表面张力对乳胶漆及其漆膜性能的影响

表面张力对乳胶漆及其漆膜性能的影响
感想：经过一段时间在校膜实验室的制膜过程中，观察到不同试剂对膜的成型有不同的影响，是什么原因造成那样的现象，一直是我的疑问。

通过这篇论文，我发现不同试剂是通过影响膜的表面张力，从而使膜的成型在不同程度上发生褶皱现象。

这样会影响测量膜的比表面积，从而影响实验的准确度，怎样去减小表面张力在膜成型阶段对膜的影响，这是影响实验的的不可忽略的因素。

随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，乳胶漆的使用越来越多。

乳胶漆具有施工简单、色彩丰富、美观高雅、维修方便、污染小、能耗低、价格相对便宜等优点。

但是乳胶漆无论在开罐效果还是在涂刷效果上都还存在不足之处，主要表面在浮色、发花、缩孔、厚边、随着不良等。

当然，出现上述弊病的原因很多，但乳胶漆体系的表面张力是一重要影响因素。

1、液体在固体表面的展布
表面张力是液体能否在固体表面上自发展布（润湿）的关键。

在涂料的制造和涂装中，润湿或自发展布是非常必要的条件，如在颜料分散中，漆料对颜料表面的润湿；涂装中涂料对底材的润湿；湿膜表面的流平等都与表面张力相关。

因此表面张力是影响涂料质量的关键因素之一。

设固体的表面能为E1，经液体涂布后为E2，涂布前后的表面能差为△E，△E称为展布系数（S），则：
E1＝γs
E2＝γL+γsL
式中: γs——固体的表面张力；
γsL——液体/固体间的表面张力；
γL——液体的表面张力。

则S＝△E＝E1- E2=γs -(γL +γsL)=( γs -γsL)- γL
式中的( γs -γsL)即固体临界表面张力或润湿张力。

当S＝0，即液体表面张力等于固体表面的润湿张力时，固体表面的表面能在涂布液体的前后没有变化。

所以当液体借外力在固体表面涂布后将不再展布或回缩。

当S<0，则( γs -γsL)< γL，即液体表面张力大于固体表面的润湿张力。

此时液体涂布在固体表面后增加体系的表面能。

为了顺应能量趋向最小的规律，即使借外力涂布后也必然要回缩。

当S>0，则( γs -γsL) > γL，即液体表面张力小于固体表面的润湿张力。

此时液体涂布在固体表面后会使体系的表面能下降。

所以液体即使无外力也能自发展布。

2、表面张力对乳胶漆性能的影响
2.1 表面张力对湿膜流平的影响
当乳胶漆施工于底材上，刚形成的湿膜是不平整的，有刷痕、接痕等。

依靠乳胶漆的表面张力使湿膜表面流平，因为平整的表面有最小的表面积，即最小的表面能。

湿膜的流平过程就是湿膜表面表面张力的均化过程。

均化过程可受到湿膜厚度、溶剂挥发、表面张力差和黏度的影响。

表面张力差是流平的动力，余者都是对流平的制约。

含有表面活性物质的涂料，在湿膜刚形成时，由于表面积突然成倍扩大，所以表面张力高于平衡态。

如果达到平衡态所需时间，就会延长流平时间，因为流平是要在有足够流动性前提下才能达到的。

在溶剂挥发过程中，湿膜较厚处会有较高的溶剂含量，因而比较薄处容易产生上下的对流，以均化其所含物质。

区间的上下对流，引起了表层区间的浓度差，即表面张力差，从而引起了湿膜的表层流动。

如湿膜因溶剂的不断挥发而失去了有效的流动性时，而表层尚未能使表面张力均化，即尚在继续流动中，那么这表层流动和上下对流就被“冻结”而成为表面缺陷。

2.2 表面张力对涂膜附着力的影响
涂膜对底材的附着力主要的、普遍存在的是范德华力。

可明显察觉的范德力是在极小的间距内（<0.5mm），所以乳胶漆对底材没有良好的润湿是不可能进入有效距离的，也就不可能有良好的附着力。

因而涂膜对底材的附着必须先润湿底材，使二者建立一个界面，相互接近。

在接近后，聚合物分子在运动中又会以合适的构象使之更接近，甚至穿过界面而相互作用。

高分子底材上还可能扩散到底材中而形成扩散界面区，在界面区中，乳胶漆与底材二者的聚合物链相互混杂而达到更好的附着。

同时固体表面与所处环境中的物质相互作用而改变了底材的性质。

所以为得
到良好的附着必须先进行表面预处理，使表面性质达到相对的“一致”。

2.3 表面张力对颜料分散的影响
在颜料分散中，首先是漆料浸透了颜料并渗入颜料颗粒聚集体的孔隙中，渗入的程度与速度与漆料对颜料表面的展布程度和速度有关。

渗入程度越大、速度越快，即润湿充分而快速，则聚集体的分离越容易，分散速度越快。

所以在研磨之前往往先搅拌，使之润湿充分。

漆料渗入颜料聚集体的能力可用漆料对颜料表面湿润前后的表面能差来估计。

设颜料聚集体的表面能为γs，被漆料润湿后的表面能为γsL，则润湿前后的表面能差△E为：
△ E＝γs -( γL +γsL)
在自发的润湿下，△E>0，即
γs >( γL +γsL)
γs是已定的，所以要充分和快速地润湿就要降低漆料的表面张力和颜料/漆料的表面张力。

3、表面张力引起的涂膜弊病及处理
湿膜从涂布到失去有效的流动性为止，进行着展布和流平。

展布和流平是由表面张力所引起的表层流动，这种表层流动不利于完整的流平而形成了涂膜弊病。

3.1 缩孔
当底材表面由于组成的不均而导致润湿张力不均时，在漆料涂布后，有些区域或点上的湿膜展布系数小于零，则湿膜将从这些区域或点向四周回缩，以降低总表面能，从而形成缩孔。

缩孔出现的早晚是由于湿膜的表面张力随着溶剂的挥发而逐渐增高的缘故。

展布系数小于零就开始回缩。

为防止缩孔，需要提高乳胶漆的抗缩孔性，也就是说降低成膜物的表面张力。

其主要途径有：
（1）选用表面张力低的溶剂。

由于乳胶漆的主要溶剂是水，表面张力很大（72mN/m），远大于底材的润湿张力。

用水/有机共溶剂的混合物，表面张力可降到一般有机溶剂的水平。

（2）降低成膜聚合物的表面张力。

聚合物的极性越大则表面张力越大，可通过降低聚合物的极性来降低其表面张力。

例如在高极性的聚酯中，常在分子结构中引入饱和碳氢链段等。

（3）使用表面活性剂。

使用表面活性剂来降低乳胶漆的表面张力虽然很有效，但总会带来一些幅作用。

因此，降低表面张力要多种措施共用。

选用表面活性剂需要考虑其动态表面张力，动态表面张力滞后过大，即动态和静态差值过大，则有可能产生更多的漆膜弊病。

为防止缩孔，也可以通过对底材表面处理来降低润湿张力。

3.2 桔皮
由于底材的几何形状和气流的影响，导致区间的溶剂挥发速度有所不同，从而引起了湿膜中局部组成和温度的差异，导致了表层流动，但湿膜已失去了有效的流动性，涂膜上就留下了表层流动的痕迹，这就是桔皮。

可以通过延长湿膜的有效流动时间减轻桔皮，以给予足够的流平性，所以可加入挥发速度较慢的溶剂，也可加入表面张力低的、动态表面张力滞后短的流平助剂。

3.3 浮色
湿膜的溶剂挥发发生于表面，密度大于本体，本体的上升和表层的下沉，形成对流。

对流处于呼自小区之内，形成一个个小旋涡，当色漆中含有不同颜料时，粒径较小密度较轻的就容易随着旋涡流动，由于颜色的不同而形成明显的花纹，当不同颜料的分离是水平向的，就是浮色；当不同颜料的分离是垂直向的，就是发花或近仿六角形的，称为“贝纳德旋涡”；如涂膜在垂直面上时有时间回则表现为条纹。

降低或消除浮色和发花就是降低湿膜上下对流的速度，降低颜料分离效果，使用挥发速度较慢的溶剂或可控絮凝分散助剂，也可降低湿膜表层区间的表面张力差，即添加诸如硅油流平助剂。

也可设计乳胶漆的PVC来降低颜料颗粒的移动性。

3.4 厚边
被涂物的边角处与其邻近处相比，表面积与体积之比较大，所以该处的湿膜，溶剂挥发也较快，成膜物的浓度也较高。

从而引起表层流动，使邻近的漆料流入
边角，增厚了边角上涂膜的厚度，形成了厚边缺陷。

防止厚边可增大被涂物边角的弧度，可提高乳胶漆的黏度，也可使乳胶漆的表面张力接近底材的润湿张力，减弱表层流动效应。

3.5 缩边露角
在被涂物的边角上湿膜面积与平面相比要大，为了降低体系的总表面能，湿膜就被迫从边角上缩回，形成缩边露角。

可通过缩短湿膜有效流动时间来消除缩边露角。

3.6 对底材附着不良
涂膜对底材的附着力，从表面张力角度看来自湿膜对底材的润湿。

当湿膜的表面张力接近底材的润湿张力时，则附着不良。

要增进对底材的附着力，就要降低乳胶漆的表面张力的提高底材的润湿张力，有一个较大的展布系数。

3.7 气泡痕
乳胶漆在施工中常会带入空气到湿膜中，如气泡在湿膜失去流动性后破裂，其裂痕就残留在干膜上形成气泡痕。

含有较多表面活性剂的乳胶漆容易产生气泡，可用消泡剂来消除气泡。

也可考虑降低消泡剂的浓度来降低气泡壁的表面黏度，从而消除气泡。

3.8 针孔
针孔就是湿涂膜表面上如毛孔状的缺陷，是由于湿膜中空气逸出时造成的，原因可有是湿膜表层黏度和气泡壁的界面张力过大。

一般可用释气剂使空气及早逸出湿膜。

3.9 幕式淋涂中的“破幕”
在幕式淋涂中，如乳胶漆内含有表面张力低的杂质，在落下的“幕”上就会产生剧烈的表层流动，使杂质周围的“幕”变薄而导致破裂。

在底材上就形成未涂上漆料的空白点。

为避免“破幕”，要保证生产车间的施工场地的洁净，也可降低漆料的表面张力。

4 、结语
乳胶漆的表面张力是造成涂膜弊病的主要原因，是影响漆料性能的重要因素。

改变漆料或底材的表面张力是防止漆膜弊病的一种有效措施。