新一代氟素表面活性剂新一代氟素表面活性剂0许慧欣

新一代氟素表面活性剂,新一代氟素表面活性剂

新一代氟素表面活性剂 李兴明 ( 北京市天水科贸有限公司 , 100100) 　　王晓文 ( 3M 中国有限公司北京代表处 , 100004) 摘要 : 氟素表面活性剂具有独特的性质 , 其在涂料及其他领域有着广泛的应用。关键词 : 氟素表面活性剂 ; 双重效应 ; 应用技术 　　美国 3M 公司自 1952 年开始利用电解氟化法生产氟素表面活性剂和相关材料 , 至今已有半个世纪的历史 , 其许多产品业已成为现代工业及生活领域里的标准。今天 , 3M 公司有更专业、更科学的说法 : 应用电解法氟化学反应 ( ECF) , 可生成许多较短链度的模型分子经过实验和测试后 , 高氟化丁基 (PFB) 化学成分被选作表面活性剂的技术架构分子 ( 四个碳的高氟化物族 ) 。 “ 我们调查使用更短链度的氟化物 , 例如高氟化甲基和高氟化乙基 ” , Larry 博士称 , “ 但发现它们不能提供工业要求的性能。只有高氟化丁基的半族能达到高性能、低毒性及环境可接受的最佳平衡。 ” 与此同时 , 氟素表面活性剂 FC -4430 和 FC -4432 能够有效解决其他表面活性剂解决不了的问题 , 为优质涂料的生产提供了保障 , 为技术的创新提供了原材料。而且 , 添加量较低 , 只相当于其他表面活性剂的 1 % ～ 10 % , 成本可被控制在理想的范围内。1 　涂料的双重效应技术 什么是涂料的双重效应 ? 是指形成良好涂膜的关键 , 是涂料要有足够低的表面张力和连续的可预见的表面张力 , 这两方面缺一不可。 例如 : 水的表面张力约为 72dyn/ cm 2 , 以水为介质的涂料在塑料板或带有润滑剂的卷材上 , 会积聚成很小的微珠 , 这是因为涂料不具有足够低的表面张力。再例如 : 某些环氧树脂、三聚氰胺、丙烯酸树脂、聚酯、醇酸树脂等材料对 PC 板或未打磨的马口铁涂装时 , 会出现难看的裂纹 , 一般称之为橘皮。这是因为涂料不具有连续的可预见的表面张力。 足够低的表面张力是指涂料的表面张力要求比基材的表面张力小 , 一直小到基材的表面张力与涂料表面张力之差值约为 10 以上。这就可以保障涂料对基材浸润和铺展。 连续的可预见的表面张力是指涂料在由液相转为固相的动态过程中 , 涂料的表面张力一直可靠的得以维持 , 只有这样才可避免或减少表面张力的梯度 , 以减少涂布外观的差异性。1 . 1 　表面活性剂 要解决浸润与流平问题 , 需要添加表面活性剂。 一般人说的表面活性剂 , 泛指物质可以在很低的添加浓度下 , 降低液体的表面能量 , 通常是一种有机化合物 , 其组成为一端可溶性及另一端不可溶性。并且依化学结构不同分为三大类型 : 碳氢化合物 , 硅化合物 , 氟化合物。 在降低表面张力能力的效果上 , 依次为氟化合物 > 硅化合物 > 碳氢化合物。 然而涂料科学家不建议大量使用碳氢化合物和硅化合物。因为大量的表面活性剂会给涂料的耐久性、耐水性、附着能力和 VOC 带来不可弥补的负面影响 , 况且在某些对涂料品质要求较高的领域 , 它们又无法胜任。因此氟化合物即成为最可首选的产品。 1 . 2 　氟素表面活性剂 氟是所有元素中电负性最大 , 而范德华原子半 径又是除氢以外最小 , 并且原子极化率又最低的元素。氟原子形成的单键比碳原子与其他元素原子形成的单键键能都大 , 而键长较短。因此氟素表面活性剂的 F -C 链非常牢固 , 很难以共价键的均裂方式断裂分解。另外 , 在同类化合物中氟碳的离子型异裂解离反应所需能量也是最大的。 因此氟素表面活性剂受到高热、强化学试剂刺激时 , 仍具有很高的活性。 在试验 3M 的氟素表面活性剂时 , 我们会惊讶地发现 , 它给涂料带来的双重效应和最终实际 , 正是业界专家多年来冥想的效果 ( 如 : 优良的附着 , 真实的流平 , 逼真的色彩 , 环境的友好 ) 。 2 　前沿的应用技术 化学工程师和材料学家在对新产品性能的分析时 , 除了对其应用效能进行评估以外 , 最优先考虑的问题就是新产品的负面影响。诸如 : 重涂性 , 储存稳定 , 泡沫以及挥发等。 2 . 1 　特点 ① 被 3M 称作下一代氟素表面活性剂的 FC -4430 以及 FC -4432 没有重涂问题 , 或是在任何配方体系里 , 无论在任何的成膜条件下 , 都不会发生第二次或多次涂装之间的咬底和粘附不良等现象。 ② FC -4430 以及 FC -4432 本身含有短链的惰性氟素聚合物 , 在正常的储存条件下 , 不会发生沉淀现象和变质。当添加到涂料中 , 也不存在析出。这是在许多相对应的活性剂里的比较优势。 ③ 氟素表面活性剂是非离子材料 , 因此不会产生相间的泡沫。而且使用一些消泡剂在 24h 内就能够消除泡沫。 ④ 氟素表面活性剂 FC -4430 以及 FC -4432 有着很高的热稳定性 , 沸点是 200 ℃ 。在实际生产中 , 一般认为固化温度最好控制在助剂的沸点附近 , 或者以下最好。因此 , 它们在十分苛刻的环境里应用也是容许。 2 . 2 　应用范围 新一代氟素表面活性剂在润湿及流平方面有着非常优秀的效果 , 既可以配合油漆使用 , 也可以配合水性涂料使用 , 成为涂料领域不可或缺的材料。 ① 应用到水性木器漆中的氟素表面活性剂与丙烯酸树酯和聚氨酯都有良好的相容性 , 只需添加到总量的 5 9 , 就可以达到最佳的流平性及润湿性。例如 : NeoResins 公司的 A -6099 、 R -941 、 John - son Polymers 的 J ONCR YL -537 、 1532 等产品与 FC -4430 或 FC -4432 有着良好的协调 , 既减少了配方的复杂性和难以操控 , 又提高了流平、浸润质量 , 同时还节约了成本。 ② 在水基的铝粉 150 ℃ 烘烤漆当中 , 添加总量的万分之 5 的氟素表面活性剂 , 对颜料的定向排列和流动性都有好处。 ③ 因为 Coil coating 的金属板材的表面比较复杂 , 或许存在油污、灰尘 , 或许因使用有机硅化合物造成挥发性的积聚和点状污染。在欧、美及日本市场上的优质品 , 都倾向选择氟素表面活性剂来解决涂料的表面缺陷。有资料表明 , 在聚酯体系里 , 添加总量的万分之 3 或以上 , 根据树脂对热的承受能力 , 这些涂料可以在 400 ℉ 条件下固化 10min -15min , 也可以在 500 ℉ 条件下固化 90s 左右。可得到预想的流平。 ④ 由于塑料越来越多的被应用于各种领域 , 对塑料涂料的要求也越来越高。 Bayer 公司的水性双组分聚氨酯树脂 Bayhydrol 有大量的例证证明 FC -170C ( FC -4430 或 FC -4432) 在促进附着 , 增加流平等方面有良好的表现。然而添加量仅仅为总量的 1 ‰ 左右。 ⑤ 在 BASF , Akzo -nobel , PP G , Nippon paints , Sherwin -Williams , Valspar 等世界著名的汽车漆生产企业 , 氟素表面活性剂 FC -4430 或 FC -4432 得到了较高的评价和确认。这些用户认为 FC -4430 或 FC -4432 有良好的润湿性且不存在重涂问题 , 良好的流平与流动性 , 帮助金属粉定向且不影响光泽。 ⑥ 无论成膜材料使用的是乳胶 , 分散体或者是水还原性树脂 , 还是无溶剂或者溶剂性树脂。只需添加 0 . 01 % ( 起始浓度 ) 的氟素表面活性剂 , 就可以有效地提高防浮色 , 发花和储存稳定性。 ⑦ 非离子氟素表面活性剂对颜、填料的分散和润湿非常有效 , 并且有着较低的发泡性。这有利于加工工艺对机器的适应。例如 : 在对钛白粉的研磨过程中 , 非离子氟素表面活性剂配合碳氢类表面活性剂使用 , 用量相当于碳氢类表面活性剂的 1 % , 要达到所需的粒径 , 时间可缩短 1/ 5 。这对超细粒子的作业 , 很有益处。 ⑧ FC -4430 可改善涂层间的粘合性 , 增强附着能力。为了减少核材料铀被潮气腐蚀 , 并且阻抗 各种辐射源。人们开发了以氟碳共聚物 KEL - F800 为主要成分的保护涂层。但是部件间的粘接很成问题 , 一是 KEL-F/ 铀界面不能破坏 , 二是氟碳共聚物 KEL-F 本身性质必须保存。在一种表面活性剂、三种偶联剂和两种表面处理剂当中 , 只有 FC -430 完全达到标准 , 并且符合实际的工程生产。 ⑨ FC -4430 对环境的友好同时也表现在成品涂料的 VOC 计算上 , 在一个环保的乳胶涂料中 , 这种表面活性剂作为助润湿剂以十万分之一为单位添加 , 以减低整体表面张力来平衡整个液 / 固相之间的张力的方式 , 优化碳氢化合物类分散剂、润湿剂及有机硅类消泡剂的效率。因此 VOC 是忽略的。 3 　结束语 3M 对下一代氟素表面活性剂的定义 , 因为其 FC -4430 或 FC -4432 是基于对环境保护和人类健康的双重角度而设计开发的。既保证了在高新技术迅猛发展的条件下生物的良性发展 , 又满足了工业领域对于润湿及流平的更高级别的追求。 总的说来 , 这种氟素表面活性剂的性能十分优异的。根据用户评价 , 即使在恶劣的条件下 , 使用这种氟素表面活性剂也可获得优异的流平性、润湿性及增强流动性 , 当这种氟素表面活性剂应用于汽车工业及航空工业的超光滑涂层和应用于工业保养产品如木材 , 金属和塑料等的超级涂层时 , 均可获得很好的平滑性。

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