表面改性剂讲解

表面改性剂：涂料油墨的点睛之笔
简介
为什么改变涂料表面特性
改变表面能
优化表面
消光蜡
蜡在涂料油墨中起什么作用
蜡的消光性能
回到改变表面能
怎样加入添加剂
实际应用
结论
简介
涂料和油墨的表面暴露在“外面的世界”里，必须经受一些严峻的环境考验，很可能导致体系本身的快速老化。

除了这一点，表面还是形成涂料外观的主要原因，比如光泽和“质感”，这些都来自于表面。

绝大多数情况下，不加入改变涂料表面性能的特定添加剂――也就是表面改性剂，就无法得到优越的表面性能。

加入不同种类的添加剂，现在我们可以改变以下性能：
•斥水性
•耐刮擦、片落、损伤性能
•耐磨性能
•提高，或降低光泽
•流动和流平性
•柔和，平滑的质感
•抗粘联性能
•表面纹理
为什么要改变涂料的表面性能？
改变涂料的表面基本上有两个原因。

第一个是需要降低表面张力/表面能，以便获得与此相关的特定性能。

第二个原因，是获得不同的光学效果，比如消光，或者表面纹理。

后一种添加剂不一定需要影响体系的表面能――不过这要根据化学结构来看――也有很多种类的添加剂，同时改变了这项特性。

改变表面能
设计涂料油墨配方时，必须明白表面张力和表面能的规律和关系，因为这个现象控制着很多我们需要的涂膜特性，比如流平性、润湿性、耐刮擦和损伤能力、斥水性以及表面“质感”等等。

所有这些特性，都严重依赖涂膜的表面张力。

涂料和油墨中使用的大多数介质表现出高表面能。

最常用的介质――比如以环氧为例――表面能是47达因/厘米（参见图表）。

涂料油墨中使用的大多数其他介质――除了硅树脂以外――数值都在差不多的水平。

由于一般涂膜具有这个相对较高的表面能数值，所以很难得到优越的流平性、质感和耐刮擦、损伤性能。

硅树脂、各种蜡产品以及特定的表面活性剂，都是专门设计，用来提高这些性能的。

我们将进一步讨论这些产品的优劣。

尽管它们都能用来改变表面能，但它们的化学性质差别却很大。

优化表面
很多情况下，必须改变涂料或者油墨的表面光学效果，比如降低光泽或者特定纹理。

要降低体系的光泽，可以通过引进一种“微观粗糙”的表面，来“破坏”高光涂膜的光滑表面，这样入射光线就会被反射到各个不同的方向（如图）
常用的消光解决方案，是加入氧化硅消光剂。

这种添加剂能很有效地降低各种体系的光泽――不仅是溶剂型――还有水性体系。

消光效果依赖于多孔性――以及不规则的颗粒表面。

当在涂料油墨体系中加入足够的数量，当涂膜干燥收缩时，它们就会扩展到涂膜表面，这样就能把涂膜从一个光滑的――甚至高光的表面，变成平光表面。

大多数情况下，添加量2-4%时，就能达到效果。

氧化硅助剂在一般溶剂型体系，和水性体系里面一样有效，但是在现代高固含量――或者无溶剂体系中，效果就差得多了。

其消光机理――如上文所述――此时不再发生作用。

原因就是没有足够的溶剂：所以不发生――或者很少发生涂膜收缩。

这意味着要达到消光效果，就必须增加添加数量，比如达到10-15%的水平。

但是这样一来，其他问题就出现了：体系的粘度和流变水平，上升到了不可接受的地步。

换句话说，消光效果和应用特性，实际上不可能同时达到足够好的程度。

唯一的解决办法，就是使用不依靠涂膜收缩来消除光滑表面的添加剂。

加入的数量必须相对较低――以便维持应用性能――但是同时必须能有效影响涂膜表面。

这种产品确实存在：
消光蜡
什么是蜡？几个世纪以来，蜡意味着蜂蜡。

主要用来燃烧蜡烛，偶尔也用在船只防水。

在17世纪，第一批巴西棕榈蜡被进口到欧洲。

那时，蜡是什么，这个问题很容易回答。

后来，化石材料，比如褐煤蜡、固体石蜡还有微晶蜡纷纷加入蜡的家族。

蜡的化学性能：总的倾向
今天，市场上有各种各样的蜡。

很多都是合成的，蜡是什么，这个问题变得更难回答。

下表给出了最常用天然蜡的特性汇总――巴西棕榈蜡――还有各种合成蜡。

聚乙烯蜡――仍然是使用最广泛的蜡――被列在当中：它是“万蜡之母”
蜡在涂料油墨中起什么作用
蜡作为表面改性剂，必须出现在体系表面，才能发挥作用。

基本上，有两种理论解释这个现象：轴承效应和漂浮效应。

原理如下图所示，两种理论都有充分依据。

轴承理论认为蜡只有在其颗粒尺寸接近涂膜厚度、或者稍大时，才能发挥作用，这解释了蜡对于提高涂料耐刮擦和耐损伤性能的有利影响。

该理论得到了以下观察结果的支持：
•a）各种颗粒极细的蜡产品，没有更粗一点的产品有效
•b）在很快干燥的涂膜中，蜡没有时间漂浮到表面
•c）高粘度涂料中，蜡不能漂浮，因为在涂膜中的运动受到限制
这些陈述都来自于对薄膜印刷油墨的观察，厚度范围通常是3-5微米。

同时，凹版，或者凸版印刷油墨的干燥时间的确非常短。

最后一个反对漂浮理论的证据，就是各种蜡产品可以在高粘度的涂层中起作用，比如转印油墨，在这种情况下，蜡不大可能漂浮到表面上。

漂浮理论假设，蜡实际上能漂浮到涂膜表面，来发生作用。

这个理论也得到有力支持：
•a）微细颗粒的蜡（3-5微米）在厚膜中有效（在超过100微米的特定无溶剂体系中）•b）“重”组分，比如PTFE（四氟乙烯，比重0.15），在厚膜中不是经常有效，因为只有一小部分能达到表面
•c）有些情况下，厚膜中的蜡，消光能力超过薄膜。

看起来存在“水池效应”：如果涂膜中的蜡越多，那么能飘浮到表面的也越多。

可以推论说，这两种“观点”（就像双重信仰）都有一定价值，主要看立足点在哪一边，到底是油墨（薄膜，干燥快），还是涂料（较厚的涂膜，更长的干燥时间）
蜡的消光性能
不管哪一种情况，蜡都是在表面发生作用。

根据蜡的类型，以及蜡的颗粒尺寸，它可以用作消光剂。

在很多方面，蜡和氧化硅不同。

当然，这有优点，也有缺点。

效率――坏消息
在“普通”的体系里面，和氧化硅相比，蜡的效率要低50%。

换句话说，如果添加2%的氧化硅能达到你所希望的消光效果，那么用好的消光蜡就需要4%，比如聚乙烯蜡，才能达到同样的消光水平。

效率――好消息
不过，在高固含量体系里面，比如以前讨论过的紫外体系，选择合适的蜡要比氧化硅效果好。

根据前面提高的漂浮理论，这是由于蜡能漂浮到表面。

这意味着只需要加入较少的蜡，就能得到很好的消光效果，同时保持体系的粘度处于可接受的范围。

同时，作为额外收获，耐损伤性能明显提高，同时耐刮擦性能和表面质感（或者叫触感）也提高了。

紫外体系的消光（60度）和粘度
上面显示的是，在100%固体的地板涂料紫外体系中，粘度和消光的影响。

选择了两种知名的氧化硅品牌，与两种100%聚乙烯蜡比较。

通过图形可以看到，氧化硅和蜡的添加量为10%。

对于氧化硅，体系的粘度上升到了不可接受的水平，但是体系的光泽仅仅下降了一点。

对于蜡，从60度角观察，光泽下降了30%，体系粘度仅仅提高了一点。

需要补充一句，这样的消光效果只有使用特种纯聚乙烯蜡才能达到。

评估的其他蜡，比如聚乙烯共聚物蜡，聚乙烯或者四氟乙烯PTFE化合物等等，对于粘度的影响都很小，但是消光效果达不到这个水平。

对平光光泽的影响
平光光泽是不同角度观察时，光泽/平光的变化。

对于这个特性，蜡产品和氧化硅也有不同的影响。

改变角度，比如从60度转到30度，氧化硅消光体系的消光性能将下降，也就是更倾向于高光。

蜡产品对此不敏感。

从不同角度观察涂层，光泽只有少许变化。

对耐刮擦性能的影响
对于消光涂料来说，最难的问题就是保持或者获得很好的耐刮擦能力。

光泽越低，越难防止表面对于刮擦的敏感性。

这一次，氧化硅和蜡的性能再次体现出不同。

在氧化硅消光的表面刮擦，通常只能得到白色刮痕。

对于蜡消光表面来说，对于刮擦不太敏感――当然这和使用的蜡有关――可能表现出“光泽刮痕”。

解释很明显：刮擦一个氧化硅消光表面，将打破突出的氧化硅颗粒，形成白色刮痕。

由于蜡不像氧化硅那么脆，但是倾向于随温度变化――突出的蜡颗粒不会破裂，但是可能在高压下融解，在涂层表面形成“污损”，造成光泽刮痕。

回到改变表面能
硅树脂类添加剂，表面活性剂，还有蜡都能对涂料油墨的表面能形成明显影响。

问题仍然是：“我们应该先看哪一种？”答案则可能是，需要对比所有产品的优缺点。

正如我们都知道的那样：没有一种产品――单打独斗――就能解决涂料和油墨的问题。

我们得出的解决方案，将会是一个折中：“将会得到这些性能，同时失去那些……”让我们逐个看看：
硅树脂
正如从表面能图表上看到的那样，硅树脂的数值很低，只比PTFE高。

这意味着将会对所有相关于低表面能的特性，产生影响，比如流平、流动、斥水性、以及耐刮擦性能。

因为硅树脂很容易迁移到表面，所以只要添加很少数量，就能达到效果。

这种添加剂的主要优点在于――作为液体产品――只需要用低能量的设备搅拌加入就行了，而这样的低能量设备根本不会影响涂料的光泽。

如果需要低表面能，同时不能影响高光性能，那么除了硅树脂别无选择。

不过，还有唯一的一个缺点：根据使用硅树脂的种类不同，可能对涂料的二次涂装，或者涂层之间的粘合造成影响。

由于这个原因，很多配方师都宁可不用这个产品。

在需要改变涂料外观、以及表面“触感”的情况下――比如涂料需要“柔和的触感”――这时，使用部分经过特殊改性的硅树脂就能达到效果。

有些硅树脂是交联的，所以能产生三维的网络，形成弹性颗粒。

可以悬浮在水性乳液中，或者制成颗粒，使用时可以搅拌加入涂料配方。

表面活性剂
表面活性剂通常用于改善颜料、填料分散性，不过也可以成为解决表面问题的高效助剂，用来处理基材润湿、流平性等等问题。

在涂料配方中，用于流平和润湿功能的表面活性剂，大致分成两类。

烃类表面活性剂和氟碳类表面活性剂。

烃类表面活性剂中，用来降低表面张力的主要结构，由碳和氢组成，而氟碳类表面活性剂的主要功能性结构，由氟和碳组成。

不论是烃类还是氟碳类表面活性剂，都有阴离子、非离子和阳离子三类化学品。

烃类表面活性剂通常要比氟碳类表面活性剂便宜，并且烃类表面活性剂具有各种功能基团。

另一方面，氟碳类表面活性剂，能把表面张力变得很低。

氟碳表面活性剂同时要比烃类表面活性剂效率更高――也就是产生效果需要的浓度更低。

氟碳表面活性剂可以进行调整，适用于各这涂料体系，包括溶剂型，或者水性体系、高固含量涂料、以及粉末涂料。

因为烃类表面活性剂相对比较便宜，所以涂料配方中出于经济因素考虑，一般会首先试用。

比较好的基本配方浓度，是重量百分比0.3-0.4%。

必须把浓度调整到表面张力开始下降为止。

烃类表面活性剂通常能把涂料的最低表面张力降低到28-35达因每厘米。

如果烃类表面活性剂试用不能解决涂料问题，可能出现以下情况：
•涂料表面张力尽管降低了一点，但是还是比较高
•烃类表面活性剂不是体系里面表面张力最低的组分。

例如，如果配方里使用了硅树脂消泡剂，当干燥或者固化工艺中出现表面张力梯度时，再使用烃类表面活性剂就不能解决问题。

•必须使用高浓度的烃类表面活性剂才能充分降低表面张力――这是烃类表面活性剂最常见的问题――这会把涂料对水分的敏感性，提高到无法容忍的地步。

如果尝试烃类表面活性剂之后，出现了以上一种或几种情况，下一步就必须在配方中使用氟碳表面活性剂。

氟碳表面活性剂能把涂料配方的最低表面张力降低到20达因每厘米，或者更低。

更低的表面张力能把涂料的初始润湿能力最大化，并能把涂料表面张力梯度造成的涂膜缺陷降到最低。

由于氟碳表面活性剂的有效性高得多，所以基础配方浓度可以使用重量百分比0.1--0.2%，对于溶剂型，或者辐射固化涂料配方，这看起来是个正确的选择。

怎样加入添加剂
只要是讨论液体添加剂――比如硅树脂或者表面活性剂――就不会有特殊的问题。

这些产品都能直接搅拌加入。

但是固体的添加剂，比如各种蜡，就不同了。

不仅需要特别注意它们的固体形态，更重要的是，绝大多数蜡产品对于高温和有机溶剂的组合，十分敏感：它们可能吸收部分溶剂，开始溶胀。

除了这一点之外，蜡在涂料和油墨中的性能，严重依赖于使用的方式。

这里――我们再次发现――没有“唯一”的正确方法。

最明显和最简单的使用方式，就是分散、融解或者乳化。

这时由于其液态特性，就能使用慢速搅拌机直接搅拌加入。

四种最常用的方法，讨论如下：
融解蜡
尽管多数蜡在室温下都耐溶剂，但是很多都能溶解在热的溶剂中。

把蜡融化是最早出现的技术。

对于热蜡和溶剂这个方法的主要局限，来自于溶剂。

也就是，只能使用沸点高于蜡熔点的溶剂。

要绕过这个问题，可以使用密闭压力容器，不过这需要特殊设备，并且这种设备在涂料油墨行业并不常用。

另一个难题，就是这种方法在批次之间很难统一质量，因为这种方法严重依赖蜡融化、冷却的速度。

现在，越来越多的公司放弃了这项麻烦的技术，转向其他使用方法，或者直接从其他公司购买现成的融解蜡产品。

另一个严重的限制，就是对于PTFE来说，这个方法没有用，因为聚四氟乙烯根本就没有熔点。

分散蜡
用钢球磨或者三辊磨，把蜡研磨到溶剂或者介质里面去，是另一种常用的办法。

优点是实际上这个方法可以适用于所有的蜡/溶剂/树脂组合，包括PTFE。

尽管需要的设备都很普通，仍然需要特殊的经验才能得到均匀的结果。

除了这一点，对于涂料和油墨厂来说，这样一个操作的批次数
量太小，不能调整。

所以，通常专门的蜡分散车间能更好地完成任务。

蜡分散液具有另外一个优点：由于蜡的颗粒被包围起来（如图）――所以比同样的蜡微粉，对于光泽的影响更小。

乳化蜡
还可以把蜡乳化到水中去。

比起“把蜡融解到溶剂中去”的技术，这项技术更需要特种设备和特殊知识。

PTFE同样还是不能使用。

除了只能用于水性体系之外，蜡乳液还含有一定百分比的表面活性剂，这对于涂料或油墨的耐水性，具有不良影响。

微粉蜡
如果可以制成微粉蜡，那么最常用的使用方法当然是微粉化。

不是所有的蜡都能微粉化：它们必须足够“脆”。

因为微粉是100%的活性材料，所以根本不用考虑技术限制，只要兼容性没有问题。

同一种蜡可以用于所有的有机溶剂，或者无溶剂体系，以及水性体系。

通过高速叶轮的方式，几分钟之内微粉蜡就会产生作用。

如果需要消光能力，那么选择合适的蜡产品之后，微粉蜡还能带来额外的消光效果。

实际应用
表面活性剂可以用于广泛领域的涂料和油墨。

作为一个不完全的列表，它们作为问题解决方案的主要应用如下：
氧化硅蜡硅树脂表面活性剂
家具涂料消光消光、润滑、耐刮擦、
粘连、抗沉积、耐磨擦
有时用于润滑和耐磨润湿、流平
紫外地板涂料有限消光、耐磨流平
粉末涂料消光、耐磨和纹理（需
采用特种蜡）
新型粉末表面活性剂，
可产生润湿作用
塑料涂装消光消光、耐刮擦耐刮擦分散
涂料的柔软触感触感和耐刮擦纹理和触感（选用特定
硅树脂）
分散
罐头涂装如果需要消光润滑、耐刮擦润湿
卷材涂料如果需要消光润滑、抗粘连润湿、流平
建筑涂料如果需要消光耐刮擦、斥水性（不是
高光）
耐刮擦、斥水性（高光）润湿、流平、分散
木器涂料消光抗沉积、斥水性斥水性分散
印刷油墨如果需要消光耐磨擦、耐损伤、消光润湿
表1：效果比较
结论
蜡，硅树脂、氧化硅以及表面活性剂都能用于各种涂料，油墨体系，提高其表面性能，例如斥水性、耐刮擦、损伤和粘联性能，同时根据选择的表面添加剂不同，能提高表面的流平性、润湿性。

有些还能在涂料表面产生特殊的纹理。

总之，实际经验证明，合并使用多种化学添加剂，比使用单一产品更有效。

试举几例如下：氧化硅+ 蜡（最适合消光、抗沉积、耐损伤，改善质感等等，用于家具清漆），蜡+ 硅树脂（超级耐刮擦，耐损伤，通常用于塑料涂料），还有表面活性剂+ 蜡（增强抗粘联，耐刮擦，改善流平和润湿性，用于水性体系）。

尽管需要进行的评估数量，可能是这的两倍、三倍或者更多倍，但是评估工作仍然值得进行。

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