表面張力在油漆成膜過程中的作用及影響

(中國石油工程建設(shè)公司，北京 100120)

表面張力在油漆成膜過程中的作用及影響

洪 雨

(中國石油工程建設(shè)公司，北京 100120)

對油漆成膜過程中，表面張力在不同界面和關(guān)鍵環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的作用及影響進(jìn)行了分析，給油漆配方設(shè)計和表面助劑選型提供了參考意見。

表面張力 油漆 漆膜 表面活性助劑

0 引言

油漆是當(dāng)今社會工業(yè)生產(chǎn)及日常生活中最常用的原材料之一，它是一種多相表面活性各不相同的分散體，而且是半成品，涂裝后形成的穩(wěn)固漆膜才是油漆的最終狀態(tài)；影響油漆成膜的因素有很多，油漆配方、外界環(huán)境等等，但通常這些影響因素都是通過改變和控制漆膜的表面張力來影響油漆成膜。

表1 油漆常用物質(zhì)的表面張力

1 關(guān)于表面張力及潤濕

1.1 表面張力

通常，液體內(nèi)部的分子保持著平衡狀態(tài)，受到周圍其它分子的作用力在各方向都相等；但處于表面層的分子比液體內(nèi)部稀疏，分子間的距離比液體內(nèi)部大一些，分子間的相互作用表現(xiàn)為引力，此引力即為液體的表面張力，沿表面層作用，但與表面層相切；就表面層的某個單一分子而言，受到表面張力作用，分子間有相互靠近、表面收縮的趨勢，同時，液體表面層分子受內(nèi)部分子引力的作用，也有自動收縮的趨勢。

由于表面張力是由表面層分子間引力引起的，那么固體表面與液體表面一樣，同樣存在著表面張力。固體、液體的固有表面張力由它們自身的分子結(jié)構(gòu)決定，穩(wěn)定狀態(tài)下為固定值。油漆常用物質(zhì)的表面張力數(shù)據(jù)見表1。

2.2 固體表面浸潤

液體與固體之間的表面層，我們通常叫做附著層，也一樣存在著界面張力。液體能否在固體表面浸潤，界面張力起十分關(guān)鍵的作用，我們通過圖1的接觸角模型簡單說明：

圖1 接觸角模型

在這個模型中，固液氣交界處分子的水平方向受力決定液體是否可以在固體表面自發(fā)鋪展，其中：

γS-固體的固有臨界表面張力(液體分子鋪展流動的原動力)

γL-液體的固有表面張力(液體分子收縮的動力，即鋪展的阻力)

γI-液固界面的界面張力(鋪展的阻力)

當(dāng)γS＞(γL+γI)時，液體才能夠在固體表面完全鋪展開。

3 油漆成膜過程中的表面張力作用及影響

油漆成膜過程是一個極其復(fù)雜的物理及化學(xué)動態(tài)過程，受到油漆配方、流變性(粘度)、溫度、溶劑揮發(fā)速度、底材等因素的影響，通常這些影響因素都是通過改變和控制漆膜表面張力來影響油漆成膜，如下：

3.1 表面張力對漆膜潤濕底材的作用

在油漆被剛剛刷涂或噴涂到底材表面時，漆膜對底材的浸潤鋪展取決于表面張力。根據(jù)接觸角模型，當(dāng)油漆的表面張力與界面張力之和比底材臨界表面張力高或差距不大時，油漆在底材上鋪展困難，對底材潤濕不好，油漆附著力降低，并且很容易造成回縮，形成“縮孔”，甚至“成珠”；普通油漆很難涂刷在聚丙烯、聚四氟乙烯光滑底材的表面上便是這個原因。當(dāng)油漆的表面張力與界面張力之和遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于底材臨界表面張力時，漆膜能獲得良好的潤濕鋪展。油漆配方中通常會加入基材潤濕劑，低分子量的基材潤濕劑會迅速遷移至界面，來降低固液界面的動態(tài)表面張力，排擠掉漆膜與基材表面的氣體空隙，使油漆迅速的鋪展到基材表面。

3.2 表面張力對漆膜流平的作用

當(dāng)油漆在基材表面鋪展完成后，此時粘度相對較低，不考慮觸變性影響，漆膜受液面高差及重力作用會自行流動，根據(jù)涂刷位置及粘度不同，可能會形成“頂部垂墜、立面淚痕”等缺陷，平面漆膜會減弱或消除刷痕等長波紋，進(jìn)行初步流平。隨著油漆濕膜中溶劑的逐步揮發(fā)，特別是高揮發(fā)度溶劑的快速揮發(fā)，短波范圍內(nèi)漆膜較薄的區(qū)域(波谷)溶劑揮發(fā)較快，造成了表面張力比漆膜較厚的區(qū)域(波峰)大，形成了表面張力梯度差，根據(jù)Marangoni效應(yīng)理論，油漆自發(fā)流向較薄區(qū)域；在橫向流動過程中，溶劑等小分子物質(zhì)流動相對較快，同時受到較薄區(qū)域溶劑向面層快速擴(kuò)散的影響，可能會形成運(yùn)動激烈的局部對流——Benard Cell(貝納德漩渦，如圖2所示)，造成漆膜“桔皮、漩渦”，當(dāng)小分子的顏料也加入對流時，便造成顏料分散不均，出現(xiàn)漆膜“浮色、花斑”。解決貝納德漩渦現(xiàn)象的有效途徑是減慢溶劑揮發(fā)速度和在油漆體系中加入低表面張力流平劑，以降低表面張力梯度差，避免出現(xiàn)局部對流。

圖2 貝納德漩渦模型

在濕膜后期，高揮發(fā)度溶劑已經(jīng)揮發(fā)，濕膜中溶劑含量減少，并且揮發(fā)速度明顯降低，表面張力梯度減弱，施工剪切力基本消除，可以忽略溶劑揮發(fā)、表面張力梯度及油漆觸變性對漆膜流動的影響，此時的漆膜基本符合牛頓流體流動方程：

式中：t-流動時間，k-常數(shù)，λ-波紋波長，η-液體粘度，γ-液體表面張力，d-漆膜厚度

由此式可知，油漆濕膜粘度越高，達(dá)到流平的時間越長；表面張力越低，流平時間需要的越多，此時的漆膜表面張力成了流平的動力，通常在油漆中加入聚合物型流平劑增大表面張力，縮短流平時間；但在常規(guī)漆膜流平體系里，表面張力范圍最多在25~55dyn/cm之間，對流平的影響有限，而初始波紋波長及膜厚與流平時間成4次方和3次方的級數(shù)關(guān)系，通過調(diào)控初始波紋波長和膜厚對控制后期的漆膜流平效果更快捷有效。

3.3 表面張力對漆膜氣泡、消泡的作用

油漆是一個多相表面活性各不相同的分散體，表面活性劑降低了表面張力，構(gòu)成了氣泡的形成條件，容易在攪拌或涂刷時帶入空氣形成氣泡或泡沫。根據(jù)Stokes定律，濕漆膜粘度越低，氣泡直徑越大，越容易上升到漆膜表面；但部分相容性好的流平劑、分散劑等助劑分子會有規(guī)律的排布在氣泡表面，使氣泡穩(wěn)定，不能自動破裂消除，漆膜固化干燥后，形成“氣泡、爆沸痕”等缺陷；

考慮到漆膜的流平、分散、外觀等，油漆體系中不含穩(wěn)泡作用的表面活性助劑是不可能的，但可以使用消泡劑來去除表面氣泡，用脫泡劑脫除漆膜內(nèi)部氣泡；通常，消泡劑/脫泡劑都具有表面張力更低、與油漆體系不相容或者選擇性不相容、分子滲透擴(kuò)散能力強(qiáng)的特點(diǎn)，能夠快速滲入到氣泡表面，使氣泡聚集變大升至表面，并改變表面活性劑在氣泡表面的有序排列，引起氣泡膜表面張力差，降低氣泡的穩(wěn)定性而破裂，起到消泡的作用。

3.4 表面張力對漆膜外觀及重涂的作用

油漆體系中通過加入不同功能的表面活性助劑，達(dá)到改善漆膜的潤濕、流平、分散、消泡等作用，還會在面漆中加入增滑劑、增光劑等，獲得光滑的漆膜質(zhì)感。表面增滑劑由于特殊的不相容性，可以迅速的遷移至漆膜表面，協(xié)助形成平坦致密的潤滑層，降低摩擦系數(shù)及表面張力，改善涂膜手感，形成疏水表面。

過于光滑的表面表面張力較低，會大幅降低漆膜的層間附著力，影響油漆復(fù)涂性。對底漆、中間漆而言，需要有良好的復(fù)涂性，較強(qiáng)的層間附著力，無需過多關(guān)注漆膜光滑度等質(zhì)感參數(shù)；面漆在保證層間附著力的同時，需盡可能的改善漆膜外觀質(zhì)感。

4 結(jié)語

油漆成膜過程中，表面張力在不同界面及不同時期發(fā)揮著不同的作用，直接影響著漆膜固化成型結(jié)果；歸納總結(jié)以下幾點(diǎn)，在選用表面助劑、設(shè)計油漆配方時以作參考：

①在漆膜展布初期，低表面張力對預(yù)防縮孔、貝納德漩渦、浮色發(fā)花、桔皮等漆膜缺陷及底材潤濕有促進(jìn)作用；

②在漆膜固化中后期，高表面張力在漆膜流平、脫泡消泡、豐滿度、防霧影等方面起關(guān)鍵作用；

③漆膜表面過于光滑，表面張力低，影響重涂性，需根據(jù)不同油漆類型，調(diào)整表面光滑度。

總之，在設(shè)計油漆配方時，要充分利用好表面張力對漆膜的影響，避免出現(xiàn)漆膜缺陷，改善漆膜質(zhì)量及外觀。

[1] 劉引烽. 涂料界面原理與應(yīng)用[M]. 化學(xué)工業(yè)出版社, 2007.

[2] 王志軍. 流平劑[J]. 涂料技術(shù)與文摘, 2009.

[3] 龔海青. 表面張力引起的涂層弊病[J]. 現(xiàn)代涂料與涂裝, 2000.03.

The Effects of Surface Tension in Painting Film Forming Process

HONG Yu
(China Petroleum Engineering & Construction Corporation, BeiJing 100120, China)

In painting fi lm forming process, analyzed the effects of the surface tension at the different interface and critical program, provide some advices for painting design and auxiliaries choice.

surface tension; painting; painting fi lm; surface active agent

TQ630.1

A< class="emphasis_bold">文章編號：1008-7818(2014)03-0047-03

1008-7818(2014)03-0047-03

洪雨 (1977－) , 男，北京人，本科，工程師，任中國石油工程建設(shè)公司防腐工程師，長期從事石油化工領(lǐng)域腐蝕與防護(hù)工作。