學習 | 溶劑的分類與性質

一、什麼是溶劑?

任何一種具有可溶化其他物質能力的液體,且能生成均勻的溶液,均可稱為“溶劑”,水也是一種溶劑,隻是溶解的對象與有機溶劑不同而已;而有機溶劑狹義的說是液體把固體溶解,成為其它結構,並無改變成其它新物質的液體。

目前油墨及塗料的溶劑,一般都是揮發性的有機溶劑;其主要功能是控制與調節塗料粘度,即在溶解塗膜形成時給與適當的粘度。溶劑選用和加入量的適當與否,會影響塗料的流動性、幹燥速度。

二、溶劑的性質

1. 溶解力

溶解力是指溶劑能把成膜物質溶解分散的能力,能使成膜物質均勻的分散在溶劑中而形成穩定的溶液。溶劑的溶解力與塗膜形成物的種類有關;溶解的規則是極性樹脂需要極性溶劑(如醇類、酯類、酮類);非極性脂肪族碳氫化合物能溶解塗料油(如油性清漆、長油性醇酸樹脂)。因此,正確選擇溶劑必須瞭解與每種成膜物質相應的溶劑品種,否則會造成混濁、沉淀、析出、失光甚至報廢。

2.溶劑的作用

溶劑的主要功能是溶解與稀釋固體或高粘度的成膜物質(樹脂與油類),使其能容易地塗飾於工件表面,並使它流平而形成平整連續均勻的薄膜。

溶劑的品種和數量在很大程度上決定瞭液體塗料的許多性能,如粘度、幹燥速度、毒性、氣味、易燃、易爆等;需要謹慎選擇與調配溶劑。

3.溶劑的揮發速度

揮發速度是指溶劑從塗層中揮發到空氣中的速度。其決定塗層處於流體狀態的時間長短。影響溶劑揮發速度的因素很多,關系最大的是溶劑的沸點。溶劑揮發速度同溶劑的沸點大致成正比。

三、溶劑的分類

溶劑一般可就其沸點、極性、化學組成、用途、溶解力強弱及蒸發速度等來分類。

1.按沸點分類

沸點低於100℃的稱為 “低沸點溶劑”,如丙酮、乙醇、醋酸乙酯、苯、甲乙酮等;有利於防止濕塗層的流掛,其揮發快、易幹燥、粘度低,通常具有揮發氣味。

沸點在100℃~150℃之間的稱為“中沸點溶劑”,如甲苯、二甲苯、醋酸丁酯、甲異丁酮、丁酯等,其揮發速度適中,在塗層中繼低沸點的溶劑揮發後,有利於塗層的流平形成致密的漆膜,在工業中廣泛使用。

沸點在150℃~200℃的如環己酮、醋酸戊酯、乙二醇丁基醚、環己醇、松節油等稱作“高沸點溶劑”,揮發較慢,在塗層中最後揮發,既有利於流平,也能防止揮發型漆因潮濕和低溫造成的塗層變白等。

增塑劑:此種溶劑較少用於溶解上,多用於添加劑上,如可塑劑、軟化劑等,沸點在300℃以上,幾乎沒有蒸發性,用於改變高分子的硬度,不可多加,以免不幹。

2.按化學組成分類

碳氫溶劑:此類以脂肪族及芳香族為主,脂肪族有可分為直鏈的石蠟族碳氫化合物;芳香族溶劑是以苯為核心,苯、甲苯、二甲苯應用極廣。

含氧溶劑:此類溶劑由於碳氫二元素外,含有氧元素,故溶解力較強,如酒精、丙酮、醋酸乙酯等。

3.按極性分類

是按其是否導電而分類的,所謂的能導電的稱為“極性溶劑”;例如:醇類、酯類、酮類等,而其它導電性有強弱大小不同。

4.按蒸發速度分類(此分類以醋酸丁酯(BAC)為基準,在室溫下比較)

快幹型:較BAC快3倍以上;

中幹溶劑:較BAC快1.5倍以上;

慢幹溶劑:其揮發速度介於醋酸丁酯(BAC)和戊醇之間者;

極慢幹溶劑:如環己酮、二乙二醇醚等。

5.按溶解力分類

真溶劑:又稱“活性溶劑”,對某具體樹脂來說能夠單獨溶解者;例如對硝化棉能真正溶解的酯、醚、酮類溶劑。

助溶劑:又稱“潛溶劑”,單獨使用時無實際溶解能力的,但當與真溶劑並用則可增加溶解力的溶劑;如醇類。

稀釋劑:本身無真正溶解溶質作用,但在某些溶劑中調整粘度以利於作業者;一般塗裝使用的塗料稀釋劑稱為“香蕉水”(天那水),如苯類。

一般混合溶劑中真溶劑、助劑與稀釋劑的比例約為35:15:50,而低、中、高沸點溶劑的比例約為25:65:10。

四、常用溶劑的種類與性質

1.脂肪烴類溶劑

脂肪烴類溶劑的化學組成主要是鏈狀碳氫化合物,系石油分餾產物。

①石油醚是石油的低沸點餾分,為低級烷烴類的混合物;現在塗料中用的較少。

② 200#油漆溶劑油是由含C4~C11的烷烴、烯烴、環烷烴和少量芳香烴組成的混合物,主要成分是戊烷、己烷、庚烷和辛烷等。由原油直接蒸餾制得的直餾汽油基本不含烯烴,通過裂化而得的汽油則含有相當的烯烴,做溶劑使用的汽油要求不含裂化餾分和四乙基鉛。

200#油漆溶劑油是溶劑汽油中的一種,其沸程范圍為145℃~200℃。因開始是代替松節油使用,故歷史上稱為“松香水”,在國外稱“礦油精”。

2.芳香烴類溶劑

芳香烴類溶劑是目前工業中用量最大的一種,根據來源分為焦化芳烴和石油芳烴兩大類。焦化芳烴系由煤焦油分餾而得,石油芳烴系由石油產品經鉑重整油、催化裂化油及甲苯岐化油精餾而得。

①苯(BENZE)可與大多數有機溶劑相混溶。在塗料中主要用途是和醋酸丁酯、丙酮和丁醇配合使用,作為硝基漆稀釋劑。

②甲苯(TOL)可與多種有機溶劑混合。揮發速度是二甲苯的3倍,故很少作為溶劑使用,主要是混合溶劑中的組分之一。

③二甲苯(XL)常用字的是鄰、間、對位二甲苯三種異構體的任何一種都不適合單獨作為溶劑在塗料中使用。工業混合二甲苯系無色透明液體,具有芳香烴特有的氣味,有時會發出微弱的熒光。

塗料工業中常用無水二甲苯,其不溶於水,可與乙醇、乙醚、芳香烴和脂肪烴溶劑混溶。溶解力強、揮發速度適中,是目前用量最大的一種溶劑。

③溶劑石腦油為無色或淺黃色液體,系煤焦輕油分餾所得的焦化芳香烴類混合物。沸程為120℃~200℃,主要有甲苯、二甲苯異構體、乙苯、異丙苯等組成。

④高沸點芳香烴溶劑,石油芳烴的重芳烴是提取C8餾分以後,餘下的C9、C10等高沸點餾分的混合物。其開始稱“重芳烴”為代替二甲苯用,後發現特殊價值,進一步分出不同餾分,可延伸沸點,溶解和揮發速度特優,是我國塗料工業使用較多的進口產品。

其優點主要是芳香烴,在塗膜幹燥、溶劑揮發的全過程都有高度溶解力;故使塗膜無結皮現象,並具有光澤;可與二甲苯混合,提高揮發速率;也可與200號溶劑汽油混合,提高溶解力;閃點較高,較安全。

3.萜烯類溶劑

來源於松樹,是較早的溶劑;常用松節油、雙戊烯。

4.醇類溶劑

醇、酮、酯、醇醚這四類溶劑常常被稱為“含氧溶劑”;即分子中含有氧原子的溶劑。溶解范圍寬,可溶解多數樹脂,常與其他溶劑混合使用。

乙醇(ETHONL),俗稱“酒精”,常與其他溶劑混合配制,作為稀釋劑。

異丙醇(IBA),溶解力和揮發速率與乙醇接近,嗅味強烈;主要用於硝基纖維素和醋酸纖維塗料的助溶劑。

正丁醇(NBA)無色透明液體,有特殊的芳香氣味,能與醇、醚、苯等多種有機溶劑混溶。正丁醇與二甲苯的混合溶劑廣泛用於氨基烘漆和環氧樹脂漆中;正丁醇是硝基纖維樹脂的助溶劑,由於其沸點較高,揮發較慢,故有“防白作用”;其弊端是粘度較大。

5.酮類溶劑

酮類溶劑是另一類含氧溶劑。

①丙酮(ACT),是沸點低,揮發速率快的強溶劑,是揮發性塗料的良好溶劑。由於其快速揮發的冷卻作用,能引起空氣中水蒸氣在塗膜表面的冷凝,而導致塗膜表面結霜發白,故常和能其防白作用的低揮發醇類和醇醚類溶劑共同使用。

②甲乙酮(MEK)—溶解力和丙酮差不多,但揮發速率較慢,是硝基纖維素、丙烯酸樹脂、乙烯樹脂、環氧樹脂、聚氨酯樹脂常用的溶劑之一。

③甲基異丁基酮(MIBK)比甲乙酮揮發還要慢,溶解力強,性能良好,常和其他溶劑混合使用。

④環己酮(CHK)是一種強溶劑,揮發速度較慢,對多種樹脂有優良的溶解力,主要用於聚氨酯、環氧樹脂、乙烯樹脂塗料;可提高漆膜附著力,並使漆膜平整美觀。

⑤異佛爾酮(IP)—是一種淡黃色的液體,有類似樟腦氣味,具有較高的沸點,很低的吸濕性,較慢的揮發速度和較好的溶解力,能與大部分有機溶劑和多種硝基纖維素塗料混溶。

⑥二丙酮醇—為無色無味的透明液體,常用配制靜電稀釋劑。

6.酯類溶劑

酯類溶劑也是含氧溶劑的一種。塗料中常用的酯類溶劑大多數都是醋酸酯,也有少量有機酸的酯類。此類溶劑中CAC是PU塗料的極其重要的溶劑(PU慢幹水)。

①醋酸乙酯(EAC)是無色透明液體,有水果香味,能與大多數有機溶劑混溶,能溶解植物油、甘油松香酯、硝化纖維素、氯乙烯樹脂及聚苯乙烯樹脂等,在塗料中可以用作硝化纖維素、乙基纖維素、聚丙烯酸樹脂及聚氨酯樹脂的溶劑。

②醋酸正丁酯(BAC)—系無色液體,有水果香味,難溶於水,也較難水解,能與醇、醚等一般有機溶劑混溶;對植物油、甘油松香酯、聚醋酸乙烯樹脂、聚丙烯酸樹脂、氯化橡膠等有良好的溶解能力,是硝基纖維素塗料、聚丙烯酸酯塗料、氯化橡膠塗料、聚氨酯塗料中常用的溶劑。

③醋酸異丁酯(IBAC)—與BAC性質類似,但閃點比較低,為17.8℃。

④高碳醇醋酸酯—是醋酸己酯、醋酸庚酯、醋酸葵酯三種高碳醇的醋酸酯,作為高沸點的酯類溶劑,它既有含氧溶劑的較高的溶解能力,又保持有烴類溶劑的性質。

現有將醋酸己酯用於對潮氣敏感的各種氣幹型塗料中,其較慢的揮發速度可有效地減少塗膜的“發白”傾向,同時其自身又有一定的揮發速度,可以快幹,在硝基纖維素塗料、雙組分聚氨酯塗料及揮發型丙烯酸樹脂漆中具有獨特的優勢。

7.醇醚及醚酯類溶劑

①乙二醇乙醚—又稱為甘醇乙醚或乙醇溶劑纖劑,為無色液體,有溫和的香味屬於“劇毒”類。能與水、醇、醚、丙酮等多種溶劑混溶,是水性塗料的很好的助溶劑。

②乙二醇丁醚又稱甘醇丁醚或丁基溶劑纖劑,為無色液體,唯有香味;能溶解於丙酮、苯、乙醚、甲醇等有機溶劑,是硝化纖維素塗料的優良溶劑,並可起防白作用。在大多數塗料中使用,可起防皺、防霧,提高塗膜流動性和光澤的作用;是水性漆的良好助溶劑。

③乙二醇乙醚醋酸酯——又稱甘醇乙醚醋酸酯、乙基溶纖劑醋酸酯或醋酸-2-乙氧基乙酯,為無色液體,微有芳香味。由於其分子結構中含有醚和酯的結構,能與多種溶劑相混合,具有高溶解力,可溶解油脂、松香、氯化橡膠、硝基纖維素、醇酸樹脂、酚醛樹脂等等多種塗料產品。其揮發速度較慢,利於塗膜流平,使塗膜均勻,光澤附著力提高;在水性塗料中常用於助溶劑。

④丙二醇醚類溶劑——包括丙二醇甲醚、丙二醇乙醚、丙二醇丁醚及其酯類。其化學性質與乙二醇醚類溶劑相似,但是毒性低的多,國外目前正逐步用其代替乙二醇醚類溶劑。

丙二醇醚類溶劑具有溶解能力強、揮發性慢的性質,可以提高塗膜的流平性、光澤和豐滿度,克服某些塗膜常見的病態,是硝化纖維素塗料、氨基醇酸塗料、丙烯酸樹脂塗料、環氧樹脂塗料的良好溶劑;因與水可以任意比例混溶,也是水性塗料最佳助溶劑及成膜助劑。

⑤二乙二醇醚類溶劑——此類溶劑一般沸點較高,常在制漆中添加,用於改善刷塗性、流平性以及塗膜層間附著力;很少用於二次調解粘度和稀釋,在此不多介紹。

8.常用溶劑的沸點與揮發速度

總 結

通過上述分析可以得出:溶劑作為塗料的重要組成成分,在塗裝成膜中具有不可代替的作用,選擇和加入量是否合理將直接影響塗膜質量。

目前,因為塗裝的環境和基材的差異性較大,傢具塗裝國內外研究中還沒有通用定量的實驗;但應遵循以下原則

設計塗裝工藝時應預先註意溶液在已知濃度中的粘度,防止加入樹脂中到某一定量時樹脂發生沉淀現象;即確定稀釋極限。

溶劑的揮發性會影響蒸發速率,蒸發速率將影響樹脂的流動性和流平性,即影響成膜質量;其與塗裝的方式關系極大,其中噴塗蒸發速率最大,刷塗次之,淋塗、浸塗依次減小;因此在加入時應根據塗裝方式進行選擇,一般來講,沸程寬溶劑的適應范圍較廣。

溶劑的蒸汽已經確定為空氣的污染物來源之一,但因目前尚無法完全取代,應該根據溶劑毒性之大小,在溶解力、作用差異不大的情況下盡量選用毒性較小的溶劑(特別是清洗用的稀釋劑);一般毒性由大到小依次為:第一類,苯、氯化烯、三氯甲烷等;第二類,酮類、醇類、酯類、甲苯、二甲苯等;第三類,汽油、石油精、松節油、礦油精等。

溶劑的閃點是當火焰在液體表面蒸汽上,可點燃的最低溫度,是發生火災的可能指示;選用時必須充分考慮,並在工藝規程中明確規定處理方法。

成熟的工廠應建立完善的當地氣候記錄和施工記錄以及病例檔案,包括溫度、濕度、變化范圍等,積累基礎資料,便於獲得更加科學的實驗數據,根據變化制定合理的溶劑使用工藝規程。

總之,塗裝中塗膜的許多缺陷是由溶劑的選擇和使用不當造成的,同時工廠火災的隱患與忽視溶劑、溶劑廢棄物、沉積物的管理有關,根本上的原因是由於對使用的溶劑性質和用途不十分瞭解造成的。因此,對溶劑的慎重選擇將是保證獲得高品質的產品和安全生產的基礎。

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