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氟素表面活性剂在涂料中的应用
李兴明 (北京市天水科贸有限公司, 100100)
王晓文 (3M 中国有限公司北京办事处, 100004)
在全球, 3M 公司一直以氟化学和氟素材料为自己的核心技术。她是第一家采用电解法制氟的企业, 保证了氟素材料纯度和效率。也是率先推出具有商业和实用价值兼备的氟素表面活性剂的企业,因此其在这个领域有着丰富而独到的经验。3M 公司熟练掌握了氟碳材料的特点及制备方法, 有着比较全面的的氟化学技术。最近, 又推出了更加高效、环保的氟素表面活性剂FC – 4430 和FC – 4432 取代FC – 430 , 以满足涂料、油墨、胶粘剂、树脂、清漆、卷材、地板漆、影视胶片、助焊剂、润滑材料、光致刻蚀剂等工业配方中对润湿、铺展、流平和表面无缺陷的要求, 可有效的解决涂料浮色、发花、附着不良、重影、桔皮、鱼眼、缩边等现象。并且它还是分散超细粒子及乳化氟碳树脂的最佳材料。
1 氟素表面活性剂FC – 4430 及FC – 4432 的作用
FC – 4430 及FC – 4432 是在分子结构上用氟碳键CnF2n + 1来取代传统的碳氢链CnH2n + 1组成不溶尾端的氟代烷基酯化物, 是一种非离子氟素表面活性剂。由于FC – 4430 及FC – 4432 在水溶液中不是离子状态, 所以稳定性高, 不易受到电解质及某些无机盐类存在的影响, pH 值的变化对其也无明显影响。FC – 4430 及FC – 4432 可溶于水, 既可溶解于酸性介质也可溶解于碱性介质, 比之于离子表面活性剂, 更易溶于有机溶剂。FC- 4430 及FC – 4432 采用了先进的C4 技术, 这个技术是3M 公司用来控制材料在自然里降解时间的方法, 既保障了材料的有效性, 又可以达到所预想的环保目标。确立了3M 公司在这方面的领导者地位。FC – 4430 及FC – 4432 作为涂料添加剂, 可使涂料获得很低的表面张力, 而这种很低的表面张力只有在添加了氟化合物时才能获得。FC – 4430及FC – 4432 氟素表面活性剂能溶解和相容于绝大多数的聚合物, 并能在干燥和固化过程中继续作用。当被应用于水剂型聚合物体系中时, 能够有效地降低水相/ 有机相之间的界面张力, 并且在聚合物体系中的有机相中保持表面活性。
2 使用FC – 4430 及FC – 4432 的意义
氟素表面活性剂只有在液体与底材之间的吸引力大于液体的内聚力时, 液体才会润湿及分布在其表面。
分散系数SC = Rs – (RL + RL/ S)
其中Rs : 底材的表面能量; RL : 涂料的表面张力; RL/ S : 涂料与底材的界面张力。
当SC > 0 时, 分散即产生。因此, 唯有降低RL 和RL/ S 的值, 才能避免涂布缺陷之发生。将0.1 %的氟素表面活性剂FC – 4430 均匀分散到蒸馏水中, 水溶液的表面活力可从73 达因/ 厘米迅速降达21 达因/ 厘米。而在许多溶剂体系里以合适的添加浓度使溶液的表面张力达到20 达因/ 厘米, 甚至更低, 这是许多碳氢化合物及有机硅类表面活性剂无法达到的一个值。
在涂布过程中应用FC – 4430 及FC – 4432 ,可改善薄膜的均一性, 形成更均匀、平滑的薄膜。
3 比较优势
氟素FC – 4430 及FC – 4432 与Vs 碳氢Vs 硅类的比较, 见表1 。
表1 表面活性剂的比较
用量 0.01～0.30 0.10～0.50 0.50～5.0
表面能 16～20 20～25 > 25
稳定性:
强酸/ 碱 极好 一般 差
油性体系 极好 差 差
温 度 极好 一般 一般
单价比较 约50～100 约10～50 1
实际成本比较 1～2 1～2 1
4 FC – 4430 及FC – 4432 的应用
〔1〕稳定性
FC – 4430 及FC – 4432 可以分散到水性系统,也可溶于非水性系统中, 包括酯类、醇类、醚类、环氧树脂、聚酯类、尿素树脂及纤维素、丙烯酸树脂等。
FC – 4430 或FC – 4432 氟素表面活性剂耐热性非常稳定, 10 毫克样品在空气中以5 ℃/ min 的升温速率加热到200 ℃时, 仅有5 %的挥发。在酸或碱性的化学环境下仍非常有效。
〔2〕并用性
在许多应用中面临的是气体- 液体界面, 此时的表面张力非常重要, 但是仍有许多机会面临液体- 液体或者液体- 固体的系统。在这些系统中, 表面张力和界面张力对于润湿或流平程序有同样重要的地位。通常于这些案例中, 可以采用FC4430 或FC4432 并配合适当的碳氢化合物表面活性剂一起使用。
〔3〕用量相当少, 程序十分简单, 并能优化配方体系。可先制备一个浓度为10 %～25 %的FC -4430 或FC – 4432 溶液, 在生产的任何阶段添加,如果不需要对颜料作特殊处理的话, 建议放在最后加入为好。在涂料、油墨中的添加量约为0.01 %～0.3 % , 这取决于所使用涂料和颜料的类型。由于添加量很少, 一般不影响原体系的组分关系, 不需要更改原配方PVC。
〔4〕其它特点
氟碳表面活性剂FC – 4430 对于改进涂层附着力方面, 有着最佳的效果。在不破坏涂层性质的条件下, 将FC – 4430 加入环氧和聚氨酯的预聚合物或固化剂中, 既改进了粘合性, 又完全适合实际生产, 并且对以氟碳共聚物为主要成分的保护涂层也特别有效。在使用调色颜料时经常出现的颜料漂浮是十分棘手的问题, 采用氟碳表面活性剂可以减少颜料的漂浮。由FC – 4430 或FC – 4432 和铝片颜料组成的颜料分散液在高温条件下也是稳定的, 因此可用于汽车喷涂和烘烤的涂料。FC – 4430 或FC – 4432 不是表面改质剂, 不存在任何重涂性问题。
5 结束语
氟素表面活性剂FC – 4430 或FC – 4432 在有机系统或水性系统涂层中, 控制表面张力是可行而相当有效的, 可在溶剂系统中涂布应用, 甚至于干燥过程的动态相及树脂聚合过程中均可有效地控制其表面张力, 其可以减少干燥过程中涂布外观的差异。氟素表面活性剂FC – 4430 或FC – 4432 改善了表面张力的均匀性, 避免或减少表面张力梯度的产生, 而这些均为形成表面涂布缺陷的原因。如印刷过程中的点状污染、滚轮上的油脂或由于采用硅化合物消泡剂的污染, 均可采用FC – 4430 或FC- 4432 表面活性剂来克服。最新的一代氟素表面活性剂FC – 4430 或FC- 4432 , 具有更浅的颜色, 更小的气味和更低的粘度, 可有效地降低涂料的表面张力, 帮助涂料在不洁基材上的附着, 使涂料得到最好的润湿、铺展以及流平的效果。
