FC-4430在水性木器漆中的应用
    摘 要：水性木器漆的发展顺应降低油漆中的有机物的释放量（VOC）的需要，但是水性木器漆作为一个水油两相体系，存在表面张力不平衡的问题，需要添加一些表面活性剂来改善表面流平性。本文简单描述了常见水性木器漆的分类和组分，并重点介绍了FC-4430对于改善涂料的流平和润湿性的原理，以及在木器漆成膜过程中和成膜后的作用。
关键词：FC-4430 水性木器漆 VOC 非离子表面活性剂

随着科技的发展，人们对油漆的环保性提出了越来越高的要求，降低VOC的释放量，生产水性的木器漆正顺应了这一发展趋势。但水的表面张力为73达因/厘米，而普通溶剂仅为40达因/厘米左右，如何提高水性油漆的流平性、润湿性，改善涂膜的表面效果成为配方设计者首当其冲要解决的问题。
1、VOC介绍
1999年，国家环保总局发布了水性涂料环境标志产品技术要求，明确提出了VOC、重金属和甲醛等含量的具体要求。所谓VOC（Volatile Organic Compound），是指可挥发的有机物的释放量，对于VOC的定义，各国都有自己的标准。我国主要是有两个标准，即国标（GB18582-2001）和环标（HBC12-2002）。这两个标准虽然对VOC在文字描述上有所不同，但是基本上都是规定涂料中总的挥发物扣除水分的含量后，即挥发性有机化合物。
目前对VOC最为关注的就是其所导致的光化学污染，通常我们用IR值来衡量每单位数量有机化合物在阳光照射的条件下，产生臭氧的相对尺度，由单位gO3/gVOC值来表示。油性木器漆中常用的溶剂：二甲苯IR值为7.37gO3/g，甲苯IR值为3.97gO3/g。故开发水性木器漆，大量减少木器漆中有机物的释放量（VOC）成为环保的必然趋势。
2、水性木器漆的分类及作用
水性木器漆通常分为水性腻子、水性封底漆、水性面漆。我们通常所说的水性木器漆是指水性面漆。面漆是涂覆在封底漆上，起装饰、保护木材的重要作用。根据面漆的颜色可分为清漆和着色漆，根据面漆涂膜的光泽度又可分为高光、半光和哑光几类。
由于面漆涂在木材的最外层，起装饰、保护的作用。从装饰的角度来看，需要涂膜表面平整无缺陷，丰满度高，光泽适宜。从保护的角度来看，需要漆膜硬度高，抗划伤，耐水耐油耐生活污渍。
3、FC-4430简介
氟是元素周期表中电负性最强的元素，碳氢键上的氢被氟取代后，键能增加16.5kcal／mol（碳氢键能为99.6kcal/mol，氟碳键能为116kcal/mol）。由于氟元素电负性高、范德华半径小，碳氟键键能强，同时氟元子很难再被一共价键的方式极化，所以氟素表面活性剂有化学性能稳定、相容性好、防水、防油以及防污性好等特点。
FC-4430是一种非离子聚合型氟素表面活性剂，它在极低的添加浓度下能显著降低溶液的表面张力，表1为FC-4430在不同溶液中降低表面张力数据，由数据可知，在水性体系中，添加量为0.1%时，就能把表面张力降低到21达因/厘米。
溶剂/树脂 0% 0.1% 0.2% 0.50%
蒸馏水 73 21 21 22
ARCOL LG-56  33 30 28 23
二丁基邻苯二甲酸脂 34 33 32 31
脂肪族环氧树脂（UVR-6110，UC）  46 38 36 23
双酚A型环氧树脂（828-RS）  45 33 29 17

表1 表面张力（dynes/cm）@ % FC-4430 于溶剂/树脂
表2为FC-4430典型重量损失百分比所需加热温度，由此可知，在250℃左右其挥发率低于10%， VOC值低，可作为一种环保型的表面活性剂用在水性木器漆中。
表2FC-4430在不同温度下重量损失百分比
 5% 10% 50% 80% 90% 95%
FC-4430 195 255 305 330 355 405
注：10毫克样品在空气中以5℃/分的升温速率加热
4、FC-4430提高水性木器漆的流平润湿性
油漆要形成良好的涂膜，必须同时具备足够低的表面张力和连续的可预见的表面张力，即需要有双重效应。水性木器漆作为油漆的一种，同样也不例外。
油漆在底材表面能否分散，我们常常从固体（底材）表面能、液体（油漆）表面能和固液界面能三者之间的差来探讨。当差值大于零时，分散就可以发生，反之就不能分散，会出现流平上的一系列问题。由于底材的表面能是固定的，我们无法改变，所以只能从降低油漆表面能和固液界面能来着手。
油漆的表面能我们常用表面张力来表观。水性木器漆中60-70%左右是水，水的表面张力在70达因/厘米，相对值很大。一般水性木器漆中所选用的树脂通常有丙烯酸乳液、丙烯酸分散体、聚氨酯分散体以及丙烯酸/聚氨酯混合物等，通过乳化法使之稳定分散到水中，形成相对稳定体系，故水性木器漆为水油两相体系，所以表面张力比较大，流平性差、对底材的润湿效果不好。
降低油漆的表面张力，可以通过选择合适的树脂和改善油漆表面组分来解决。通常来讲，水性醇酸树脂、聚氨酯分散体的流平性和润湿性要优于丙烯酸乳液或分散体。所以如果在表面能较低的底材上使用的话，树脂我们通常会选择醇酸树脂或聚氨酯分散体。另外，通过选择合适的表面活性剂，也可以很大程度上降低油漆的表面张力。表3为随机选择的某一水性木器漆体系通过添加不同表面活性剂后降低表面张力的数据。
表3  FC-4430降低表面张力的对照表
表面活性剂 表面张力（达因/厘米）
HC表面活性剂（1%） 30左右
有机硅表面活性剂（0.5%） 27-28
FC-4430（0.1%） 21
 
  通过添加FC-4430，降低油漆表面张力，改善油漆的流平和润湿性，同时氟碳链对油污和毛细孔的渗透性强，可以提高木器漆的附着力，避免漆膜表面有刷痕、缩孔、流挂的现象。
另外，油漆在涂膜后干燥过程中，随着水和溶剂的挥发，会出现水平面和垂直面上的张力差，此时倘如油漆不能提供连续可预见的张力，这时涂膜就会有暗孔，严重的会有裂纹现象，俗称橘皮，我们把这类现象统称为贝纳尔德漩涡现象。4430作为助剂，由于氟碳链具有自动修复的功能，可以提供可持续的张力，减少涂膜外观上的差异性。
5、FC-4430用于改善水性木器漆的防污性能
水性木器漆使用在门窗、家具、地板等地方，通常对其耐水耐油和耐生活污渍提出了较高的要求。所谓防水防油防污是指水油等不易粘附在涂层表面，或即使附在表面也粘附不牢，容易脱落，使漆膜保持洁净。
众所周知，氟碳链有机氟化合物的极低表面能，具有强烈的憎水憎油性，常常又来改善涂料表面特征，是涂料具有防水防油防污的特性。其极低的表面能来自于ＣＦ3—、—ＣＦ2Ｈ、—ＣＦ2—等基团，在ＣＦ3ＣＨ2ＣＨ2—的末端只含有一个ＣＦ3—基团时也能发挥重要作用，而ＣＦ3ＣＦ2ＣＦ2—的全氟烷基化合物的作用则更为明显， 从表4（表示该项的数值越大、效果越好）可以看出，即使具有一个ＣＦ3—基团，化合物也表现出较好的拒水性；随着氟碳链长度的增加，ＣＦ3—的取向性增加，拒油性迅速提高。
表4. 有机氟化合物分子结构与防水性、防油性之间的关系
ＲＦ 防油性* 防水性
ＣＦ3 0 50
Ｃ2Ｆ5 ６0 70
Ｃ3Ｆ7 ９0 70
Ｃ5Ｆ11 100 70

非离子聚合型氟素表面活性剂FC-4430一端是氟代烷基结构，另一端为环氧乙基结构，在油漆固化后，氟碳链能有规则的排布在涂层表面，使油漆具有极低的表面能，同时降低表面的摩擦系数。
6、结论
FC-4430作为一种表面活性剂，在水性木器漆中，能降低油漆的表面张力，同时在油漆固化的动态过程中，能提供可持续的表面张力，提高成膜质量，避免橘皮、火山口、缩孔等现象的发生。另外在油漆固化后，能提高油漆的耐水耐油性。使水性木器漆提高一个档次。