等沸點(diǎn)和高沸點(diǎn)的溶劑保證涂膜的成膜無缺陷。烘干漆、烘烤磁漆和卷材涂料的施工溫度相對(duì)較高，故其溶劑的組成中高沸點(diǎn)溶劑含量相應(yīng)也要高，僅含少量的易揮發(fā)溶劑，因?yàn)橐讚]發(fā)溶劑會(huì)使涂料在烘烤過程中“沸騰”。

在漆料中，溶劑的性質(zhì)也依賴于樹脂的類型。為了獲得快干、低溶劑殘留的涂膜，混合溶劑的溶解度參數(shù)及其氫鍵參數(shù)必須位于樹脂溶解度范圍的邊界部分。另一方面，混合溶劑的這些參數(shù)又必須與樹脂的參數(shù)相近，以保證涂料獲得滿意的流動(dòng)性。要找到這么一個(gè)切合實(shí)際的平衡點(diǎn)是很困難的，需要做大量的實(shí)驗(yàn)。根據(jù)溶解度參數(shù)理論，選擇的混合溶劑中，非溶劑比真溶劑更易揮發(fā)，則對(duì)加速干燥是很有利的。真溶劑在涂膜中較后揮發(fā)，可增加涂料的流動(dòng)性。也就是說，隨溶劑的揮發(fā)，混合溶劑的溶解度參數(shù)應(yīng)從樹脂溶解度的邊界區(qū)域遷移向中心區(qū)。不過，應(yīng)該注意，在溶劑的揮發(fā)過程中，固體濃度的不斷增加，涂料溫度的增加或降低都會(huì)改變樹脂的溶解區(qū)域。

二、涂料中溶劑的作用

溶劑在涂料中的作用往往不為人們所重視，認(rèn)為它是揮發(fā)組分，最后不會(huì)留在涂膜中，所以對(duì)涂膜的質(zhì)量不會(huì)產(chǎn)生很大的影響。其實(shí)不然，各種溶劑的溶解力及揮發(fā)速率等因素對(duì)于涂料的生產(chǎn)、貯存、施工等方面，以及涂膜的光澤度、附著力、表面狀態(tài)等多方面性能都有極大的影響。溶劑在涂料中所起的作用如下。

①溶劑可以溶解并稀釋涂料中的成膜物質(zhì)，降低涂料的黏度，便于涂刷或噴、浸、淋等工藝。

涂料的黏度主要與樹脂的性質(zhì)、溶劑的組成、樹脂的濃度、顏料濃度以及溫度有關(guān)。在同系物溶劑中，涂料的黏度通常隨溶劑分子量的升高而升高。由于溶劑分子量的升高降低了溶劑的溶劑化能力，所以說涂料黏度與溶劑化能為有關(guān)似乎很合理。但對(duì)不是同系物的一系列的溶劑比較表明，溶劑黏度與溶劑化能力無關(guān)。樹脂溶液的黏度是由多種樹脂一溶劑之間的相互作用力所決定的，也受溶劑本身的黏度、樹脂分子的非卷曲程度、樹脂的分子量、溶劑與樹脂分子間的氫鍵、溶劑分子之間的氫鍵等的影響。也就是說，涂料的黏度并不是當(dāng)混合溶劑的參數(shù)值落在樹脂溶解區(qū)域的中心時(shí)才為最低，因?yàn)闃渲�分子在其溶解度區(qū)域中心為高度伸展的（體積為最大）。溶劑的溶解度參數(shù)如果正好位于該區(qū)域中心，則配制的涂料黏度特別高。為了獲得低黏度的涂料，可使用溶劑的添加劑，調(diào)整溶劑的溶解度參數(shù)值，使其位于樹脂的溶解度區(qū)域邊界，但如果超出邊界的話，溶液會(huì)變得渾濁，黏度也會(huì)突然上升。 含有醇類溶劑的涂料或含羥基樹脂的黏度可以通過加少量非溶劑而降低（200號(hào)溶劑油）。在這個(gè)稀釋過程中，氫鍵明顯遭到破壞。

涂料在垂直面上的流掛現(xiàn)象可以通過使用能形成氫鍵的溶劑，以及使涂料具有觸變性而加以解決。

根據(jù)Arrhenius方程：l/η=Ae-E/RT

涂料的黏度隨溫度升高而降低，其中A、E為材料常數(shù)。

在不同的應(yīng)用條件下，涂料需有不同的黏度。低黏度的涂料適于噴涂和浸涂，高黏度的涂料適于澆涂、輥涂、熱噴涂。正確選擇溶劑可以優(yōu)化涂料的性質(zhì)。

②增加涂料貯存的穩(wěn)定性，防止成膜物質(zhì)發(fā)生膠結(jié)。同時(shí)，加入溶劑后會(huì)使桶內(nèi)充滿溶劑的蒸汽，可減少漆表面結(jié)皮。

③會(huì)使涂膜流平性良好。可避免漆膜太厚、過薄或涂刷性能不好而產(chǎn)生的刷痕和起皺等弊病。

④溶劑加入涂料中，可提高涂料對(duì)被涂物表面的潤(rùn)濕性和滲透性增強(qiáng)涂層的附著力。此外，溶劑的使用還可以在一定程度上降低涂料的成本。

三、涂料中溶劑選擇原則

一般對(duì)涂料所用的溶劑有如下幾點(diǎn)要求。

(1)溶解度　溶解度是指溶劑把溶質(zhì)分散和溶解的能力。所用的溶劑對(duì)主要的成膜物質(zhì)應(yīng)該有很好的溶解性，應(yīng)有比較強(qiáng)的降低黏度的能力，能固體或黏稠液體變成可以噴涂或刷涂的稀薄液體，在揮發(fā)過程中不應(yīng)該出觀某一成膜物質(zhì)不溶析出的現(xiàn)象。

(2)揮發(fā)速率　溶劑的揮發(fā)速率必須適應(yīng)涂膜的形成，尤其是對(duì)于一些揮發(fā)性的漆類，溶劑的揮發(fā)速率直接影響到漆膜干燥速率的快慢、施工的難易和漆膜質(zhì)量等。

此外，溶劑的化學(xué)性質(zhì)必須穩(wěn)定，與涂料各組分無化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)毒性要小，安全性能要高，并且來源充分、價(jià)格便宜等。

配制混合溶劑，并不是任意選幾種溶劑在一起就行了，而是有一定規(guī)律可循的。一般來說，混合溶劑配方設(shè)計(jì)的主導(dǎo)思想是獲得 對(duì)樹脂的溶解性、溶劑的揮發(fā)速度、各種溶劑之間關(guān)系等因素的平衡。

在設(shè)計(jì)涂料配方工作時(shí)，對(duì)于選擇合適的溶劑，需要遵循以下幾個(gè)原則。

1．極性相似原則

即極性相近的物質(zhì)可以互溶，極性大的溶質(zhì)易溶于極性大的溶劑，而極性小的溶質(zhì)易溶于極性小的溶劑中。可根據(jù)物質(zhì)的極性，初步確定選擇什么溶劑。

2．溶劑化原則

溶劑化是指高分子鏈段和溶劑分子間的作用力，它使溶劑將高分子鏈段分離開。因此，溶劑和高分子鏈必須產(chǎn)生溶劑化作用，從而使高聚物溶解。

3．溶解度參數(shù)相近原則

任何一種高分子化合物都是靠分子間作用力使大分子聚集在一起的，衡量這種作用能力大小的叫內(nèi)聚能，單位體積內(nèi)聚能為內(nèi)聚能密度，內(nèi)聚能密度的平方根定義為溶解參數(shù)。溶解參數(shù)可作為選擇溶劑的參考指標(biāo)，對(duì)于非極性高分子材料或極性不很強(qiáng)的高分子材料，當(dāng)其溶解度參數(shù)與某一溶劑的溶解度參數(shù)相等或相差不超過±1.5，該聚合物便可溶于溶劑中，否則不溶。高聚物和溶劑的溶解度參數(shù)可以測(cè)定或計(jì)算出來，如環(huán)氧樹脂的溶解參數(shù)為δ＝9. 7～10.9。選擇溶劑除了單一溶劑外，還可以使用混合溶劑。有時(shí)，兩種溶劑單獨(dú)都不能溶解的聚合物，如將兩種溶劑按一定的比例混合起來，卻能使同一聚合物溶解�；焐崛軇┚哂袇f(xié)同效應(yīng)，可作為一種選擇溶劑的方法。確定混合溶劑的比例，可按下式進(jìn)行計(jì)算，使混合溶劑的溶解度參數(shù)接近聚合物的溶解參數(shù)，再由實(shí)驗(yàn)最后確定。

式中，為第ί種溶劑的體積分?jǐn)?shù)；為第ί種溶劑的溶解參數(shù)。常用溶劑的溶解度參數(shù)見表3-1和表3-2。

表3-2常用溶劑的溶解度參數(shù)δί

 溶劑對(duì)高分子的溶解能力，可由配制一定濃度溶液的溶解速率、黏度以及此溶液對(duì)非溶劑的容忍度（稀釋比值）等幾個(gè)方面表示。稀釋比值是指可以容忍非溶劑的最高份數(shù)，超過此值，溶解力將完全喪失。

4．確定適當(dāng)?shù)娜軇�揮發(fā)速率

溶劑是揮發(fā)性液體，在施工過程中首先接觸到的是涂層干燥快慢問題，這和溶劑的揮發(fā)速率有關(guān)�；旌先軇┑膿]發(fā)總速率可以表示為

式中，為第ί種溶劑的體積分?jǐn)?shù)；為ί溶劑的活度系數(shù)；為ί溶劑的揮發(fā)速率。

施工過程中往往希望涂層干燥得快一些，但干燥得過快，會(huì)影響涂層的流平、光澤等指標(biāo)。干得慢些可以保證涂層流平，防止涂層表觀出現(xiàn)一些弊病，如橘皮、泛白等。溶劑揮發(fā)速率決定于溶劑本身的沸點(diǎn)、分子量、分子結(jié)構(gòu)。一般認(rèn)為低沸點(diǎn)的物質(zhì)，揮發(fā)快，飽和蒸氣壓高。低沸點(diǎn)溶劑是指沸點(diǎn)在100℃以下的溶劑，中沸點(diǎn)溶劑是指110～145℃之間的溶劑，高沸點(diǎn)溶劑是指145～170℃之間的溶劑，在170℃以上的溶劑則為特高沸點(diǎn)溶劑。溶劑的揮發(fā)速率有兩種表示方法：一種是以單位質(zhì)量乙醚揮發(fā)時(shí)間為l，其他溶劑單位質(zhì)量與乙醚揮發(fā)時(shí)間之比為該溶劑的揮發(fā)速率；第二種方法是以一定時(shí)間內(nèi)乙酸丁酯揮發(fā)的質(zhì)量為100，將其他溶劑在相同的時(shí)間內(nèi)所揮發(fā)昀質(zhì)量與之相比來表示。

在具體選擇溶劑的過程中，就是低沸點(diǎn)、中沸點(diǎn)的用量要多，而高沸點(diǎn)溶劑用量要少。高沸點(diǎn)溶劑主要用于調(diào)節(jié)涂料的干燥時(shí)間，使涂料有充分時(shí)間流平，避免涂層在干燥過程中產(chǎn)生弊病。

涂料的黏度：不揮發(fā)組分的品種、規(guī)格、數(shù)量，尤其是樹脂的分子量，影響著涂料的黏度。溶劑對(duì)黏度有較大的影響，溶劑的溶解能力大，則溶液的黏度低；溶解能力差，黏度高。

混合溶劑的揮發(fā)速率：混合溶劑的揮發(fā)速率影響涂層干燥時(shí)間，也影響涂層的表觀。如果溶劑揮發(fā)過快，導(dǎo)致涂層的黏度增 大，流動(dòng)性降低，會(huì)嚴(yán)重影響涂層的流平性，從而導(dǎo)致涂膜不平滑，出現(xiàn)橘皮現(xiàn)象。為了得到光潔平整的涂膜，不能片面追求快干,而應(yīng)有一定比例的慢揮發(fā)溶劑以保證流平性。但若片面追求流平，在最終階段少量的溶劑仍殘留在涂層里，也會(huì)造成涂層不干、發(fā)黏、發(fā)軟，附著力也受到影響，導(dǎo)致附著力降低。為避免這種現(xiàn)象發(fā)生，要控制高沸點(diǎn)溶劑的用量，使其不殘留在涂膜里。常用溶劑的性質(zhì)見表3-3。

表3-3  常用溶劑的性能

5．溶劑平衡

混合溶劑由真溶劑、助溶劑以及稀釋劑三類組分組成，這三類組分又有快揮發(fā)、中揮發(fā)和慢揮發(fā)之別。當(dāng)一種混合溶劑配成后，由于這些原料揮發(fā)的速卒不同，總是揮發(fā)快的原料首先逸出。自開始噴涂后，溶劑的成分就開始變化，怎樣變化才理想，需根據(jù)以下的原則進(jìn)行平衡。

(1)溶劑的揮發(fā)應(yīng)均衡�；旌先軇┑恼麴s曲線應(yīng)呈平緩上升，否則將引起多種涂膜的表面缺陷，致使涂膜產(chǎn)生應(yīng)力影響涂膜的壽命。因此，在配方中應(yīng)考慮不同組分的揮發(fā)速率，快、中、慢的組分用量要平衡。例如，配方中，如果快揮發(fā)和慢揮發(fā)使用溶劑量較大，而沒有適量中揮發(fā)溶劑加以平衡，必然是前階段溶劑揮發(fā)較快，后階段溶劑揮發(fā)較慢，這樣的配方缺點(diǎn)較大。

 (2)真溶劑、助溶劑及稀釋劑的比例平衡。真溶劑、助溶劑以及稀釋劑對(duì)涂料的黏度影響很大，較高含量的稀釋劑或助溶劑都會(huì)提高涂料的黏度。在揮發(fā)過程中，隨著不揮發(fā)含量的逐漸增加，涂料的黏度增大，假如此時(shí)，真溶劑大量揮發(fā)則稀釋劑的比例相對(duì)增大，就會(huì)促使涂料突然變稠而喪失了流動(dòng)性，引起氣泡、橘皮等涂膜缺陷。另外，溶劑的主要作用是在干燥成膜之前，保持全部的不揮發(fā)組分處于溶液狀態(tài)，不使其中任何一種組分不溶析出，否則造成涂膜連續(xù)相破壞以及表面粗糙失光等現(xiàn)象。為了防止干燥過程中出現(xiàn)沉淀析出，必須根據(jù)不同揮發(fā)速率加以平衡，以達(dá)到殘余在涂膜中的溶劑能保持不低于原來的溶劑比例。

四、幾種涂料溶劑選擇

1．高固體分涂料中溶劑的選擇

在高固體分涂料中，使用少量的助溶劑可以降低涂料黏度，減少放氣，改善流動(dòng)性。乙酸乙酯以及丁醇是用于降低黏度的兩種主要溶劑。乙二醇醚和乙酸乙二醇醚酯的混合溶劑也可以改善流動(dòng)性和降低放氣。

用于高固體分涂料的溶劑選擇不能依據(jù)溶解度參數(shù)理論，因?yàn)楦吖腆w分樹脂具有較低的平均分子量，除了不溶于200號(hào)溶劑油外，溶于所有的溶劑。所以在溶解度參數(shù)一氫鍵參數(shù)圖上沒有辦法確定樹脂的溶解度區(qū)域邊界，也就沒有足夠的糟確度來估計(jì)溶劑對(duì)樹脂溶解度相互作用的影響。

通常，溶劑本身的低黏度可大大降低高固體分涂料的黏度。必須使用有高溶劑化能力的高沸點(diǎn)溶劑來獲得良好的流動(dòng)性。另外，由于低表面張力的涂料噴涂時(shí)容易斷裂和霧化，所以應(yīng)盡可能選擇低表面張力的溶劑來得到低表面張力的高固體分涂料，以使涂料獲得滿意的噴涂效果。

2．水性涂料中溶劑的選擇

在乳膠漆中，溶劑的作用主要是幫助分散的樹脂粒子在水蒸發(fā)掉后聚集成膜。過去經(jīng)常使用乙二醇醚或乙二醇醚酯，現(xiàn)在廣泛使用Texanol（2，2，4-三甲基-1，3-戊二醇單異丁酸酯）溶劑，因?yàn)樗�是丙烯酸類和乙烯基樹脂非常有效的成�?/font>助劑，且不溶于水。Texanol使用量通常大約為固體樹脂的10%。200號(hào)溶劑油經(jīng)常用
        作苯丙涂料的成膜助劑。