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流平剂

来源:埃夫科纳助剂有限公司,上海 作者:王志军 时间:2012-12-23 点击:
导读:介绍了流平剂的工作原理、主要流平剂品种以及应用。
0 引言
钱逢麟先生领衔主编的《国内外涂料助剂品种手册》兼收并蓄,网罗了几近所有主要助剂公司的主力牌号,其结构品种之庞杂至今仍然让人觉得如临深渊,难以见底。多年从事助剂行业工作最深刻的体会就是:理论本应该指导实践,但是助剂的应用理论经常落后于实践;结构决定性能,助剂却经常先得确定性能然后才知道这个结构是什么助剂。所以助剂的应用理论,是一门有待建立的课程。由于各助剂公司对自己的助剂究竟是何种聚合物或复配物,都当作机密处理,各家公司也只针对自家产品作一些专项的应用测试,加上在许多情况下工程师追求立刻解决问题,并不太执着于原理,导致在助剂领域只有堆积罗列的应用经验,没有较完整的成体系的应用理论。这导致助剂的应用理论体系始终很难建立起来。本文讨论流平剂的结构理论与应用的联系,文献部分采用较多专利,考虑到绝大多数商用产品背后都有专利支持,所以未专门于最基础的理论专著。

1 关于表面张力
1.1 表面张力
讨论流平剂,首先需要理解表面张力。如图1所示,处于液体内部的分子保持着平衡状态,它受到的所有角度的力量完全相同。液体表面由于缺少相同的分子而处于一种不平衡状态。表面分子所处的这种不平衡态导致表面张力形成。如果是气液界面,气相的分子(实际情况常常是气体分子以及溶剂蒸气分子的混合物)对最上层界面上的液相分子有作用,然而这个作用不等于内部液相分子对界面液相分子的作用,其差异导致了表面张力。固液界面也是如此。

图1 表面分子与界面的结合力与内部的差异导致表面张力
所以,表面张力实质上是作用力的差异造成的,其根源还是分子间作用力,最终表现出来的使界面收缩的力称为表面张力F:
(1) 在液体界面上任意取一根直线,F垂直于这根直线,而且与液面相切;
(2) F的单位是牛顿(N),或者是达因(dyn)。它与那根接触界线的长度L成正比:F=γL,γ=表面张力系数,L就是界线的长度。当L是单位长度时,γ就是表面张力。所以,我们常看到表面张力是一种力,其单位却常被记作N/m,或者dyn/cm。
1.2 接触角模型
在我们的应用实际中,最多讨论的情况是固-液-气三相共存时的表面张力关系。最常见的模型就是接触角,如图2 所示。


图2 接触角模型
在这个模型中,水平方向是我们关心的。抛开复杂的表面能公式,可以这样理解这些力[1]:
γS=固体的固有表面张力=液滴流动的主要动力。
γL=液体的表面张力=总是趋于收缩液体的表面,是展布流动的阻力和液滴收缩的动力。
γI=液固界面的表面张力=总是液体运动的阻力,不论液体是趋于展布,还是趋于收缩,它总是一个必须克服的能垒。即便在γS>γL时,液滴的接触角<90°,液体能够润湿固体表面但是不一定能充分自行展布;只有在γS>γI+γL时,液体才能充分展布。
还有一个因素就是固体表面的粗糙度,粗糙的固体表面能帮助诱导液体自行展布。因为实际上在液体于粗糙表面流动时,重力也参加进来推动液体的流动。
可以理解的是,固体、液体的固有表面张力由它们自身的分子结构决定,所以从分子结构出发可计算出这个物质的表面张力。而固液界面的表面张力就来源于它们相互之间的作用,杨氏(Young)认为γI就是固体和液体各自的固有表面张力之间的差异。当然这是个非常数学的假定。这个假定在理想条件下测量和计算固体表面张力时很有用,但是与实际情况却不甚相符。了解了表面张力概念体系之后,很容易理解为什么已知树脂的表面张力低于底材,而底材是粗糙的,还是可能遇到流平展布问题,那就是因为γI的存在。而我们添加流平剂对γI影响显著,因而能够帮助流平。这个原理能够解释很小的流平剂添加量下,如果检测树脂溶液的表面张力,几乎很难看见其表面张力强烈降低,但是实际上,液体的展布能力的确大大加强了。这要归功于流平剂迁移到界面,使γI大大降低,如图3所示。


图3 流平剂与表面活性剂的介入模型
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