表面活性劑在水性木器涂料中的應(yīng)用

田 昕，翁仁秀，陳進(jìn)偉

（1.立邦工業(yè)涂料（上海）有限公司，上海 201201；2.空氣化工產(chǎn)品（中國）投資有限公司，上海 201203）

表面活性劑在水性木器涂料中的應(yīng)用

田 昕1，翁仁秀2，陳進(jìn)偉2

（1.立邦工業(yè)涂料（上海）有限公司，上海 201201；2.空氣化工產(chǎn)品（中國）投資有限公司，上海 201203）

評(píng)估了不同種類的表面活性劑在水性木器涂料中的應(yīng)用性能，并分析了其各自的特點(diǎn)。

水性木器涂料；雙子型表面活性劑；潤濕劑；消泡劑

0 引言

水性木器涂料以水為分散介質(zhì)，由于水的高表面張力與高蒸發(fā)潛熱，使得水性涂料除了在干燥速度、對(duì)木纖維的溶脹方面與溶劑型涂料不同之外，在涂料配制以及實(shí)際涂裝過程中更易出現(xiàn)潤濕不佳、流平不好、縮孔、針孔和縮邊等問題。在其配方體系中，水性表面活性劑的使用必不可少。由于在實(shí)際涂裝過程中，既有刷涂等低動(dòng)態(tài)過程，也有噴涂等高動(dòng)態(tài)過程，這就需要表面活性劑同時(shí)具有較低的靜態(tài)表面張力和動(dòng)態(tài)表面張力。此外，表面活性劑還要有較好的相容性，不易起泡和穩(wěn)泡，對(duì)產(chǎn)品的綜合性能不產(chǎn)生負(fù)面影響。只有通過對(duì)表面活性劑進(jìn)行綜合性能評(píng)估，才能保證配方的最佳性能。

本研究分析討論了表面活性劑在水性木器涂料典型配方中的應(yīng)用。評(píng)估了空氣化工表面活性劑產(chǎn)品以及其他市售表面活性劑產(chǎn)品在水性木器涂料中的性能，為木器漆生產(chǎn)廠商對(duì)于表面活性劑的選擇和應(yīng)用提供支持與幫助。

1 雙子型表面活性劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)和性能

目前，水性木器涂料中比較常見的傳統(tǒng)型表面活性劑，如聚醚改性硅氧烷等，均為線性AB型結(jié)構(gòu)（A為親水基團(tuán)，B為疏水基團(tuán)），有很強(qiáng)的穩(wěn)泡傾向，而氣泡是影響產(chǎn)品品質(zhì)和漆膜外觀的主要缺陷之一。

雙子型表面活性劑是一種新型表面活性劑，基于通過橋鍵關(guān)聯(lián)在一起的兩個(gè)相同的雙親分子，如圖1所示，此類表面活性劑一般具有較高的表面活性，在降低表面張力方面效果非常突出?？諝饣さ娜捕际瞧渲幸活惖湫偷碾p子型表面活性劑，緊湊型的ABA結(jié)構(gòu)使得其能在體系中更自由地遷移，從而可以更加快速地降低體系的表面張力。

圖1 雙子型表面活性劑的結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 The scheme of structure of gemini surfactant

1.1 雙子型表面活性劑的動(dòng)、靜態(tài)表面活性

在實(shí)際應(yīng)用中，液體的表面張力要低于基材的表面張力，這樣才能達(dá)到較好的潤濕作用。表面張力分為靜態(tài)表面張力（EST，equilibrium surface tension）和動(dòng)態(tài)表面張力（DST，dynamic surface tension）。靜態(tài)表面張力是指液體在靜態(tài)或接近靜態(tài)的條件下測(cè)得的表面張力。但是，在木器涂料的施工過程中，尤其是使用有氣噴涂的涂覆方式時(shí)，涂料與空氣、涂料與基材之間的界面面積在不斷發(fā)生變化，這是一種高速動(dòng)態(tài)的過程。在這類有著快速界面變化的動(dòng)態(tài)條件下測(cè)得的表面張力，被稱為動(dòng)態(tài)表面張力。此時(shí)，有著較低動(dòng)態(tài)表面張力的表面活性劑才能夠起到有效的潤濕作用，該類表面活性劑能夠在體系中迅速遷移，從而消除由于潤濕不良導(dǎo)致的漆膜缺陷。

空氣化工的表面活性劑Surfynol?和DynolTM系列產(chǎn)品是基于雙子（Gemini）技術(shù)的高效多功能表面活性劑。Surfynol?多功能添加劑主要包括Surfynol 104系列、Surfynol 400系列和Surfynol AD01等，同時(shí)具有潤濕和消泡功能。DynolTM高效潤濕劑主要包括Dynol 604/607、Dynol 800/810、Dynol 960/980和Dynol 360，具有優(yōu)異的靜態(tài)潤濕和動(dòng)態(tài)潤濕作用。其中，Dynol 960/980是新推出的有機(jī)硅類表面活性劑，設(shè)計(jì)用于難潤濕基材的配方體系，相比于傳統(tǒng)型有機(jī)硅類表面活性劑，該產(chǎn)品能同時(shí)降低靜態(tài)表面張力和動(dòng)態(tài)表面張力，并具有低泡特性，提高了相容性，不會(huì)產(chǎn)生重涂等問題。

圖2給出了空氣化工的表面活性劑和市場上常用的3種聚醚改性硅氧烷表面活性劑（Siloxane 1～3）在水中的動(dòng)靜態(tài)表面張力結(jié)果。由圖2可見：空氣化工的表面活性劑能同時(shí)降低靜態(tài)和動(dòng)態(tài)表面張力，較聚醚改性硅氧烷表面活性劑具有更優(yōu)異的表面張力，能更好地完成對(duì)基材的潤濕和鋪展。

圖2 不同表面活性劑的靜態(tài)/動(dòng)態(tài)表面張力對(duì)比（0.1%的水溶液）Figure 2 EST/DST of different surfactants（0.1wt% in water）

1.2 雙子型表面活性劑的泡沫控制

在木器涂料配方設(shè)計(jì)過程中，除了要考慮涂料的保護(hù)作用以外，對(duì)涂料的裝飾功能，如涂膜的平整性、光澤度、入孔性等也有著很高的要求。為了應(yīng)對(duì)這些要求，需要在配方中加入潤濕劑、分散劑、流平劑和增稠劑等多種添加劑，這些添加劑大多屬于表面活性劑，會(huì)產(chǎn)生大量泡沫，并具有穩(wěn)泡作用。圖3解釋了由非離子表面活性劑的空間位阻效應(yīng)導(dǎo)致氣泡穩(wěn)定的機(jī)理。當(dāng)氣泡上升到氣液界面時(shí)，兩層氣液界面之間的液體介質(zhì)由于重力作用向下流動(dòng)，液膜開始變薄，相互靠近的兩氣液界面上的表面活性劑分子發(fā)生相互作用，常規(guī)的線性表面活性劑（如聚醚改性硅氧烷）具有較長的親水基團(tuán)，兩氣液界面因?yàn)榻缑嫔系拈L鏈親水基團(tuán)間的空間位阻限制了泡膜的變薄和破裂。因此，必須添加消泡劑來進(jìn)行消泡，于是又產(chǎn)生了由于使用消泡劑而引起的兼容性、重涂性、外觀（縮孔、光澤等）缺陷等問題。

圖3 空間位阻效應(yīng)產(chǎn)生的穩(wěn)泡現(xiàn)象Figure 3 Foam stabilization from steric hindrance effect

炔二醇類表面活性劑是非離子的ABA結(jié)構(gòu)表面活性劑，親水端小而緊湊。這種緊湊型分子結(jié)構(gòu)不僅不會(huì)有穩(wěn)泡效果，而且賦予了雙子型表面活性劑一定的破泡和脫泡功能。潤濕和控泡作用兼而有之，可以有效平衡表面張力降低、泡沫控制之間的矛盾，從而簡化了木器涂料的配方，減少了由于表面活性劑引入導(dǎo)致的相關(guān)負(fù)面影響。

表面活性劑的穩(wěn)泡性對(duì)比見圖4。由圖4可見：Surfynol 104DPM、Surfynol AD01和Dynol 360可以提供優(yōu)異的無（低）泡潤濕，Dynol 607和Dynol 980初始泡沫雖然稍高，但消泡迅速；而聚醚改性聚硅氧烷潤濕劑泡沫較高，并不易消去。

圖4 表面活性劑的穩(wěn)泡性對(duì)比（表面活性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%，樹脂體系Craymul 2455，測(cè)試體系無消泡劑）Figure 4 The comparison of foam stability of different surfactants（dosage of surfactant was 3wt%，resin system was Craymul 2455，no defoamer was added in test system）

2 空氣化工產(chǎn)品在水性木器涂料中的應(yīng)用

表面活性劑產(chǎn)品在水性涂料中能幫助體系有效地降低表面張力，并有效平衡配方中各組分間的表面張力差異，促使涂料在底材或底漆上的潤濕滲透，提高涂料的均勻覆蓋性，它應(yīng)具有良好的抗縮孔性和流平效果，同時(shí)具有優(yōu)異的兼容性，不影響涂膜的透明性和光澤，也不影響重涂性。空氣化工的絕大多數(shù)表面活性劑產(chǎn)品都不含VOC（揮發(fā)性有機(jī)化合物）、溶劑、有害空氣污染物（HAPs）或烷基酚聚氧乙烯醚（APE）。產(chǎn)品具有出色的動(dòng)靜態(tài)潤濕性和完美的泡沫控制能力，兼容性好，特別適用于水性涂料體系。

2.1 多功能添加劑

Surfynol 104和Surfynol AD01是具有動(dòng)態(tài)潤濕與泡沫控制等多項(xiàng)功能的非離子表面活性劑，是消泡型的潤濕劑。在多孔性基材上幫助涂料快速滲透、良好鋪展，并改善涂料對(duì)基材的附著力，避免火山口、針眼等潤濕缺陷的形成。Surfynol 104和Surfynol AD01的HLB值（親水疏水平衡值）較低，疏水性強(qiáng)，耐水性優(yōu)異。Surfynol 104是蠟狀固體，使用不方便，一般需要加溶劑稀釋，如Surfynol 104 DPM中含有50%的二丙二醇甲醚。相對(duì)于Surfynol 104，Surfynol AD01為液體表面活性劑，使用方便，100%活性成分，不含溶劑。

2.2 高效潤濕劑

Dynol 607和Dynol 800是基于雙子表面活性劑技術(shù)的高效潤濕劑，具有更低的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)表面張力。相對(duì)于傳統(tǒng)的有機(jī)硅類和氟碳類表面活性劑，Dynol系列高效潤濕劑非常穩(wěn)定，不產(chǎn)生氣泡、不穩(wěn)泡、不影響水敏性、重涂性以及層間附著力，是水性木器涂料的最佳選擇。

Dynol 980是基于獨(dú)特分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的硅氧烷類高效潤濕劑，提供極低的靜態(tài)表面張力和較低的動(dòng)態(tài)表面張力。此外，Dynol 980還有助于改善水性配方的流動(dòng)性和流平性。Dynol 980專門設(shè)計(jì)用于難潤濕基材，尤其適用于水性木器涂料體系。

Dynol 360是有助成膜作用的高效潤濕劑，有著更低的氣泡，在體系中可以迅速遷移從而快速高效地降低表面張力，對(duì)深木紋的基材尤為重要。能使施工后的漆膜在表干前迅速潤濕基材的毛細(xì)纖維，從而深度潤濕鬃眼，增強(qiáng)潤濕鋪展效果和漆膜流平性。Dynol 360還可以有效降低乳液的最低成膜溫度，改善低溫成膜性，避免使用大量的揮發(fā)性成膜助劑，大大減少涂料中的VOC（揮發(fā)性有機(jī)化合物）排放（圖5）。

圖5 Dynol 360有效改善乳液的低溫成膜性（成膜條件：1.7℃，相對(duì)濕度50%）Figure 5 Dynol 360 effectively improved the low temperature film formation of the emulsion（film formation conditions：1.7℃，relative humidity 50%）

不同表面活性劑的效果（預(yù)防厚邊、防止縮邊、流平和入孔性）匯總見圖6。

2.3 消泡劑

水性涂料在生產(chǎn)和施工過程中常會(huì)遇到起泡問題，消泡劑的選擇就成了配方設(shè)計(jì)的重要組成部分。對(duì)于水性木器涂料來說，消泡劑的選擇一般基于以下四個(gè)方面：

圖6 不同表面活性劑的性能評(píng)估（表面活性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3%，樹脂Craymul 2173）Figure 6 Performance evaluation of different surfactants（dosage was 1.3wt%，resin was Craymul 2173）

（1） 找到消泡性和相容性之間的平衡點(diǎn)，既能消泡，又不會(huì)導(dǎo)致縮孔等缺陷；

（2） 根據(jù)施工條件和方法合理選擇消泡劑；

（3） 消泡和脫泡效果的優(yōu)化；

（4） 持久的消泡性能，這一點(diǎn)在木器涂料DIY（do it yourself）市場尤其重要。

涂料中的消泡劑從其功能來看，主要分為抑泡劑、破泡劑和脫泡劑。抑泡劑的主要作用是抑制水性涂料在外力的作用下產(chǎn)生泡沫，比如在高速分散、剪切或者噴涂等過程中，抑制氣泡的產(chǎn)生；破泡劑的主要作用是對(duì)已經(jīng)生成的泡沫膜進(jìn)行侵入散布，并破壞氣泡液膜的黏彈性，使之破裂；脫泡劑主要是針對(duì)體系中的微小氣泡，使相鄰的泡沫互相聚集合并，體積變大，最終在液體表面破除。經(jīng)過對(duì)消泡機(jī)理的研究發(fā)現(xiàn)，常規(guī)意義上的任何一種消泡劑都會(huì)具有其中一種或多種效果，根據(jù)配方體系的PVC（顏料體積濃度）、黏度、施工方式等因素的變化，其抑泡、破泡和脫泡的功效也會(huì)出現(xiàn)巨大的變化。

傳統(tǒng)的礦物油類消泡劑和有機(jī)硅類消泡劑依賴其與體系不兼容的微液滴達(dá)到消泡效果。而雙子型表面活性劑是以其與體系的兼容性，在分子層面上取代穩(wěn)泡物質(zhì)，發(fā)揮消泡作用，故一般被稱為分子級(jí)消泡劑。分子級(jí)消泡劑在脫泡方面尤其有效果，不易產(chǎn)生缺陷，有著優(yōu)異的長效性。

水性木器涂料追求較高的視覺效果，涂料體系對(duì)傳統(tǒng)消泡劑容忍性差，如果消泡劑使用不當(dāng)，會(huì)影響涂料體系的兼容穩(wěn)定性，涂膜容易出現(xiàn)縮孔，或者消泡劑在涂膜干燥時(shí)滲出，降低涂膜表面光澤，影響涂層間附著力等等。分子級(jí)消泡劑不含有機(jī)硅和礦物油，易于添加，消泡效果持久，不會(huì)產(chǎn)生由于不相容而導(dǎo)致的表面缺陷。

Surfynol MD-20、Surfynol AD01、Surfynol DF110和Surfynol 104分子級(jí)消泡劑是基于雙子表面活性劑技術(shù)而開發(fā)的。它們兼具泡沫控制和動(dòng)態(tài)潤濕的雙重功效，可以在最大限度地避免表面瑕疵的同時(shí)降低添加劑的總量。該類消泡劑適用于pH為3～13和較寬的溫度范圍。

Airase 5100～5700是有機(jī)硅類消泡劑，消泡性依次減弱，相容性依次提高。Airase 5100設(shè)計(jì)用于需要強(qiáng)消泡劑的應(yīng)用以及不容易產(chǎn)生縮孔的配方中。Airase 5700能平衡消泡性和相容性。Airase SSDL系列消泡劑提供了一個(gè)寬范圍的選擇，并提供了一定的可預(yù)測(cè)性。為水性木器涂料消泡劑的選擇提供了良好的解決方案。不同消泡劑的消泡效果見圖7。Siloxane 1和Siloxane 2是水性涂料市場中常見的有機(jī)硅類消泡劑，Siloxane 3是水性涂料市場中常見的有機(jī)硅類脫泡劑。

圖7 消泡劑的消泡效果（消泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%，樹脂NeoCryl XK 12）Figure 7 Defoaming results of different defoamer（dosage was 0.2wt%，resin was NeoCryl XK 12）

由圖7可見：有機(jī)硅類消泡劑有著良好的消泡效果，Airase 5200、Airase 5400、Airase 5600的消泡效果依次減弱，但是其相容性卻依次增強(qiáng)。其中Airase 5600的消泡性和相容性達(dá)到了良好的平衡。另外，Surfynol 104 DPM和Surfynol MD-20的消泡性也要好于Siloxane 3脫泡劑，它們都有著良好的相容性。

3 結(jié)語

空氣化工的Surfynol?和DynolTM系列產(chǎn)品是基于雙子（Gemini）技術(shù)的高效多功能表面活性劑。該類產(chǎn)品有著較低的靜態(tài)表面張力和動(dòng)態(tài)表面張力，既可提供無缺陷潤濕，又能夠提供良好的泡沫控制，大大提高了水性木器涂料的綜合性能。

空氣化工的分子級(jí)消泡劑產(chǎn)品不含有機(jī)硅和礦物油，與體系高度兼容，易于添加，消泡效果持久，不會(huì)產(chǎn)生由于相容性問題而導(dǎo)致的表面缺陷和重涂問題。該類消泡劑既有突出的消泡功效，同時(shí)又幫助體系潤濕，為水性木器涂料的配方簡化提供了可能。

空氣化工的AiraseTM、SSDLTM系列有機(jī)硅類消泡劑提供了一個(gè)寬范圍的選擇，并提供了一定的可預(yù)測(cè)性。它們最大程度地兼顧了消泡效果和與水性體系的相容性，取得了很好的平衡。

值得一提的是，以上這些產(chǎn)品均不含烷基酚乙氧基醚（APE），同時(shí)它們還擁有不同類別的FDA（美國食品和藥品管理局）認(rèn)證，更好地滿足了發(fā)展綠色環(huán)保水性木器涂料的市場需求。

Abstract：The application performances of different kinds of surfactants in waterborne wood coatings were evaluated. And their respective characteristics were analyzed.

Key Words：waterborne wood coatings；gemini surfactant；wetting agent；defoamer

The Application of Surfactant in Waterborne Wood Coatings

Tian Xin1，Weng Renxiu2，Chen Jinwei2
（1.Nippon Paint（Shanghai）Co.，Ltd.，Shanghai，201201，China；2.Air Products and Chemicals（China）Investment Co.，Ltd.，Shanghai，201203，China）

TQ 630.4

A

1009-1696（2017）04-0015-05

2017-01-29

田昕（1970—），男，博士，立邦工業(yè)涂料（上海）有限公司技術(shù)開發(fā)總監(jiān)，主要負(fù)責(zé)公司工業(yè)涂料事業(yè)群的戰(zhàn)略、開發(fā)、實(shí)施和管理工作。