一、成膜助劑概況

 

       水性涂料的成膜助劑又叫凝聚劑、聚結劑、成膜助溶劑或共溶劑，能夠對乳液中的聚合物粒子產生溶解和溶脹作用，使粒子在較低溫度下也能夠隨水分的揮發產生塑性流動和彈性變形而聚結成膜，但在成膜以后較短時間內又能揮發逸出，而不影響涂膜的玻璃化轉變溫度，高溫下涂膜不回粘。成膜助劑是分子量數百的溶解力極強的高沸點有機溶劑，多為醇類、醇酯類、醇醚類化合物，實際上成膜助劑是聚合物的一種溶劑，在涂膜干燥過程中，水分揮發后余下的成膜助劑使聚合物微滴溶解并融合成連續的膜，成膜助劑除有溶解作用外，還會對聚合物起短暫的增塑作用，成膜助劑是一種可以揮發的暫時性增塑劑，能促進乳膠粒子的塑性流動和彈性變形，改善其聚結性，可在廣泛的施工溫度范圍內成膜。

 

       水性涂料成膜助劑廣泛應用于建筑涂料（乳膠漆）、水性汽車涂料及汽車修補涂料、水性電泳涂料、水性船舶涂料、水懷集裝箱涂料、水性防腐涂料、水性工業涂料、水性膠粘劑、水性木器涂料、水性卷材和卷鋼涂料、水性絲印油墨、水性凹印油墨、水性柔印油墨、UV水性涂料油墨等等。

 

       二、成膜助劑的選擇標準

 

       理想的成膜助劑應具有下列特性：

 

       (一)、成膜助劑必須是聚合物的強溶劑, 對多種水性樹脂都有極佳的成膜效率，并具有很好的相容性，極好降低水性樹脂的最低成膜溫度，不會會影響漆膜的外觀及其光澤；

 

       (二)、氣味低、加量少、效果優異、環保性佳、具有一定的揮發性，有效調節干燥速率，以便于施工；

 

       (三)、優異的水解穩定性，在水中的溶解度小，其揮發速度應低于水和乙醇，在成膜前保留在涂料涂層中，成膜后須完全揮發，不影響涂膜性能；

 

       (四)、加人乳膠體系后吸附在乳膠粒子表面，能為乳膠粒吸附而具有優良的聚結性能，充分溶解和溶脹水性樹脂不影響乳膠粒子的穩定性。

  

       三、水性涂料的成膜機理

 

       水性漆的成膜過程較復雜, 要經歷一個從分散的聚合物顆粒到相互聚結成為整體的過程。其施工后, 水分揮發, 球狀顆粒必須相互融合才能形成連續的涂膜。水性漆成膜分以下幾個過程

 

       (一)、顆粒逐漸靠攏填充過程。

 

       球狀顆粒在乳膠漆中以雙電層和屏蔽穩定的作用保持著分散狀態, 在水性涂料施工后, 水分逐漸揮發,原先以靜電斥力和空間位阻穩定作用而保持分散狀態的聚合物顆粒和顏料、填料顆粒逐漸靠攏，但仍可以自由運動。在該階段，水份的揮發與單純水的揮發相似，為恒速揮發。

 

       (二)、顆粒融合過程。

 

       隨著水分的進一步揮發，聚合物微粒表面吸附的保護層破壞，裸露的微粒相互接觸，

 

       其間隙愈來愈小，漆膜的體積收縮，當水份揮發將盡時, 其推動力也將消失，至毛細管經大小時，由于毛細管效能作用，其毛細管壓力高于聚合物微粒的抗變形力，顆粒穩定性破壞并變形，最后凝集、融合成連續的涂膜。這一過程是水性漆能否成膜的關鍵，若乳液聚合物的玻璃化溫度(Tg)較高（為了使涂膜具有良好的機械性能，耐候性和沾污性，Tg值一般不能太低），在較低環境溫度下，就很難變形，從而會使融合過程受阻，導致不能成膜，這時需要用成膜助劑協助成膜。成膜助劑可以使乳膠粒子溶脹變軟，因此，很容易使他們融合在一起形成連續的膜。

 

       (三)、聚合物鏈段相互擴散滲透交聯成膜過程。

 

       隨著時間的推移, 殘留在水中的助劑逐漸向涂膜擴散, 并使聚合物分子長鏈段相互滲透、擴散，纏繞形成具有良好性能的均勻涂膜，隨著成膜助劑從漆膜中逐漸揮發，最后形成理想的性能優異的涂膜。

 

       四、水性涂料成膜助劑的用法與用量

 

       乳液或分散體等聚合物通常具有高于室溫的玻璃化溫度Tg。為了使乳液粒子很好地融合成為均勻的漆膜，必須使用成膜助劑降低最低成膜溫度(MFFT)。乳液的最低成膜溫度(MFFT)對涂膜的硬度、玻璃化轉變溫度和低溫涂裝性能會產生重要的影響。最低成膜溫度高，涂膜的硬度高和光澤高，但在稍低溫度時不能涂裝；最低成膜溫度太低，低溫涂裝性能雖好，但涂膜玻璃化溫度低，高溫發軟回粘，耐污性差。成膜助劑的基本功能就是降低乳液以及乳膠漆的最低成膜溫度，使水性涂料能在低溫下進行涂裝。

 

       成膜助劑的加量取決于配方中乳液或水分散體的用量和玻璃化溫度Tg。涂料中乳液或水分散體的用量大以及聚合物的Tg高，成膜助劑的用量也要大，反之用量少。配方設計時，首先考慮成膜助劑大約占乳液的或水分散體的3%-5%，或占乳液或分散體固體份的5%-15%。

 

       成膜助劑的有效性表現在成膜助劑對乳液粒子的成膜效率。按乳液固含量的5％-l5％ 添加成膜助劑，測定MFFT的下降值，將下降值對成膜助劑用量作圖，所得直線的斜率即表示該成膜助劑對給定乳液的成膜效率，其斜率越大，成膜效率越高。顯然，成膜效率有乳液樹脂的特定性，即表現為對每種樹脂或每一類樹脂有效，并且與乳液的初始MFFT有關。值得注意的是，成膜助劑在用量較大時，MFFT的下降往往偏離直線關系，這時要用回歸法求得一個相對最好的斜率值用以比較。

 

       當一種乳液體系確定后，選用合適的成膜助劑是十分重要的。涂料是一門實踐科學，通過大量試驗選取最佳成膜助劑，保證水性涂料的低溫施工性十分重要。實踐表明，水性涂料的MFFT應保證在10℃以下，最好小于5℃，涂裝能形成不開裂、不粉化的均勻漆膜為止，找出成膜助劑的最低用量。如果成膜助劑的用量達乳液或分散體的15%或者更高是不可取的，應考慮更換其他成膜助劑再試。鑒于成膜助劑降低MFFT的作用不是萬能的，所以對于Tg過高的乳液，添加大量的成膜助劑也難保證有足夠的低溫施工性和凍融穩定性。普通乳液和水分散體的Tg不宜大于40℃，否則用大量的成膜助劑也難于將MFFT降至10℃以下。片面追求高Tg帶來高硬度的涂膜是不適宜的，何況這樣做還會因為成膜助劑用量過大產生VOC超標的問題。