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淺析表面能和乳膠漆耐沾污性能的關系,從界面化學原理、乳膠漆漆膜污染的成因著手
2019年07月22日    閱讀量:109    新聞來源:中國建材網 cnprofit.com  |  投稿

1 前言

乳膠漆耐沾污性能近年來一直是業內關注的話題,一些新理論新觀點也紛紛涌現,比如“親水性漆膜的乳膠漆比憎水性漆膜更耐沾污”的觀點,開始被許多人接受。在一個應用型為主的產業,能從理論上進行分析討論,是一個產業學術上的進步,但對一個理論能否指導實踐,自然仁者見仁,智者見智,既要理論上的正本清源,也要實踐上的深入檢驗。針對表面能和乳膠漆耐沾污性能的關系,筆者發表一些與之相左的觀點,拋磚引玉,與業內專家商榷中國建材網cnprofit.com


2 表面能和乳膠漆漆膜的親水性、憎水性

將一滴水滴于固體表面,多數情況下,水將停留在固體表面形成一液滴,如圖1 所示,達到平衡時,在固、液、氣三相交界處,自固2液界面經過液體內部到氣2液界面的夾角叫接觸角,以θ表示。

淺析表面能和乳膠漆耐沾污性能的關系,從界面化學原理、乳膠漆漆膜污染的成因著手 中國建材網,cnprofit.com

l 為液體, g 為氣體, s 為固體;γs g為固2氣表面張力,γlg為液-氣表面張力,γsl為固2液界面張力通過推導,可得到如下潤濕方程:


沾濕:Wa = γsg +γlg - γsl =γlg (1 + cosθ) ≥0

浸濕:Wi = γsg - γsl = γlgcosθ≥0

鋪展: S = Ws = γs g - γlg - γsl

              =γlg (1 - cosθ) ≥0

其中:Wa為粘結功; Wi為穿透功; Ws為鋪展功; S 為鋪展系數可用接觸角θ的大小來判斷潤濕的大小。接觸角越小,潤濕性能越好。在以接觸角表示潤濕時,習慣上將θ= 90°定為潤濕與否的界限。

θ> 90°為不潤濕

θ< 90°為潤濕

θ= 0°潤濕達到最大限度,液體自動鋪展從潤濕方程來看, 表面能(固2氣表面張力值γsg) 高的固體比表面能低的固體更易被水所潤濕,表面能高的乳膠漆漆膜表現為親水性,表面能低的乳膠漆漆膜表現為憎水性。


3 親水性表面比憎水性表面更耐沾污的觀點由來

經典的界面化學理論是如下闡述漆膜的接觸角與耐沾污性能的關系的:對于漆膜的抗沾污性,存在著一個粘附潤濕過程,這個過程的推動力:

Wa =γsg +γlg - γsl

對于任何一個能使γsl減小的作用力都可增大粘附的傾向與牢度,也就是抗沾污性下降,γsl是液-固表面張力值,表達式為:

γsl = γsg - γlg cosθ

θ越小,γsl越小,即抗沾污性越差。換言之,漆膜的表面能越低,耐沾污性能越好[1 ] 。

在20 世紀90 年代之前,這一界面化學理論一直指導著涂料業抗沾污性能研究的方向。隨著有機硅、有機氟技術在涂料應用中的不斷進步,漆膜的表面能不斷地得以降低,發展到金屬幕墻板的氟碳烤漆時,到了低表面能的極致(臨界表面張力值20) 。


但是,人們也同時發現低表面能漆膜,即使是氟碳漆,在外墻使用,依然沒有達到預期的抗沾污效果,雨水流痕成為漆膜抗沾污的突出問題。經典的界面化學理論受到了懷疑。日本在20 世紀90 年代中期研制成功親水性漆膜的氟碳漆,在實踐應用中,雨水流痕問題明顯緩解,其耐沾污性能反而好于憎水性漆膜的氟碳漆。日本一些涂料界專業人士據此提出憎水性漆膜耐沾污性差的二大原因:一是靜電吸附;二是雨水起珠不利于洗凈污染物質。


溶劑型涂料形成親水性漆膜,是在配方中加入熱穩定性極優而且很易合成為能成膜的結構的抗靜電劑(又稱作表面調節劑) ,它能在溶劑型漆膜表面形成一層0. 1μm 左右透明的復膜,它能吸收空氣中的水分,漆膜始終保持潤濕狀態,既發揮抗靜電效果,同時也調節漆膜的表面能。


通過這種漆膜控制調節技術,將憎水性(低表面能) 的溶劑型漆膜改變為親水性(高表面能) ,確實能夠有效防止污染物質在漆膜表面附著和減少雨水流痕。因此,他們認為憎水性漆膜由于表面干燥而導致帶電浮游污染顆粒的吸附,較親水性漆膜更易污染;他們認為雨水在憎水性漆膜表面起珠不能潤濕鋪展,抵消了雨水對污染物質的沖刷力,不利于利用雨水來洗凈污染物,達到天雨自滌的效果;他們認為由于親水性漆膜的憎油性,親油性的灰塵即使附著,也較易被雨水沖走。


但是,在溶劑型涂料體系中實踐成功的觀點,在乳膠漆產品中是否同樣適用,以下我們進一步分析和實踐。


4 乳膠漆漆膜的憎水性與親水性耐沾污性能分析

4. 1 乳膠漆與溶劑型涂料漆膜的差異

乳膠漆與溶劑型涂料,其漆膜的致密性存在很大的不同。溶劑型涂料中,聚合物分子被溶劑所包圍和增塑,分子之間被溶劑分開,當溶劑揮發后,聚合物就以單個分子展布于底材上,形成一完整致密的漆膜,可以防止污染物質的滲入。在乳膠漆中,聚合物以球形顆粒分散于水中,每個顆粒由不同數量的高分子聚合物所組成。


它是一個非均相體系,當水蒸發后球型顆粒必須經過一系列物理化學過程,才能形成存有無數氣孔的完整的漆膜。乳膠漆在所有顏料體積濃度PVC 情況下都存有空氣空洞(氣孔) ,甚至乳膠漆清漆也存在氣孔,極易造成污染物質的滲入。


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