第三節　溶劑

溶劑是溶解基料（樹脂部分）和改善涂料粘度的揮發性液體。

助溶劑是本身不能溶解所用的基料，但在一定數量范圍內與溶劑（真溶劑）混合使用，可以提供一定程度的溶解能力，并可影響涂料的其它性能。  e.g. 二甲苯對中、高分子量環氧樹脂是助溶劑。

稀釋劑是不能溶解所用的基料，也無助溶作用，但在一定數量范圍內，可以與真溶劑及助溶劑混合使用，起到稀釋作用同時達到降低成本的目的。  e.g. 乳膠漆中的水；

選擇涂料溶劑應考慮的因素：對基料的溶解性。蒸發速率。價格。毒性及氣味。

一、溶劑對基料的溶解性

1. 相似相溶

甲苯、二甲苯溶解烴類樹脂；  酯類、酮類溶解含氧樹脂

2. 溶解度參數

Hildebrand提出：溶解度參數匹配則溶解。

溶解度參數定義：內聚能密度的平方根。即

ΔE₁、ΔE₂分別代表每摩爾溶劑與聚合物的內聚能；

V₁、V₂分別代表溶劑與聚合物的摩爾體積。

從熱力學觀點看，對于一個溶解過程是否能自動進行，主要看其混合自由能是否減小，即ΔG_M＜0

∵ ΔG_M＝ΔH_M－TΔS_M

而

N₁、N₂為溶劑與聚合物的摩爾分數。

ΔS_M為混合熵，在溶解過程中，總是增大的，即ΔS_M＞0；如果要ΔG_M小，則要求盡量小，所以δ₁−δ₂應盡量小。

對于高聚物和有機溶劑的非極性分子體系，當δ₁−δ₂<1.3~1.8時，就可以估計為能夠溶解。

e.g.1 已知PS_t的δ＝8.5~9.3，能否溶于丁酮。在苯、甲苯及氯仿中可否溶解？

答：丁酮δ＝9.3；；小于1.3~1.8  ∴可溶

苯、甲苯及氯仿的δ₁分別為9.2、8.9和9.7，δ₁−δ₂的差值的絕對值分別為0.2、0.5和0.3，小于1.3~1.8，∴可溶。

e.g.2 已知天然橡膠的δ₂平均值為8.2，正已烷的δ₁為7.3，可以很好地溶解天然橡膠，但若加入適量的甲醇可以使其溶解增強，試求甲醇的最佳加入量是多少？

答：設甲醇所占的體積分數為X，甲醇的δ₁為14.6；混合溶劑的溶解度參數為：δ_m＝14.6X+7.3(1－X)

欲使此混合溶劑對天然橡膠有最大的溶解能力，混合溶劑和天然橡膠的溶解度參數最好是相同，即δ_m＝8.2，代入上式得：8.2＝14.6X+7.3(1－X)

解些方程得X＝0.125，即在正已烷中加入12.5%的甲醇（體積），所得的混合溶劑對天然橡膠的溶解力最強。

3. 溶解度參數和氫鍵力

Hildebrand的推導是限于非極性分子混合時無熱或吸熱的體系，對于強極性分子構成的體系，因為有氫鍵形成，則該推導結果就不甚合適了，美國Burrell在1955年將上述原則予以完善，使涂料工作者能對不同類型的體系較合理地判斷某一聚合物的溶解能力。他提出對每一種液體有兩個因數（或參數）與液體的溶解能力有關。第一個因素是液體的氫鍵力。根據氫鍵力的強弱，Burrell將溶劑定量地分成3組：

第一組：弱氫鍵（烴類、氯化烷烴，硝基化烷烴）；第二組：中氫鍵（酮類，酯類，醚類和醇醚類）

第三組：強氫鍵（醇類和水）

設想以氫鍵程度表征平均值來定量氫鍵力，依其設定，弱氫鍵力平均值為0.3，中氫鍵力平均值為1.0，強氫鍵力平均值為1.7。且混合溶劑的氫鍵力的表征平均值，可以用下式計算：

混合溶劑的氫鍵力表征平均值＝φ₁A+φ₂B+…式中

φ₁，φ₂為溶劑A，B在混合溶劑中的體積分數；B為溶劑A，B的氫鍵力表征平均值。

根據Burrell提出的方法，當判斷一種樹脂在一種溶劑中是否溶解時，首先要確認該樹脂和溶劑的氫鍵力大小的等級，然后依據樹脂和溶劑在相同氫鍵等級內的δ大小是否相近的原則，來判斷該樹脂在該溶劑中是否溶解。這樣就將分子極性及氫鍵力對溶解性的影響考慮在內了。

e.g.1 E-20環氧樹脂為中等氫鍵溶解度參數，δ_m為8~13，可溶于中等氫鍵溶解度參數的溶劑中，如醋酸正丁酯（δ_m＝8.5），丙酮（δ_m＝9.9），乙二醇單丁醚（δ_m＝9.5）。但不能溶于強氫鍵的醇類中，如正丁醇（δ_s＝11.4）和弱氫鍵的烴類溶劑中，如二甲苯（δ_p＝8.8）。能否溶于70%二甲苯＋30%正丁醇的混合溶劑中？

解：混合溶劑的氫鍵力＝(0.7×0.3)+(0.3×1.7)＝0.8，屬于中等氫鍵力范圍。

混合溶劑的溶解度參數δ_M＝(0.7×8.8)+(0.3×11.4)＝10.5

由計算結果可知，E－20環氧樹脂和該混合溶劑屬同一氫鍵等級，而溶解度參數又相近，故E－20環氧樹脂可以溶于該混合溶劑中。

將氫鍵力和溶解度參數結合起來考慮的方法，預測的準確程度可以提高到95%。

二、溶劑的蒸發速率

一個好的涂料配方，溶劑的揮發速率不能太快，也不能太慢，兩者之間必須取得平衡。

如果溶劑揮太快，那么涂膜既不會流平，也不會對基材有足夠的濕潤，因而不能產生很好的附著力。揮發過于迅速的溶劑，還會導致由于迅速冷卻而使濕膜表面的水蒸汽冷卻而造成涂膜表面發白，嚴重者甚至影響正常噴涂成膜。

如果溶劑揮發太慢，不僅會延緩干燥時間，同時涂膜會流掛而變得很薄。如果溶劑組成在揮發過程中發生不理想的變化，就會產生樹脂的沉淀和涂膜的缺陷，因此溶劑的揮發速率是影響色漆施工質量及涂膜質量的一個重要因素。

所以我們在設計色漆配方時，在選擇溶劑時要根據施工方法、氣候和環境選擇揮發速率適宜的溶劑或混合溶劑。

對于混合溶劑還要注意保持“溶劑平衡”，溶劑平衡是指涂料在成膜過程中，混合溶劑的各組份揮發速率要與溶劑組成保持對應。

在溶劑配方中，不僅要考慮最初的揮發速率，也要考慮中間和最終的速率，以利流平，防止流掛、條痕、桔皮、縮邊等漆膜弊病的出現。

對于錘紋漆、皺紋漆的施工，控制溶劑的揮發更是影響成敗的關鍵。

1. 溶劑揮發性的表達

(1)曾用沸點高低來說明揮發的快慢，但會出現很大偏差。如

(2)相對蒸發速率

即選定某一溶劑為標準（習慣上常選乙酸正丁酯，也有用乙醚的），把它的蒸發速率定為1。則溶劑的相對蒸發速率定義為：

t₉₀指在規定條件下，蒸發溶劑之量為90%所需的時間。之所以要采用蒸發溶劑總量的90%所需的時間，是為了避免蒸發過程中因溶劑與底材間相互作用而造成誤差。

舉例：環氧樹脂的溶劑一般是70%二甲苯+30%正丁醇

配制混合溶劑時，希望各組分相對揮發速率要與溶劑組成保持對應。如果溶解能力強的溶劑組分比其它組分揮發得快，則在干燥后期樹脂可能析出，涂膜表面產生顆粒。

三、溶劑的粘度

在涂料工業中我們不僅關心樹脂能否溶解在溶劑中形成均勻的溶液，同時也關心所形成的樹脂溶液粘度，即希望相同濃度（或固體份）的樹脂溶液粘度越低越好。這樣當達到相同的施工粘度時，漆液的固化含量較高，從而使施工效率提高，而揮發到大氣中的溶劑量少，對環境的污染較輕。

溶劑通常是以如下兩種方式影響著樹脂溶液的粘度：

   溶劑對高分子樹脂的溶解力；   溶劑自身的粘度

前者的作用為人們所普遍認識，而后者的作用往往為人們所忽視

對于高聚物的濃溶液（涂料工業所用樹脂溶液均為此類型），溶劑的溶解力越強，所形成的樹脂溶液的粘度越低。

驚人的事實中：往往被人們所忽視的是，溶劑自身的粘度對樹脂溶液的粘度影響十分顯著，溶劑自身粘度相差不大于1mp·s時，會使樹脂溶液的粘度相差幾百甚至上千個mp·s。

因此，我們在配制任何一種涂料用樹脂溶液（漆料）或色漆產品時，為使其粘度能滿足預定的要求指標，在選擇溶劑時，除了選擇溶解力好的溶劑外，還要同時注意選擇粘度較低的溶劑，這樣才有利于獲得高固體低粘度的樹脂溶液或色漆產品。

四、溶劑的表面張力

所謂“表面張力”應用于液體時指的是在液相和氣相之間形成一個單位面積表面所需要的功�；蛘叨�義為，在液體表面上垂直作用于單位長度線段上的表面緊縮力。

所以表面張力的因次以J•M-2或N•M-1來表示。

在涂料中“表面張力”是個重要的指標，低表面張力的漆料和低表面張力的色漆漆液無疑是有益的，表現在以下幾個方面：

1、低表面張力的樹脂溶液（漆料），有利于對顏料的濕潤，便于顏料在漆料中分散，提高色漆制造時的研磨分散效率，并有利于漆漿的穩定。

2、低表面張力的色漆漆液有利于涂膜對底材的濕潤，因此便于涂膜的流平和提高涂膜對底材的附著力。

3、高固體份的涂料的表面張力對其噴涂時霧化性能的影響比涂料粘度的影響更為重要。低表面張力的色漆漆液容易霧化，從而易于獲得滿意的涂膜。

4、某些漆膜病態也與漆液表面張力有關，如陷穴、縮孔和鏡框效應（Picture  Tramins）等。降低漆液的表面張力，可以使上述漆膜病態得到緩解。

降低漆料和色漆漆液表面張力也是色漆配方設計時需要關注的一個重要問題。

而色漆配方組成中的成膜物的表面張力都比較高，一般在32—61mN/m,而各類溶劑的表面張力相對比較低。

因此，在色漆配方中盡量選用低表面張力的溶劑是降低漆料和色漆漆液的一條重要途徑。

五、涂料工業常用溶劑舉例

1. 烴類溶劑

(1)溶劑汽油。主要成份烷烴（芳香烴約15~18%）。200號溶劑汽油的蒸餾范圍：145~200℃.

揮發速度慢，可溶解大多數天然樹脂、油性樹脂和中長油度醇酸。

(2)甲苯。揮發較快，用于硝基漆、氣干型乙烯基樹脂漆，作氯化橡膠涂料混合溶劑組分。

(3)二甲苯。中等蒸發速率，廣泛用于醇酸、乙烯基樹脂。氯化橡膠及PU涂料中。

2. 醇類和醚類溶劑

(1)乙醇：用于蟲膠清漆、PVB樹脂、硝基漆的混合溶劑

(2)正丁醇：蒸發速率低，用于氨基樹脂、聚乙酸乙烯酯、丙烯酸樹脂，也用于硝基漆的助溶劑。

(3)乙二醇單乙醚：揮發慢，常加到施工配方中改進施工性能。

(4) 乙二醇單丁醚：揮發更慢，還用于乳膠漆作成膜助劑。近來發現乙二醇的這類衍生物毒性太大，其代用品是丙二醇的單醚或醚酯。

3. 酯類、酮類溶劑

(1)丙酮：揮發快，溶解力強。各種乙烯共聚物和硝化纖維的溶劑，也可適量加入其他混合溶劑中，改善涂料及涂膜性能。

(2)甲乙酮(MEK)：揮發快，溶解力強，常與溶解力低的溶劑混合使用，改善成膜性、施工性，用于乙烯基共聚物、環氧樹脂、PU。

(3)乙酸乙酯：揮發快，溶解力低于酮，用于硝基漆，現在應用有擴大。

(4)乙酸丁酯：揮發中等，用于硝基漆、PU等。

4. 乙二醇乙醚乙酸酯：揮發慢，溶解力強，用于PU、乙烯基樹脂、乙基纖維素漆。