表面活性剂在水性木器涂料中的应用

田 昕，翁仁秀，陈进伟

（1.立邦工业涂料（上海）有限公司，上海 201201；2.空气化工产品（中国）投资有限公司，上海 201203）

表面活性剂在水性木器涂料中的应用

田 昕1，翁仁秀2，陈进伟2

（1.立邦工业涂料（上海）有限公司，上海 201201；2.空气化工产品（中国）投资有限公司，上海 201203）

评估了不同种类的表面活性剂在水性木器涂料中的应用性能，并分析了其各自的特点。

水性木器涂料；双子型表面活性剂；润湿剂；消泡剂

0 引言

水性木器涂料以水为分散介质，由于水的高表面张力与高蒸发潜热，使得水性涂料除了在干燥速度、对木纤维的溶胀方面与溶剂型涂料不同之外，在涂料配制以及实际涂装过程中更易出现润湿不佳、流平不好、缩孔、针孔和缩边等问题。在其配方体系中，水性表面活性剂的使用必不可少。由于在实际涂装过程中，既有刷涂等低动态过程，也有喷涂等高动态过程，这就需要表面活性剂同时具有较低的静态表面张力和动态表面张力。此外，表面活性剂还要有较好的相容性，不易起泡和稳泡，对产品的综合性能不产生负面影响。只有通过对表面活性剂进行综合性能评估，才能保证配方的最佳性能。

本研究分析讨论了表面活性剂在水性木器涂料典型配方中的应用。评估了空气化工表面活性剂产品以及其他市售表面活性剂产品在水性木器涂料中的性能，为木器漆生产厂商对于表面活性剂的选择和应用提供支持与帮助。

1 双子型表面活性剂的化学结构和性能

目前，水性木器涂料中比较常见的传统型表面活性剂，如聚醚改性硅氧烷等，均为线性AB型结构（A为亲水基团，B为疏水基团），有很强的稳泡倾向，而气泡是影响产品品质和漆膜外观的主要缺陷之一。

双子型表面活性剂是一种新型表面活性剂，基于通过桥键关联在一起的两个相同的双亲分子，如图1所示，此类表面活性剂一般具有较高的表面活性，在降低表面张力方面效果非常突出。空气化工的炔二醇是其中一类典型的双子型表面活性剂，紧凑型的ABA结构使得其能在体系中更自由地迁移，从而可以更加快速地降低体系的表面张力。

图1 双子型表面活性剂的结构示意图Figure 1 The scheme of structure of gemini surfactant

1.1 双子型表面活性剂的动、静态表面活性

在实际应用中，液体的表面张力要低于基材的表面张力，这样才能达到较好的润湿作用。表面张力分为静态表面张力（EST，equilibrium surface tension）和动态表面张力（DST，dynamic surface tension）。静态表面张力是指液体在静态或接近静态的条件下测得的表面张力。但是，在木器涂料的施工过程中，尤其是使用有气喷涂的涂覆方式时，涂料与空气、涂料与基材之间的界面面积在不断发生变化，这是一种高速动态的过程。在这类有着快速界面变化的动态条件下测得的表面张力，被称为动态表面张力。此时，有着较低动态表面张力的表面活性剂才能够起到有效的润湿作用，该类表面活性剂能够在体系中迅速迁移，从而消除由于润湿不良导致的漆膜缺陷。

空气化工的表面活性剂Surfynol®和DynolTM系列产品是基于双子（Gemini）技术的高效多功能表面活性剂。Surfynol®多功能添加剂主要包括Surfynol 104系列、Surfynol 400系列和Surfynol AD01等，同时具有润湿和消泡功能。DynolTM高效润湿剂主要包括Dynol 604/607、Dynol 800/810、Dynol 960/980和Dynol 360，具有优异的静态润湿和动态润湿作用。其中，Dynol 960/980是新推出的有机硅类表面活性剂，设计用于难润湿基材的配方体系，相比于传统型有机硅类表面活性剂，该产品能同时降低静态表面张力和动态表面张力，并具有低泡特性，提高了相容性，不会产生重涂等问题。

图2给出了空气化工的表面活性剂和市场上常用的3种聚醚改性硅氧烷表面活性剂（Siloxane 1～3）在水中的动静态表面张力结果。由图2可见：空气化工的表面活性剂能同时降低静态和动态表面张力，较聚醚改性硅氧烷表面活性剂具有更优异的表面张力，能更好地完成对基材的润湿和铺展。

图2 不同表面活性剂的静态/动态表面张力对比（0.1%的水溶液）Figure 2 EST/DST of different surfactants（0.1wt% in water）

1.2 双子型表面活性剂的泡沫控制

在木器涂料配方设计过程中，除了要考虑涂料的保护作用以外，对涂料的装饰功能，如涂膜的平整性、光泽度、入孔性等也有着很高的要求。为了应对这些要求，需要在配方中加入润湿剂、分散剂、流平剂和增稠剂等多种添加剂，这些添加剂大多属于表面活性剂，会产生大量泡沫，并具有稳泡作用。图3解释了由非离子表面活性剂的空间位阻效应导致气泡稳定的机理。当气泡上升到气液界面时，两层气液界面之间的液体介质由于重力作用向下流动，液膜开始变薄，相互靠近的两气液界面上的表面活性剂分子发生相互作用，常规的线性表面活性剂（如聚醚改性硅氧烷）具有较长的亲水基团，两气液界面因为界面上的长链亲水基团间的空间位阻限制了泡膜的变薄和破裂。因此，必须添加消泡剂来进行消泡，于是又产生了由于使用消泡剂而引起的兼容性、重涂性、外观（缩孔、光泽等）缺陷等问题。

图3 空间位阻效应产生的稳泡现象Figure 3 Foam stabilization from steric hindrance effect

炔二醇类表面活性剂是非离子的ABA结构表面活性剂，亲水端小而紧凑。这种紧凑型分子结构不仅不会有稳泡效果，而且赋予了双子型表面活性剂一定的破泡和脱泡功能。润湿和控泡作用兼而有之，可以有效平衡表面张力降低、泡沫控制之间的矛盾，从而简化了木器涂料的配方，减少了由于表面活性剂引入导致的相关负面影响。

表面活性剂的稳泡性对比见图4。由图4可见：Surfynol 104DPM、Surfynol AD01和Dynol 360可以提供优异的无（低）泡润湿，Dynol 607和Dynol 980初始泡沫虽然稍高，但消泡迅速；而聚醚改性聚硅氧烷润湿剂泡沫较高，并不易消去。

图4 表面活性剂的稳泡性对比（表面活性剂质量分数为0.3%，树脂体系Craymul 2455，测试体系无消泡剂）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 空气化工产品在水性木器涂料中的应用

表面活性剂产品在水性涂料中能帮助体系有效地降低表面张力，并有效平衡配方中各组分间的表面张力差异，促使涂料在底材或底漆上的润湿渗透，提高涂料的均匀覆盖性，它应具有良好的抗缩孔性和流平效果，同时具有优异的兼容性，不影响涂膜的透明性和光泽，也不影响重涂性。空气化工的绝大多数表面活性剂产品都不含VOC（挥发性有机化合物）、溶剂、有害空气污染物（HAPs）或烷基酚聚氧乙烯醚（APE）。产品具有出色的动静态润湿性和完美的泡沫控制能力，兼容性好，特别适用于水性涂料体系。

2.1 多功能添加剂

Surfynol 104和Surfynol AD01是具有动态润湿与泡沫控制等多项功能的非离子表面活性剂，是消泡型的润湿剂。在多孔性基材上帮助涂料快速渗透、良好铺展，并改善涂料对基材的附着力，避免火山口、针眼等润湿缺陷的形成。Surfynol 104和Surfynol AD01的HLB值（亲水疏水平衡值）较低，疏水性强，耐水性优异。Surfynol 104是蜡状固体，使用不方便，一般需要加溶剂稀释，如Surfynol 104 DPM中含有50%的二丙二醇甲醚。相对于Surfynol 104，Surfynol AD01为液体表面活性剂，使用方便，100%活性成分，不含溶剂。

2.2 高效润湿剂

Dynol 607和Dynol 800是基于双子表面活性剂技术的高效润湿剂，具有更低的动态和静态表面张力。相对于传统的有机硅类和氟碳类表面活性剂，Dynol系列高效润湿剂非常稳定，不产生气泡、不稳泡、不影响水敏性、重涂性以及层间附着力，是水性木器涂料的最佳选择。

Dynol 980是基于独特分子结构设计的硅氧烷类高效润湿剂，提供极低的静态表面张力和较低的动态表面张力。此外，Dynol 980还有助于改善水性配方的流动性和流平性。Dynol 980专门设计用于难润湿基材，尤其适用于水性木器涂料体系。

Dynol 360是有助成膜作用的高效润湿剂，有着更低的气泡，在体系中可以迅速迁移从而快速高效地降低表面张力，对深木纹的基材尤为重要。能使施工后的漆膜在表干前迅速润湿基材的毛细纤维，从而深度润湿鬃眼，增强润湿铺展效果和漆膜流平性。Dynol 360还可以有效降低乳液的最低成膜温度，改善低温成膜性，避免使用大量的挥发性成膜助剂，大大减少涂料中的VOC（挥发性有机化合物）排放（图5）。

图5 Dynol 360有效改善乳液的低温成膜性（成膜条件：1.7℃，相对湿度50%）Figure 5 Dynol 360 effectively improved the low temperature film formation of the emulsion（film formation conditions：1.7℃，relative humidity 50%）

不同表面活性剂的效果（预防厚边、防止缩边、流平和入孔性）汇总见图6。

2.3 消泡剂

水性涂料在生产和施工过程中常会遇到起泡问题，消泡剂的选择就成了配方设计的重要组成部分。对于水性木器涂料来说，消泡剂的选择一般基于以下四个方面：

图6 不同表面活性剂的性能评估（表面活性剂质量分数0.3%，树脂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间的平衡点，既能消泡，又不会导致缩孔等缺陷；

（2） 根据施工条件和方法合理选择消泡剂；

（3） 消泡和脱泡效果的优化；

（4） 持久的消泡性能，这一点在木器涂料DIY（do it yourself）市场尤其重要。

涂料中的消泡剂从其功能来看，主要分为抑泡剂、破泡剂和脱泡剂。抑泡剂的主要作用是抑制水性涂料在外力的作用下产生泡沫，比如在高速分散、剪切或者喷涂等过程中，抑制气泡的产生；破泡剂的主要作用是对已经生成的泡沫膜进行侵入散布，并破坏气泡液膜的黏弹性，使之破裂；脱泡剂主要是针对体系中的微小气泡，使相邻的泡沫互相聚集合并，体积变大，最终在液体表面破除。经过对消泡机理的研究发现，常规意义上的任何一种消泡剂都会具有其中一种或多种效果，根据配方体系的PVC（颜料体积浓度）、黏度、施工方式等因素的变化，其抑泡、破泡和脱泡的功效也会出现巨大的变化。

传统的矿物油类消泡剂和有机硅类消泡剂依赖其与体系不兼容的微液滴达到消泡效果。而双子型表面活性剂是以其与体系的兼容性，在分子层面上取代稳泡物质，发挥消泡作用，故一般被称为分子级消泡剂。分子级消泡剂在脱泡方面尤其有效果，不易产生缺陷，有着优异的长效性。

水性木器涂料追求较高的视觉效果，涂料体系对传统消泡剂容忍性差，如果消泡剂使用不当，会影响涂料体系的兼容稳定性，涂膜容易出现缩孔，或者消泡剂在涂膜干燥时渗出，降低涂膜表面光泽，影响涂层间附着力等等。分子级消泡剂不含有机硅和矿物油，易于添加，消泡效果持久，不会产生由于不相容而导致的表面缺陷。

Surfynol MD-20、Surfynol AD01、Surfynol DF110和Surfynol 104分子级消泡剂是基于双子表面活性剂技术而开发的。它们兼具泡沫控制和动态润湿的双重功效，可以在最大限度地避免表面瑕疵的同时降低添加剂的总量。该类消泡剂适用于pH为3～13和较宽的温度范围。

Airase 5100～5700是有机硅类消泡剂，消泡性依次减弱，相容性依次提高。Airase 5100设计用于需要强消泡剂的应用以及不容易产生缩孔的配方中。Airase 5700能平衡消泡性和相容性。Airase SSDL系列消泡剂提供了一个宽范围的选择，并提供了一定的可预测性。为水性木器涂料消泡剂的选择提供了良好的解决方案。不同消泡剂的消泡效果见图7。Siloxane 1和Siloxane 2是水性涂料市场中常见的有机硅类消泡剂，Siloxane 3是水性涂料市场中常见的有机硅类脱泡剂。

图7 消泡剂的消泡效果（消泡剂质量分数0.2%，树脂NeoCryl XK 12）Figure 7 Defoaming results of different defoamer（dosage was 0.2wt%，resin was NeoCryl XK 12）

由图7可见：有机硅类消泡剂有着良好的消泡效果，Airase 5200、Airase 5400、Airase 5600的消泡效果依次减弱，但是其相容性却依次增强。其中Airase 5600的消泡性和相容性达到了良好的平衡。另外，Surfynol 104 DPM和Surfynol MD-20的消泡性也要好于Siloxane 3脱泡剂，它们都有着良好的相容性。

3 结语

空气化工的Surfynol®和DynolTM系列产品是基于双子（Gemini）技术的高效多功能表面活性剂。该类产品有着较低的静态表面张力和动态表面张力，既可提供无缺陷润湿，又能够提供良好的泡沫控制，大大提高了水性木器涂料的综合性能。

空气化工的分子级消泡剂产品不含有机硅和矿物油，与体系高度兼容，易于添加，消泡效果持久，不会产生由于相容性问题而导致的表面缺陷和重涂问题。该类消泡剂既有突出的消泡功效，同时又帮助体系润湿，为水性木器涂料的配方简化提供了可能。

空气化工的AiraseTM、SSDLTM系列有机硅类消泡剂提供了一个宽范围的选择，并提供了一定的可预测性。它们最大程度地兼顾了消泡效果和与水性体系的相容性，取得了很好的平衡。

值得一提的是，以上这些产品均不含烷基酚乙氧基醚（APE），同时它们还拥有不同类别的FDA（美国食品和药品管理局）认证，更好地满足了发展绿色环保水性木器涂料的市场需求。

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，立邦工业涂料（上海）有限公司技术开发总监，主要负责公司工业涂料事业群的战略、开发、实施和管理工作。