成膜助剂在多层核/壳丙烯酸酯乳液中的应用

成膜助剂在多层核/壳丙烯酸酯乳液中的应用

崔嘉敏, 张胜文, 何立凡, 李效玉 (北京化工大学材料科学与工程学院,纳米材料先进制备技术与应用科学教育部重点实验室, 北京100029)
 

1.3.2 漆膜性能测试

漆膜硬度按GB/T1730) 1993测定(双摆杆式阻尼试验法);漆膜柔韧性按GB/T1731) 1993 测定; 漆膜耐冲击性按GB/T1732) 1993测定; 漆膜耐水性按GB/T1733) 1993测定(浸水试验法); 漆膜镜面光泽按GB/T5794) 1988测定。漆膜表面形态的AFM测试, 用Nanoscope 3a原子力显微镜(AFM)测试。
 

2 结果与讨论

2.1 乳液型涂料的成膜过程与成膜助剂的作用机理

与溶剂型涂料不同, 乳液型涂料的成膜过程一般分为以下三个过程: ( 1)充填过程: 乳液型涂料施工后, 水分挥发, 微粒相互靠近, 达到密集的充填状态, 体系中的乳化剂及其他水溶性助剂留在微粒间隙的水中。( 2)融合过程: 水分继续挥发, 高聚物微粒表面吸附的保护层破坏, 裸露的微粒相互接触。其间隙愈来愈小, 至毛细管径大小时, 毛细管压力高于聚合物微粒的抗变形力, 微粒变形, 最后凝集、融合成连续的涂膜。( 3) 扩散过程: 残留在水中的助剂逐渐向涂膜扩散, 并使高聚物分子长链相互扩散, 形成具有良好性能的均匀涂膜。涂料的成膜过程对最终形成涂膜的表观状态、性能等有决定性的影响, 而成膜助剂在水性乳液型涂料整个成膜过程中起着重要的作用。
水性涂料所使用的成膜助剂又叫聚结剂、助溶剂或共溶剂, 一般是相对分子质量数百的高沸点有机物。它可以看作是聚合物乳液粒子内增塑剂, 主要功能是降低乳液的最低成膜温度, 改进乳液涂料的流动性, 提高漆膜致密程度, 从而改善涂料施工性能和涂层物化性能等。成膜助剂加入乳液体系后, 少量溶解在水相中, 大部分进入聚合物乳液粒子内部,在聚合物相中的成膜助剂使粒子表面软化, 提高了聚合物的塑性, 使乳液粒子更容易受压变形, 融合成膜, 从而降低乳液型涂料的最低成膜温度。在涂膜干燥过程中, 水分挥发后余下的成膜助剂使聚合物胶粒相互融合成连续的膜, 随着时间的推移, 成膜助剂逐渐挥发逸出, 涂膜硬度随之逐渐提高。

乳胶粒变形和分子链段扩散都要求乳胶聚合物体系中有大于2.5%的自由体积, 否则乳胶粒高聚物处于玻璃态, 而无法变形, 高聚物分子链段处于冻结状态而不能扩散。正是由于成膜助剂在成膜过程中提供了足够的自由体积, 以使聚合物粒子变形和聚合物分子链段扩散、缠绕而融合成连续的涂膜。

2.2 具有多层核/壳结构的高性能丙烯酸乳液

本研究所用乳液是以丙烯酸酯为主要单体, 配以多种功能单体, 通过多步种子乳液聚合的方法合成出的具有三层核/壳结构、粒径纳米化的聚丙烯酸系共聚物乳液, 乳胶粒子的粒径在100 nm以下, 特殊的三层核/壳结构能使多种功能单体分布在不同层中, 从而保证了乳液的贮存稳定性。成膜过程中, 随着水分的挥发, 乳胶粒子形状发生变化, 分布在不同层间的交联单体相互碰撞融合, 活性官能团之间发生化学交联,使其硬度和耐水性有显著提高, 既能保证漆膜的连续性, 又能够为其提供很好的强度。

2.3 成膜助剂在不同pH值条件下对乳液性能的影响

AMP- 95是水性涂料配方中常用的一种多功能助剂, 主要作用是调节体系的pH 值。作为一种小分子的有机胺, AMP- 95可以在很宽的范围内对三层核/壳的丙烯酸酯乳液的pH值产生影响, 如图2所示。