关于涂料溶剂的一些小知识
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一、何为溶剂?
任何一种具有可溶化其他物质能力的液体,且能生成均匀的溶液,均可称为“溶剂”,水也是一种溶剂,只是溶解的对象与有机溶剂不同而已;而有机溶剂狭义的说是液体把固体溶解,成为其它结构,并无改变成其它新物质的液体。
目前油墨及涂料的溶剂,一般都是挥发性的有机溶剂;其主要功能是控制与调节涂料粘度,即在溶解涂膜形成时给与适当的粘度。溶剂选用和加入量的适当与否,会影响涂料的流动性、干燥速度。
1、溶剂的性质
① 溶解力
溶解力是指溶剂能把成膜物质溶解分散的能力,能使成膜物质均匀的分散在溶剂中而形成稳定的溶液。溶剂的溶解力与涂膜形成物的种类有关;溶解的规则是极性树脂需要极性溶剂(如醇类、酯类、酮类);非极性脂肪族碳氢化合物能溶解涂料油(如油性清漆、长油性醇酸树脂)。因此,正确选择溶剂必须了解与每种成膜物质相应的溶剂品种,否则会造成混浊、沉淀、析出、失光甚至报废。
②溶剂的作用
溶剂的主要功能是溶解与稀释固体或高粘度的成膜物质(树脂与油类),使其能容易地涂饰于工件表面,并使它流平而形成平整连续均匀的薄膜。
溶剂的品种和数量在很大程度上决定了液体涂料的许多性能,如粘度、干燥速度、毒性、气味、易燃、易爆等;需要谨慎选择与调配溶剂。
③溶剂的挥发速度
挥发速度是指溶剂从涂层中挥发到空气中的速度。其决定涂层处于流体状态的时间长短。影响溶剂挥发速度的因素很多,关系最大的是溶剂的沸点。溶剂挥发速度同溶剂的沸点大致成正比。
2、溶剂的分类
溶剂一般可就其沸点、极性、化学组成、用途、溶解力强弱及蒸发速度等来分类。
① 按沸点分类
沸点低于100℃的称为 “低沸点溶剂”,如丙酮、乙醇、醋酸乙酯、苯、甲乙酮等;有利于防止湿涂层的流挂,其挥发快、易干燥、粘度低,通常具有挥发气味。
沸点在100℃~150℃之间的称为“中沸点溶剂”,如甲苯、二甲苯、醋酸丁酯、甲异丁酮、丁酯等,其挥发速度适中,在涂层中继低沸点的溶剂挥发后,有利于涂层的流平形成致密的漆膜,在工业中广泛使用。
沸点在150℃~200℃的如环己酮、醋酸戊酯、乙二醇丁基醚、环己醇、松节油等称作“高沸点溶剂”,挥发较慢,在涂层中最后挥发,既有利于流平,也能防止挥发型漆因潮湿和低温造成的涂层变白等。
增塑剂:此种溶剂较少用于溶解上,多用于添加剂上,如可塑剂、软化剂等,沸点在300℃以上,几乎没有蒸发性,用于改变高分子的硬度,不可多加,以免不干。
② 按化学组成分类
碳氢溶剂:此类以脂肪族及芳香族为主,脂肪族有可分为直链的石蜡族碳氢化合物;芳香族溶剂是以苯为核心,苯、甲苯、二甲苯应用极广(表1)。
含氧溶剂:此类溶剂由于碳氢二元素外,含有氧元素,故溶解力较强,如酒精、丙酮、醋酸乙酯等(表2)。
③按极性分类
是按其是否导电而分类的,所谓的能导电的称为“极性溶剂”;例如:醇类、酯类、酮类等,而其它导电性有强弱大小不同。
④按蒸发速度分类(此分类以醋酸丁酯(BAC)为基准,在室温下比较)
快干型:较BAC快3倍以上;
中干溶剂:较BAC快1.5倍以上;
慢干溶剂:其挥发速度介于醋酸丁酯(BAC)和戊醇之间者;
极慢干溶剂:如环己酮、二乙二醇醚等。
⑤按溶解力分类
真溶剂:又称“活性溶剂”,对某具体树脂来说能够单独溶解者;例如对硝化棉能真正溶解的酯、醚、酮类溶剂。
助溶剂:又称“潜溶剂”,单独使用时无实际溶解能力的,但当与真溶剂并用则可增加溶解力的溶剂;如醇类。
稀释剂:本身无真正溶解溶质作用,但在某些溶剂中调整粘度以利于作业者;一般涂装使用的涂料稀释剂称为“香蕉水”(天那水),如苯类。
一般混合溶剂中真溶剂、助剂与稀释剂的比例约为35:15:50,而低、中、高沸点溶剂的比例约为25:65:10。
二、如何有效去除溶剂杂质
一些溶剂因为种种原因总是含有杂质,这些杂质如果对溶剂的使用目的没有什么影响的话,可直接使用。可是在进行化学实验和进行一些特殊的化学反应时,必须将杂质除去。
虽然除去全部杂质是有困难的,但至少应该将杂质减少到对使用目的没有防碍的限度。除去杂质的操作称为溶剂的精制,故溶剂的精制几乎都要进行脱水,其次再除去其他的杂质。
1.溶剂的脱水干燥
溶剂中水的混入往往是由于在溶剂制造,处理或者由于副反应时作为副产物带入的,其次在保存的过程中吸潮也会混入水分。水的存在不仅对许多化学反应,就是对重结晶,萃取,洗涤等一系列的化学实验操作都会带来不良的影响。因此溶剂的脱水和干燥在化学实验中是很重要的,又是经常进行的操作步骤。尽管在除去溶剂中的其他杂质时有时往往加入水分,但在最好还是要进行脱水,干燥。精制后充分干燥的溶剂在保存过程中往往还必须加入适当的干燥剂,以防止溶剂吸潮。溶剂脱水的方法有下列几种:
(1)干燥剂脱水
这是液体溶剂在常温下脱水干燥最常用使用的方法。干燥剂有固体,液体和气体,分为酸性物质,碱性物质,中性物质以及金属和金属氢化物。干燥剂的性质各有不同,在使用时要充分考虑干燥剂的特性和干燥剂的性质,才能有效达到干燥的目的。
在选择干燥剂时首先要确保进行干燥的物质与干燥剂不发生任何反应;干燥剂兼做催化剂时,应不使溶剂发生分解,聚合,并且干燥剂与溶剂之间不形成加合物。此外,还要考虑倒干燥速度,干燥效果和干燥剂的吸水量。
在具体使用时,酸性物质的干燥最好选用酸性物质干燥剂,碱性物质的干燥用碱性干燥剂,中性物质的干燥用中性干燥剂。溶剂中有大量水存在的,应避免选用与水接触着火(如金属钠等)或者发热猛烈的干燥剂,可以先选用氯化钙一类缓和的干燥剂进行干燥脱水,使水分减少后再使用金属钠干燥。加入干燥剂后应搅拌,放置一夜。温度可以根据干燥剂的性质,对干燥速度的影响加以考虑。干燥剂的用量应稍有过剩。
在水分多的情况下,干燥剂因吸水吸收水分发生部分或全部溶解生成液状或泥状分为两层,此时应进行分离并加入新的干燥剂。溶剂与干燥剂的分离一般采用倾析法,将残留物进行过滤,但过滤时间太长或周围的湿度过大会再次吸湿而使水分混入,因此,有时可采用与大气隔绝的特殊的过滤装置。
有的干燥剂操作危险时,可在安全箱内进行。安全箱在置有干燥剂,使箱内充分干燥(我知道是无水五氧化二磷),或吹入干燥空气或氮气。使用分子筛或活性氧化铝等干燥剂时应添在玻璃管内,溶剂自上向下流动进行脱水,不与外界接触效果较好。大多数溶剂都可以用这种脱水方法,而且干燥剂还可以回收使用。
常用的干燥剂有:
① 金属,金属氢化物
Al,Ca,Mg:常用于醇类溶剂的干燥
Na,K:适用于烃,醚,环己胺,液氨等溶剂的干燥。注意用于卤代烃时有爆炸危险,绝对不能使用。也不能用于干燥甲醇,酯,酸,酮,醛与某些胺等。醇中含有微量的水分可加入少量金属钠直接蒸馏。
CaH:一克氢化钙定量与0.85克水反应,因此比碱金属,五氧化二磷干燥效果好。适用于烃,卤代烃,醇,胺,醚等,特别是四氢呋喃等环醚,二甲亚碸,六甲基磷酰胺等溶剂的干燥。有机反应常用的极性非质子溶剂也是用此法进行干燥的。
LiAlH4:常用醚类等溶剂的干燥。
②中性干燥剂
CaSO4,NaSO4,MgSO4:适用于烃,卤代烃,醚,酯,硝基甲烷,酰胺,腈等溶剂的干燥。
CuSO4:无水硫酸铜为白色,含有5个分子的结晶水时变成蓝色,常用检测溶剂中微量水分。CuSO4适用于醇,醚,酯,低级脂肪酸的脱水,甲醇与CuSO4能形成加成物,故不宜使用。
CaC2:适用于醇干燥。注意使用纯度差的碳化钙时,会发生硫化氢和磷化氢等恶臭气体
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