表面张力在油漆成膜过程中的作用及影响

(中国石油工程建设公司，北京 100120)

表面张力在油漆成膜过程中的作用及影响

洪 雨

(中国石油工程建设公司，北京 100120)

对油漆成膜过程中，表面张力在不同界面和关键环节所产生的作用及影响进行了分析，给油漆配方设计和表面助剂选型提供了参考意见。

表面张力 油漆 漆膜 表面活性助剂

0 引言

油漆是当今社会工业生产及日常生活中最常用的原材料之一，它是一种多相表面活性各不相同的分散体，而且是半成品，涂装后形成的稳固漆膜才是油漆的最终状态；影响油漆成膜的因素有很多，油漆配方、外界环境等等，但通常这些影响因素都是通过改变和控制漆膜的表面张力来影响油漆成膜。

表1 油漆常用物质的表面张力

1 关于表面张力及润湿

1.1 表面张力

通常，液体内部的分子保持着平衡状态，受到周围其它分子的作用力在各方向都相等；但处于表面层的分子比液体内部稀疏，分子间的距离比液体内部大一些，分子间的相互作用表现为引力，此引力即为液体的表面张力，沿表面层作用，但与表面层相切；就表面层的某个单一分子而言，受到表面张力作用，分子间有相互靠近、表面收缩的趋势，同时，液体表面层分子受内部分子引力的作用，也有自动收缩的趋势。

由于表面张力是由表面层分子间引力引起的，那么固体表面与液体表面一样，同样存在着表面张力。固体、液体的固有表面张力由它们自身的分子结构决定，稳定状态下为固定值。油漆常用物质的表面张力数据见表1。

2.2 固体表面浸润

液体与固体之间的表面层，我们通常叫做附着层，也一样存在着界面张力。液体能否在固体表面浸润，界面张力起十分关键的作用，我们通过图1的接触角模型简单说明：

图1 接触角模型

在这个模型中，固液气交界处分子的水平方向受力决定液体是否可以在固体表面自发铺展，其中：

γS-固体的固有临界表面张力(液体分子铺展流动的原动力)

γL-液体的固有表面张力(液体分子收缩的动力，即铺展的阻力)

γI-液固界面的界面张力(铺展的阻力)

当γS＞(γL+γI)时，液体才能够在固体表面完全铺展开。

3 油漆成膜过程中的表面张力作用及影响

油漆成膜过程是一个极其复杂的物理及化学动态过程，受到油漆配方、流变性(粘度)、温度、溶剂挥发速度、底材等因素的影响，通常这些影响因素都是通过改变和控制漆膜表面张力来影响油漆成膜，如下：

3.1 表面张力对漆膜润湿底材的作用

在油漆被刚刚刷涂或喷涂到底材表面时，漆膜对底材的浸润铺展取决于表面张力。根据接触角模型，当油漆的表面张力与界面张力之和比底材临界表面张力高或差距不大时，油漆在底材上铺展困难，对底材润湿不好，油漆附着力降低，并且很容易造成回缩，形成“缩孔”，甚至“成珠”；普通油漆很难涂刷在聚丙烯、聚四氟乙烯光滑底材的表面上便是这个原因。当油漆的表面张力与界面张力之和远远小于底材临界表面张力时，漆膜能获得良好的润湿铺展。油漆配方中通常会加入基材润湿剂，低分子量的基材润湿剂会迅速迁移至界面，来降低固液界面的动态表面张力，排挤掉漆膜与基材表面的气体空隙，使油漆迅速的铺展到基材表面。

3.2 表面张力对漆膜流平的作用

当油漆在基材表面铺展完成后，此时粘度相对较低，不考虑触变性影响，漆膜受液面高差及重力作用会自行流动，根据涂刷位置及粘度不同，可能会形成“顶部垂坠、立面泪痕”等缺陷，平面漆膜会减弱或消除刷痕等长波纹，进行初步流平。随着油漆湿膜中溶剂的逐步挥发，特别是高挥发度溶剂的快速挥发，短波范围内漆膜较薄的区域(波谷)溶剂挥发较快，造成了表面张力比漆膜较厚的区域(波峰)大，形成了表面张力梯度差，根据Marangoni效应理论，油漆自发流向较薄区域；在横向流动过程中，溶剂等小分子物质流动相对较快，同时受到较薄区域溶剂向面层快速扩散的影响，可能会形成运动激烈的局部对流——Benard Cell(贝纳德漩涡，如图2所示)，造成漆膜“桔皮、漩涡”，当小分子的颜料也加入对流时，便造成颜料分散不均，出现漆膜“浮色、花斑”。解决贝纳德漩涡现象的有效途径是减慢溶剂挥发速度和在油漆体系中加入低表面张力流平剂，以降低表面张力梯度差，避免出现局部对流。

图2 贝纳德漩涡模型

在湿膜后期，高挥发度溶剂已经挥发，湿膜中溶剂含量减少，并且挥发速度明显降低，表面张力梯度减弱，施工剪切力基本消除，可以忽略溶剂挥发、表面张力梯度及油漆触变性对漆膜流动的影响，此时的漆膜基本符合牛顿流体流动方程：

式中：t-流动时间，k-常数，λ-波纹波长，η-液体粘度，γ-液体表面张力，d-漆膜厚度

由此式可知，油漆湿膜粘度越高，达到流平的时间越长；表面张力越低，流平时间需要的越多，此时的漆膜表面张力成了流平的动力，通常在油漆中加入聚合物型流平剂增大表面张力，缩短流平时间；但在常规漆膜流平体系里，表面张力范围最多在25~55dyn/cm之间，对流平的影响有限，而初始波纹波长及膜厚与流平时间成4次方和3次方的级数关系，通过调控初始波纹波长和膜厚对控制后期的漆膜流平效果更快捷有效。

3.3 表面张力对漆膜气泡、消泡的作用

油漆是一个多相表面活性各不相同的分散体，表面活性剂降低了表面张力，构成了气泡的形成条件，容易在搅拌或涂刷时带入空气形成气泡或泡沫。根据Stokes定律，湿漆膜粘度越低，气泡直径越大，越容易上升到漆膜表面；但部分相容性好的流平剂、分散剂等助剂分子会有规律的排布在气泡表面，使气泡稳定，不能自动破裂消除，漆膜固化干燥后，形成“气泡、爆沸痕”等缺陷；

考虑到漆膜的流平、分散、外观等，油漆体系中不含稳泡作用的表面活性助剂是不可能的，但可以使用消泡剂来去除表面气泡，用脱泡剂脱除漆膜内部气泡；通常，消泡剂/脱泡剂都具有表面张力更低、与油漆体系不相容或者选择性不相容、分子渗透扩散能力强的特点，能够快速渗入到气泡表面，使气泡聚集变大升至表面，并改变表面活性剂在气泡表面的有序排列，引起气泡膜表面张力差，降低气泡的稳定性而破裂，起到消泡的作用。

3.4 表面张力对漆膜外观及重涂的作用

油漆体系中通过加入不同功能的表面活性助剂，达到改善漆膜的润湿、流平、分散、消泡等作用，还会在面漆中加入增滑剂、增光剂等，获得光滑的漆膜质感。表面增滑剂由于特殊的不相容性，可以迅速的迁移至漆膜表面，协助形成平坦致密的润滑层，降低摩擦系数及表面张力，改善涂膜手感，形成疏水表面。

过于光滑的表面表面张力较低，会大幅降低漆膜的层间附着力，影响油漆复涂性。对底漆、中间漆而言，需要有良好的复涂性，较强的层间附着力，无需过多关注漆膜光滑度等质感参数；面漆在保证层间附着力的同时，需尽可能的改善漆膜外观质感。

4 结语

油漆成膜过程中，表面张力在不同界面及不同时期发挥着不同的作用，直接影响着漆膜固化成型结果；归纳总结以下几点，在选用表面助剂、设计油漆配方时以作参考：

①在漆膜展布初期，低表面张力对预防缩孔、贝纳德漩涡、浮色发花、桔皮等漆膜缺陷及底材润湿有促进作用；

②在漆膜固化中后期，高表面张力在漆膜流平、脱泡消泡、丰满度、防雾影等方面起关键作用；

③漆膜表面过于光滑，表面张力低，影响重涂性，需根据不同油漆类型，调整表面光滑度。

总之，在设计油漆配方时，要充分利用好表面张力对漆膜的影响，避免出现漆膜缺陷，改善漆膜质量及外观。

[1] 刘引烽. 涂料界面原理与应用[M]. 化学工业出版社, 2007.

[2] 王志军. 流平剂[J]. 涂料技术与文摘, 2009.

[3] 龚海青. 表面张力引起的涂层弊病[J]. 现代涂料与涂装, 2000.03.

The Effects of Surface Tension in Painting Film Forming Process

HONG Yu
(China Petroleum Engineering & Construction Corporation, BeiJing 100120, China)

In painting fi lm forming process, analyzed the effects of the surface tension at the different interface and critical program, provide some advices for painting design and auxiliaries choice.

surface tension; painting; painting fi lm; surface active agent

TQ630.1

A< class="emphasis_bold">文章编号：1008-7818(2014)03-0047-03

1008-7818(2014)03-0047-03

洪雨 (1977－) , 男，北京人，本科，工程师，任中国石油工程建设公司防腐工程师，长期从事石油化工领域腐蚀与防护工作。