1 自分层涂料的发展历程
自分层理论的创立与应用,始于20世纪70年代, Funke提出了涂料中不相容高聚物的机械共混物自动分层,以提高涂料性能的观点。尔后有人将自分层涂料首先用于粉末涂料,又用于溶剂涂料和水性涂料,如环氧—橡胶、环氧—聚氨酯弹性体。80年代末,前苏联开始生产溶剂型自分层涂料,用作具有底面2层的磁漆。90年代,欧洲委员会和欧洲涂料聚合物公司共同建立了名为BRITE -EU RAM Contract R TIB 0246C (H)的项目,研究自分层涂料,共有7个实验室参加了此项目,对自分层涂料的理论和应用作了大量研究。涉及的领域主要为溶剂型涂料,如绝缘漆、重防腐漆、烘烤磁漆、环氧底漆、丙烯酸或聚氨酯漆等。世纪之交,我国有的科研院所运用自分层理论开展了氟树脂防粘涂料的研究,但主要为溶剂型产品,应用于工业部件、模具、炊具、家用厨具、家用电器方面的涂装;也有水性自分层氟树脂方面的产品研究,但都是高温固化成膜,影响了推广应用。日本成功研发了常温固化的氟树脂外墙涂料,但仍是溶剂型的,而水性常温固化氟树脂研究方面虽有报道,但未见工业化产品。作为建筑涂料,必须实现常温成膜,才能被广泛应用。
2 自分层涂料配方设计
2. 1自分层涂料配方设计原理
自分层涂料是由性能不同的多种成膜物组成的涂料体系,一次涂覆在基层上,在介质的挥发或固化过程中,能自发地产生相分离和组份迁移,形成涂膜组成逐渐变化的梯度涂层,其性能类似多层涂料。其涂膜形成的机理是,不同聚合物极性不同,分子间作用力不同,在介质中的溶解度不同,是一个热力学上的不稳定体系,随着涂膜干燥和固化的进行,介质组成不断变化,互不相容的成膜树脂在界面张力梯度的作用下,通过液相对底材选择性润湿和对气相界面的趋向差异,使得两相相对流动,导致树脂间的相分离,形成涂膜树脂组份的梯度分层结构。
自分层梯度涂料的设计,首先必须至少含有两种或两种以上不相容的树脂,并且它们的表面张力差异要足够大,才有利于树脂间的分离和迁移;其次,涂料各组分必须稳定存在于同一体系内,其分离和迁移只能在干燥和固化过程中发生,而且是逐渐进行,从而形成梯度涂层分布。这是一个亚稳定体系,平衡体系的稳定与分离,是涂料配方设计的关键。
2. 2水性氟硅涂料的自分层设计
水性氟硅涂料的梯度自分层是含氟和无氟的不相溶树脂在两个不同界面间呈梯度分布形成的,是一种无界面的分层。成膜时随着水分的不断挥发,涂膜不断固化,助剂平衡多相物质间表面能的作用力逐渐减弱,多相体系之间的作用力逐渐失衡,伴随着相溶性越来越差,产生相分离的趋势就越来越大。具有C -F键的高氟聚合物表面能最低,相分离产生的自分层热力学行为必然使具有C -F结构的聚合物向空气层面,即向表层运动,在表层具有C -F结构的聚合物的密度就越来越大。与此同时具C -C结构与C -Si结构的聚合物向基层方向密度也就越来越大。这样,基层面就表现出良好的附着力,表面层就具异乎寻常的极低表面能,水泼上去会显现水珠滚动的疏水荷叶效应,这种极低的表面能与极强的疏水性,使一般污染物难以粘附上去。同样由于表层的不粘水就会使一般藻类、细菌难以建立培养基着床发育繁殖,涂层的防菌、防霉、抗藻及耐玷污性就会大大提高,这样的涂膜表面特性是一般涂料很难做到的。同时,以氟树脂为主的表面,赋予了涂层极高的耐候性。
3 涂料制备与工艺控制点
3. 1涂料的配制
本涂料生产的基本工艺及设备与通常乳胶漆的生产类同,主要是高速分散制浆与慢速搅拌调漆,其关键在工艺过程控制。
本研究依据长期的技术积累,选取常温自交联非氟树脂与水性氟硅树脂进行特殊溶合处理,以表面张力尽可能低的水性高氟树脂及纳米溶胶相配合,来实现水性氟硅树脂涂料的生产制备与建筑应用。制备中最关键的是获得一个表面张力尽可能低的水性体系,以形成一个相对稳定的相溶体。
非氟树脂选择阴离子型,MFT < 5℃,无皂体系,用特殊的功能团接枝工艺合成;氟硅树脂为阴离子型;高氟树脂为无离子型。粒径都尽量接近100 nm。
体系选用聚氧氟碳醚类含氟特殊助剂与聚醚改性硅氧烷等助剂组合,可将水的表面张力由0. 0722 N/m降低到0. 019～0. 022 N/m ,低于目前表面张力最低的合成氟树脂的表面张力(为0. 02 N/m) ,一般合成树脂的表面张力约0. 03～0. 04 N/m ,得以形成低表面张力体系。
通过常温固化水性氟硅树脂与非氟自交联树脂配合,运用涂料自分层原理,引入纳米溶胶应用新技术,完成了水性氟硅纳米溶胶自分层超耐候耐污涂料的配制研究。所研制涂料的综合性能除全面达到国标要求外,还大幅度提升了水性涂料最受关注的耐水、耐洗刷、耐污、耐候、抗老化等重要性能。
