涂料中溶剂的挥发
一、湿态挥发
涂料施工后,在初始湿膜状态下混合溶剂的挥发速度主要受各溶剂挥发性能的影响,挥发速度与纯溶剂时近似,可查阅各种溶剂的相对挥发速率文献参考。随着溶剂的挥发,涂层的粘度愈来愈大,溶剂的挥发速度逐渐变慢,湿态挥发趋于结束。溶剂的湿态挥发速率与四个变量的密切相关:温度、蒸气压、表面积和体积之比、以及流过表面的空气流速;水性涂料以水作为挥发性组分,相对湿度也是具有重要影响的变量。在高温高湿环境下,自干型涂料所采用的低沸点/高蒸发潜热溶剂会快速挥发,使涂层表面温度急剧下降达到露点温度以下,水汽凝结成小滴渗入漆膜中,使涂层表面发白、失光。而喷涂施工较浸涂施工时的溶剂挥发速率更快,是因为喷涂雾化的漆雾颗粒表面积与体积比很大,各溶剂更容易逃逸; 这就是为什么有时不同的施工方法需要添加不同的稀释剂或选择不同稀释比例的原因。在水性工业涂料配方中一般同时存在水和乙二醇单丁醚,在低湿度时,水的挥发速率比乙二醇单丁醚要高得多;而在高湿度如100%时,水的挥发速率为0,而乙二醇单丁醚的相对挥发速率仍为0.08没有变化。因此,喷涂水性涂料,在低湿度时流平性很好,而防流挂性不好;在高湿度时,抗流挂好,但流平性不好。对此,可酌情调整溶剂以求适应,即在高湿度施时要用挥发速度慢的溶剂;而在低湿度施工时,为跟上水的挥发速度,可采用挥发速度快的溶剂。

二、半干态/干态挥发
此阶段涂层处于触干、压干状态,涂层中溶剂的挥发速度不再是由表面溶剂的挥发所控制,溶剂的挥发主要由溶剂在涂层中扩散速度所决定,此时溶剂的挥发速度与膜厚的平方成反比。溶剂的挥发由第一阶段向第二阶段转化因涂料类型不同而异,一般认为发生在固体含量达到60-80%以上。也有认为当溶剂挥发到只剩10%~20%时,即转化为第二阶段。扩散速度主要由可利用的自由体积所控制,溶剂分子通过涂膜由一个自由体积空穴跳跃到另一个自由体积空穴,而控制自由体积的最重要因素是(T-Tg),当溶剂的挥发发生在树脂的Tg以上温度时,扩散速度不限制溶剂的挥发速度;当溶剂的挥发发生在树脂的Tg以下温度时,溶剂的挥发被溶剂在涂层内的扩散速度控制。随着溶剂进一步挥发,树脂溶液的浓度增大,Tg增加,扩散速度进一步减慢。如树脂的Tg远高于涂膜的温度,则溶剂的挥发速度趋于零,这样即使成膜数年后,涂膜内仍含有少量残留的溶剂,条件许可时可采用在Tg以上温度烘干以完全除去溶剂。据宜家公司的长期跟测,快干如硝基涂层在放置50年后尚且可以检测到微量的二甲苯,说明溶剂在干涂层中的扩散实际上是一个极缓慢的过程,当然这个也与二甲苯溶剂在醇酸树脂中的保留能力和相容/相溶作用相关。如同太阳光子是在太阳内核通过核聚变产生,但它要逃逸到太阳表面因有无数高密度质子吸收和阻挡,要经历10多万年的曲折远征,才能到达太阳表面并实现真正的“光速自由”--我们已知,太阳表面的光到达地球仅需8分多钟。
在聚氨酯清漆及其稀释剂中如添加过量的三甲苯,施工后实干将变慢、会利于高温高湿环境施工,但其透明干膜很可能在数月后出现发白问题,此种发白与前述漆膜表面发白本质上不同,这是因为其干膜初始反应固化尚未充分,残留的多量的三甲苯还有相容空间,随着聚氨酯干膜反应固化深入,三甲苯变得无法相容而使透明干膜逐渐丧失透明性、以致发白。近年来干膜中溶剂的释放越来越受到关注,虽然相关基础研究较少,但相关应用研究很多、尤其是在安全健康环保及测试方面。
例如Total Volatile Organic Compounds,简称TVOC,是总挥发有机化合物,涂层是TVOC的主要来源之一;国家颁布的《民用建筑工程室内环境污染控制标准》(GB 50325-2020)规定住宅的TVOC应小于等于0.45mg/m3。研究好TVOC控制技术,对开发干膜超净味聚氨酯PU木器家具漆及超净味墙面漆十分有益。Semi-Volatile Organic Compounds,简称SVOC,按世卫组织(WHO)的分类原则,是指沸点在240~400℃范围内的有机物,在常温下可以在气态和颗粒物中同时存在,而且随着温度变化在两相中的比例会发生改变;SVOC是在所处环境的正常温度和压力下,能自然蒸发,但是与VOC相比,蒸发速率较慢的有机液体或固体。SVOC主要包括邻苯二甲酸酯类、短链氯化石蜡、二噁英类、多环芳烃、有机农药类、氯代苯类、多氯联苯类、吡啶类、喹啉类、硝基苯类、亚硝基胺类、苯胺类、苯酚类、多氯萘类和多溴联苯类等化合物。ISO/TC35 色漆和清漆技术委员会在修订11890-2:2020《色漆和清漆挥发性有机化合物(VOC)和/或半挥发性有机化合物(SVOC)含量的测定第2 部分:气相色谱法》时增加了SVOC的测定,其主要原因是国际上控制SVOC 的呼声越来越高,其具有难降解、强吸附性、生物毒性等特性,常存在于室内、车内,对人体健康具有持久性危害。其龟速迁移、缓慢蒸发、毒若蛇蝎的本性,值得我们深入研究环保化替代技术。掌握好溶剂挥发迁移的规律,对开发溶剂型涂料以及水性涂料配方均关系重大。
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