涂料科普：流平剂概述

李伟平 （先创化学品 ）

    一、发展历史

    在涂料发展的早期，人们使用一些溶剂来消除某些涂料体系的表面缺陷，如采用松油来解决亚麻油体系的表面缺陷问题，这些溶剂能调整体系的粘度和开放时间。然而，自二十世纪上半叶以来，一些合成树脂相继面世，如硝酸纤维素、丙烯酸树脂、环氧树脂、聚氨酯树脂、不饱和聚酯和无油聚酯树脂等，其中的一些体系所产生的表面缺陷仅仅依靠溶剂是无法完全消除的。人们发现，当这些体系出现表面缺陷时，向这些体系添加某些树脂（如丙烯酸树脂、三聚氰胺树脂等）、或硅油、或含氟表面活性剂，问题在很大程度上得以改善，甚至完全得到解决。人们把这些用来解决表面缺陷的产品，称为流平剂或表面流动控制剂。这些产品或降低、平衡涂料的表面/界面张力、或调整漆膜的粘度和开放时间，从而使涂料获得所需要的漆膜外观。

    近年来，由于不断严格的环保要求，涂料工业正努力降低涂料的VOC含量，由此出现了一些新的涂料品种，如高固体份涂料、无溶剂涂料（UV涂料等）、粉末涂料和水性涂料等。在这些配方中，有机溶剂用量大为减少，甚至不含有机溶剂，因而涂料的润湿能力显著下降，容易产生流动和流平缺陷；高固体份涂料所采用的树脂及配套采用的极性溶剂，表面张力相对较高，也容易产生流动和流平缺陷；水性涂料的溶剂主要由水组成，具有很高的表面张力，润湿更是一个难题，很容易产生鱼眼、缩孔等表面缺陷。在这些配方中，流平剂已成为必不可少的组份。

    为适应涂料技术的发展，针对传统流平剂品种的局限性，一些新型的流平剂品种相继出现，如含反应性官能团的丙烯酸流平剂和有机硅流平剂、改性丙烯酸流平剂等。

    含反应性官能团流平剂通常用于交联固化型体系，所含官能团一般为羟基、羧基、环氧基和双键等。这些流平剂不仅具有流平作用，而且可以交联固化于漆膜中，可避免自身的迁移；同时，由于在交联固化型体系中常具有比非反应性流平剂更好的相容性，因而很多情况下能获得更好的流平性能；某些情况下还由于提高了漆膜的交联密度，从而帮助提高漆膜的物理化学性能。

    改性丙烯酸流平剂是通过对丙烯酸流平剂进行改性赋予其一定的表面活性，这种流平剂不仅具有流平作用，还具有良好的底材润湿性。目前主要的品种为氟改性丙烯酸流平剂和最近才出现的磷酸酯改性丙烯酸流平剂。氟改性丙烯酸流平剂具有良好的流平性能的同时，还具有很好的底材润湿性，然而这类产品往往具有稳泡、影响层间附着力的副作用，对环境还会造成污染。当然某些有机硅流平剂由于表面张力较低，具有良好的底材润湿性能，但也具有氟改性丙烯酸流平剂相似的副作用。这种情况下，人们开发了磷酸酯改性丙烯酸流平剂，这类流平剂同样兼顾流平性和底材润湿性，不仅没有稳泡、影响层间附着力等副作用，相反还有脱气作用，是一类很有前景的流平剂新品种。

    二、涂料配方中为何要使用流平剂

    涂料的主要要功能是装饰和防护，如果出现流动和流平缺陷，不仅影响外观，同时也有损防护功能。如形成缩孔造成漆膜厚度不够、形成针孔会导致漆膜的不连续性，这些都会降低漆膜的防护性。

    涂料在施工和成膜过程中，会发生一些物理、化学变化，这些变化及涂料本身的性质，将显著影响涂料的流动和流平。

    涂料施工后，会出现新的界面，一般情况下为涂料与底材之间的液/固界面和涂料与空气之间的液/气界面。如果涂料与底材之间的液/固界面的界面张力高于底材的临界表面张力，涂料就无法在底材上铺展，自然就会产生鱼眼、缩孔等流平缺陷。

    漆膜干燥过程中溶剂的挥发会导致在漆膜表面与内部之间产生温度、密度和表面张力差，这些差异进而导致产生漆膜内部的湍流运动，形成所谓Benard旋涡。Benard旋涡会导致产生桔皮；在含不止一种颜料的体系，如果颜料粒子的运动性存在一定差异，Benard旋涡还很可能导致浮色和发花，垂直面施工会导致丝纹。

    漆膜的干燥过程中有时会产生一些不溶性的胶粒，不溶性胶粒的产生会导致形成表面张力梯度，在漆膜中经常导致缩孔的产生。例如，在交联固化型体系中，配方含有不止一种树脂，在漆膜的干燥过程中，随着溶剂的挥发，溶解性较差的树脂就可能形成不溶性胶粒。另外，在含有表面活性剂的配方中，如果表面活性剂与体系不相容，或在干燥过程中随着溶剂的挥发，其浓度发生变化导致溶解性发生变化，形成不相容的液滴，也会形成表面张力差。这些都可能会导致缩孔的产生。

    涂料在施工和成膜过程中，如果存在外界的污染物，也可能会导致缩孔、鱼眼等流平缺陷。这些污染物通常是来自空气、施工工具和底材的油污、尘埃、漆雾、水汽等。

    涂料本身的性质，如施工粘度、干燥时间等，也会对漆膜的最终流平产生显著影响。过高的施工粘度和过短的干燥时间，通常会产生流平不良的表面。

    因此，必须通过添加流平剂，通过对涂料在施工和成膜过程中发生一些变化及涂料性质进行调整，帮助涂料获得一个良好的流平。

    三、流平剂的种类

    流平剂大致分为两大类。

    一种是通过调整漆膜粘度和流平时间来起作用的，这类流平剂大多是一些高沸点的有机溶剂或其混合物，如异佛尔酮、二丙酮醇、Solvesso150等。

    另一种是通过调整漆膜表面性质来起作用的，一般人们所说的流平剂大多是指这一类流平剂。这类流平剂通过有限的相容性迁移至漆膜表面，影响漆膜界面张力等表面性质，使漆膜获得良好的流平。根据化学结构的不同，这类流平剂目前主要有三大类：丙烯酸类、有机硅类和氟碳化合物类。

    ●丙烯酸流平剂

    丙烯酸流平剂包括纯丙烯酸流平剂和改性丙烯酸流平剂。

    纯丙烯酸流平剂包括传统的非反应性丙烯酸流平剂和新型含管能团的反应性丙烯酸流平剂。这是一类分子量不等的丙烯酸均聚物或共聚物，这类流平剂仅轻微降低涂料的表面张力，但能够平衡漆膜表面张力差异，获得真正平整的、类似镜面的漆膜表面。如果分子量足够高，这类流平剂还具有脱气和消泡的作用。传统的非反应性丙烯酸流平剂的缺点是高分子量产品，可能会在漆膜中产生雾影，低分子量产品，又有可能降低漆膜表面硬度。含反应性官能团的丙烯酸流平剂能很好的解决这一矛盾，提供良好流平性的同时，不会产生雾影也不降低表面硬度，有时还会提高表面硬度。

    改性丙烯酸流平剂主要的品种为氟改性丙烯酸流平剂和磷酸酯改性丙烯酸流平剂。与纯丙烯酸流平剂不同，改性丙烯酸流平剂可以显著降低涂料的表面张力，这样就会在具有流平性的同时具有良好的底材润湿性。

    ●有机硅流平剂

    有机硅流平剂有两个显著特性。一是可以做到显著降低涂料的表面张力，提高涂料的底材润施能力和漆膜的流动性、消除Benard旋涡从而防止发花。降低表面张力的能力取决于其化学结构。另一个显著特性是能改善涂层的平滑性、抗挂伤性和抗粘连性。这类流平剂的缺点是存在稳定泡沫、影响层间附着力的倾向，有些还对施工环境如烘炉产生污染。其结构目前主要有三类：聚二甲基硅氧烷、聚甲基烷基硅氧烷、有机改性聚硅氧烷，以有机改性聚硅氧烷最为重要，纯聚二甲基硅氧烷由于与涂料体系的相容性差，现已很少使用。

    ●氟碳化合物类流平剂

    氟碳化合物类流平剂的特点是高效，但价格昂贵，一般在丙烯酸流平剂和有机硅流平剂难以发挥作用的时候使用，然而也存在稳定泡沫、影响层间附着力的倾向。

    四、流平剂的应用

    对于一个确定的配方体系，应根据配方的性质和希望流平剂所达到的性能，来选择合适的流平剂品种。

    1、溶剂性涂料体系

    在底漆和中层漆配方中，通常采用丙烯酸流平剂。如果需要脱气性和底材润湿性，宜选择中等分子量或高分子量丙烯酸流平剂。在底漆中，如果需要更强的底材润湿性，可考虑选用能显著降低表面张力的有机硅流平剂和改性丙烯酸流平剂（如氟改性丙烯酸流平剂和磷酸酯改性丙烯酸流平剂），如果有机硅流平剂和氟改性丙烯酸流平剂出现稳泡、影响层间附着力等副作用，应采用磷酸酯改性丙烯酸流平剂。

    在面漆和透明漆配方中，对漆膜外观要求相对较高，一般可选用低分子量丙烯酸流平剂，这样将获得良好的流平性，在漆膜中也不易产生雾影。在交联固化型体系，选用含反应性官能团的丙烯酸流平剂常常获得更好的流平性，同时提高漆膜的物理化学性能。如果需要漆膜具有更好的流动性或需要滑爽性和抗刮伤性，有机硅流平剂是必需的，这种情况下最好是有机硅流平剂和丙烯酸流平剂配伍使用。

    应当指出的是，在垂直面施工时，有机硅流平剂提供流平性能的同时，可有效降低涂层的流挂倾向。另外，在金属闪光漆配方中，应慎用有机硅流平剂，因为可能导致片状铝颜料的不均匀排列而出现漆膜颜色不均。

    2、粉末涂料体系

    粉末涂料的流平过程分为两个阶段。第一个阶段是粉末粒子的熔化，第二个阶段粉末粒子熔化后流动成为平整的漆膜。粉末涂料不含溶剂，在成膜过程不会产生表面张力梯度，流平更多的是与底材润湿有关。

    粉末涂料常采用丙烯酸流平剂。如果流平剂呈液态，一般要预先制成母料才能使用。也有制成粉体的丙烯酸流平剂，专门用于粉末涂料，这类产品是将液态的丙烯酸流平剂吸附在二氧化硅粉体上，一些低档流平剂用碳酸钙吸附。

    如果粉末涂料需要滑爽性和抗挂伤性，就要采用有机硅流平剂，已有制成粉体的专门用于粉末涂料的有机硅流平剂。使用有机硅流平剂要留意避免形成缩孔。

    3、水性涂料体系

    水性涂料体系分为水溶性体系和乳胶体系。

    在水溶性体系中，需要强烈降低体系的表面张力，最常用的是有机硅流平剂和氟碳化合

    物类流平剂，所起作用与它们应用于溶剂型涂料体系相同。当然如果需要真正平整的表面，用于水性体系的丙烯酸流平剂是必需的。

    而对于乳胶体系，成膜机理则完全不同，粘度也不随溶剂的挥发而改变。配方中采用流平剂会可能提高涂料的底材润湿性，丙烯酸流平剂可以提高漆膜平整度，但涂料的主要流动性能，更多的是通过添加流变控制剂来进行控制和调整。