水性涂料的成膜助劑又叫凝聚劑、聚結(jié)劑、成膜助溶劑或共溶劑，能夠?qū)θ橐褐械木酆衔锪Ｗ赢a(chǎn)生溶解和溶脹作用，使粒子在較低溫度下也能夠隨水分的揮發(fā)產(chǎn)生塑性流動(dòng)和彈性變形而聚結(jié)成膜，但在成膜以后較短時(shí)間內(nèi)又能揮發(fā)逸出，而不影響涂膜的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，高溫下涂膜不回粘。成膜助劑是分子量數(shù)百的溶解力極強(qiáng)的高沸點(diǎn)有機(jī)溶劑，多為醇類、醇酯類、醇醚類化合物，實(shí)際上成膜助劑是聚合物的一種溶劑，在涂膜干燥過程中，水分揮發(fā)后余下的成膜助劑使聚合物微滴溶解并融合成連續(xù)的膜，成膜助劑除有溶解作用外，還會(huì)對(duì)聚合物起短暫的增塑作用，成膜助劑是一種可以揮發(fā)的暫時(shí)性增塑劑，能促進(jìn)乳膠粒子的塑性流動(dòng)和彈性變形，改善其聚結(jié)性，可在廣泛的施工溫度范圍內(nèi)成膜。
水性涂料成膜助劑廣泛應(yīng)用于建筑涂料(乳膠漆)、水性汽車涂料及汽車修補(bǔ)涂料、水性電泳涂料、水性船舶涂料、水懷集裝箱涂料、水性防腐涂料、水性工業(yè)涂料、水性膠粘劑、水性木器涂料、水性卷材和卷鋼涂料、水性絲印油墨、水性凹印油墨、水性柔印油墨、UV水性涂料油墨等等。
二、成膜助劑化的化學(xué)類型和生產(chǎn)廠家
(一)、醇類(如苯甲醇BA、乙二醇、丙二醇、己二醇);
(二)、醇酯類(如十二碳醇酯(即Texanol酯醇或醇酯-12));
(三)、醇醚類(乙二醇丁醚EB、丙二醇甲醚PM、丙二醇乙醚、丙二醇丁醚、二丙二醇單甲醚DPM、二丙二醇單丙醚DPnP、二丙二醇單丁醚DPnB、三丙二醇正丁醚TPnB、丙二醇苯醚PPH等);
(四)、醇醚酯類(如己二醇丁醚醋酸酯、3-乙氧基丙酸乙酯EEP)等;
從成膜助劑的主要生產(chǎn)廠商和主要產(chǎn)品來看，具代表性的有BASF公司的Lusolvan FBH、美國(guó)Du Pont的DBE-IB、英國(guó)Chemoxy公司的COASOL的(己二酸二異丁酯、戊二酸二異丁酯和丁二酸二異丁酯的混合物)，比利時(shí)Neste perstorp公司的Nexcoat 795(2，2，4-三甲基-1，2-戊二醇-異丁單酯)，美國(guó)DowChemical 公司的Dowanol pph(丙二醇苯醚)、DAL-PADC、DAL-PADD、DPnB，伊士曼(EASTMAN CHEMICAL)化學(xué)公司的Texanol、EEH、OE300、OE400，英國(guó)海名斯化學(xué)公司的SER-AD FX510、SER-AD FX511、江蘇潤(rùn)泰化學(xué)有限公司的十二碳醇酯(酯醇12)等。
成膜助劑在水性涂料中的狀態(tài)
根據(jù)成膜助劑在聚合物中的位置,將其分為A、B、C三類。乳液以水為連續(xù)相,由乳化劑穩(wěn)定形成的疏水聚合物鏈球形膠束所組成。加入乳液體系中的成膜助劑在體系中所處的位置取決于自身的疏水/親水性。其中，A型在乳液聚合物中，主要是如石油醚的烴類，如松節(jié)油、雙戊烯松油、十氫蔡等;AB型在乳液聚合物和水的界面，主要為雙酯類和醇酯類，如Texanol酯醇、Lusolvan FBH、DBE-IB、COASOL;ABC型主要在聚合物顆粒間、邊界上和水中，主要為乙二醇酯和乙二醇酯醚，乙二醇丁醚(EB)、丙二醇苯醚(PPH)、二丙二醇單甲醚DPM;C型在水中，主要為醇類、乙二醇類，如乙醇、二乙二醇、二丙二醇、三乙二醇。傳統(tǒng)分類中，又可以從和聚合物的相容性方面分為油溶性和水溶性。
三、成膜助劑的選擇標(biāo)準(zhǔn)
理想的成膜助劑應(yīng)具有下列特性：
(一)、成膜助劑必須是聚合物的強(qiáng)溶劑, 對(duì)多種水性樹脂都有極佳的成膜效率，并具有很好的相容性，極好降低水性樹脂的最低成膜溫度，不會(huì)會(huì)影響漆膜的外觀及其光澤;
(二)、氣味低、加量少、效果優(yōu)異、環(huán)保性佳、具有一定的揮發(fā)性，有效調(diào)節(jié)干燥速率，以便于施工;
(三)、優(yōu)異的水解穩(wěn)定性，在水中的溶解度小，其揮發(fā)速度應(yīng)低于水和乙醇，在成膜前保留在涂料涂層中，成膜后須完全揮發(fā)，不影響涂膜性能;
(四)、加人乳膠體系后吸附在乳膠粒子表面，能為乳膠粒吸附而具有優(yōu)良的聚結(jié)性能，充分溶解和溶脹水性樹脂不影響乳膠粒子的穩(wěn)定性。
四、成膜助劑的發(fā)展方向
盡管成膜助劑對(duì)乳膠漆的成膜有很大作用，但成膜助劑是有機(jī)溶劑，對(duì)環(huán)境是有影響的，所以發(fā)展的方向是環(huán)境友好型的有效成膜助劑：
(一)是降低氣味。Coasol、DBE-IB、OptifilmEnhancer300、TXIB、TXIB和Texanol的混合物都能降低氣味。盡管TXIB在降低MFFT和早期耐洗刷性稍差，但通過和Texanol的混用，能在這些方面得到改善。
(二)是降低揮發(fā)性有機(jī)物(VOC)。多數(shù)成膜助劑是涂料VOC的重要組成部分，因此成膜助劑應(yīng)該用得越少越好。選用成膜助劑要優(yōu)先考慮不屬于VOC限制范圍，但揮發(fā)性不得太慢、成膜效率還要高的化合物。在歐洲，VOC是指那些沸點(diǎn)等于或低于250℃的化學(xué)物質(zhì)。沸點(diǎn)超過250℃的那些物質(zhì)不歸入VOC的范疇，所以使成膜助劑向高沸點(diǎn)發(fā)展。如Coasol、LusolvanFBH、DBE-IB、OptifilmEnhancer300、二異丙醇己二酸酯。
(三)是低毒、安全、可接受的生物降解性。
(四)是活性成膜助劑。丙烯酸雙環(huán)戊烯基氧乙基酯(DPOA)是不飽和的可聚合有機(jī)物，均聚物Tg=33℃，無氣味。其結(jié)構(gòu)式如下：
在較高Tg值的乳膠漆配方中，不需成膜助劑，而加DPOA，并加入少量催干劑，如鈷鹽。DPOA就可降低成膜溫度，使乳膠漆在室溫成膜。但DPOA不揮發(fā)，不僅環(huán)境友好，而在催干劑作用下進(jìn)行氧化自由基聚合，增加了涂膜的硬度、抗粘性和亮度。因此，DPOA被稱為活性成膜助劑。
五、水性涂料的成膜機(jī)理
水性漆的成膜過程較復(fù)雜, 要經(jīng)歷一個(gè)從分散的聚合物顆粒到相互聚結(jié)成為整體的過程。其施工后, 水分揮發(fā), 球狀顆粒必須相互融合才能形成連續(xù)的涂膜。水性漆成膜分以下幾個(gè)過程
(一)、顆粒逐漸靠攏填充過程。
球狀顆粒在乳膠漆中以雙電層和屏蔽穩(wěn)定的作用保持著分散狀態(tài), 在水性涂料施工后,水分逐漸揮發(fā),原先以靜電斥力和空間位阻穩(wěn)定作用而保持分散狀態(tài)的聚合物顆粒和顏料、填料顆粒逐漸靠攏，但仍可以自由運(yùn)動(dòng)。在該階段，水份的揮發(fā)與單純水的揮發(fā)相似，為恒速揮發(fā)。
(二)、顆粒融合過程。
隨著水分的進(jìn)一步揮發(fā)，聚合物微粒表面吸附的保護(hù)層破壞，裸露的微粒相互接觸，
其間隙愈來愈小，漆膜的體積收縮，當(dāng)水份揮發(fā)將盡時(shí), 其推動(dòng)力也將消失，至毛細(xì)管經(jīng)大小時(shí)，由于毛細(xì)管效能作用，其毛細(xì)管壓力高于聚合物微粒的抗變形力，顆粒穩(wěn)定性破壞并變形，最后凝集、融合成連續(xù)的涂膜。這一過程是水性漆能否成膜的關(guān)鍵，若乳液聚合物的玻璃化溫度(Tg)較高(為了使涂膜具有良好的機(jī)械性能，耐候性和沾污性，Tg值一般不能太低)，在較低環(huán)境溫度下，就很難變形，從而會(huì)使融合過程受阻，導(dǎo)致不能成膜，這時(shí)需要用成膜助劑協(xié)助成膜。成膜助劑可以使乳膠粒子溶脹變軟，因此，很容易使他們?nèi)诤显谝黄鹦纬蛇B續(xù)的膜。
(三)、聚合物鏈段相互擴(kuò)散滲透交聯(lián)成膜過程。
隨著時(shí)間的推移, 殘留在水中的助劑逐漸向涂膜擴(kuò)散, 并使聚合物分子長(zhǎng)鏈段相互滲透、擴(kuò)散，纏繞形成具有良好性能的均勻涂膜，隨著成膜助劑從漆膜中逐漸揮發(fā)，最后形成理想的性能優(yōu)異的涂膜。
六、水性涂料成膜助劑的用法與用量
乳液或分散體等聚合物通常具有高于室溫的玻璃化溫度Tg。為了使乳液粒子很好地融合成為均勻的漆膜，必須使用成膜助劑降低最低成膜溫度(MFFT)。乳液的最低成膜溫度(MFFT)對(duì)涂膜的硬度、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和低溫涂裝性能會(huì)產(chǎn)生重要的影響。最低成膜溫度高，涂膜的硬度高和光澤高，但在稍低溫度時(shí)不能涂裝;最低成膜溫度太低，低溫涂裝性能雖好，但涂膜玻璃化溫度低，高溫發(fā)軟回粘，耐污性差。成膜助劑的基本功能就是降低乳液以及乳膠漆的最低成膜溫度，使水性涂料能在低溫下進(jìn)行涂裝。
成膜助劑的加量取決于配方中乳液或水分散體的用量和玻璃化溫度Tg。涂料中乳液或水分散體的用量大以及聚合物的Tg高，成膜助劑的用量也要大，反之用量少。配方設(shè)計(jì)時(shí)，首先考慮成膜助劑大約占乳液的或水分散體的3%-5%，或占乳液或分散體固體份的5%-15%。
成膜助劑的有效性表現(xiàn)在成膜助劑對(duì)乳液粒子的成膜效率。按乳液固含量的5%-l5% 添加成膜助劑，測(cè)定MFFT的下降值，將下降值對(duì)成膜助劑用量作圖，所得直線的斜率即表示該成膜助劑對(duì)給定乳液的成膜效率，其斜率越大，成膜效率越高。顯然，成膜效率有乳液樹脂的特定性，即表現(xiàn)為對(duì)每種樹脂或每一類樹脂有效，并且與乳液的初始MFFT有關(guān)。值得注意的是，成膜助劑在用量較大時(shí)，MFFT的下降往往偏離直線關(guān)系，這時(shí)要用回歸法求得一個(gè)相對(duì)最好的斜率值用以比較。
當(dāng)一種乳液體系確定后，選用合適的成膜助劑是十分重要的。涂料是一門實(shí)踐科學(xué)，通過大量試驗(yàn)選取最佳成膜助劑，保證水性涂料的低溫施工性十分重要。實(shí)踐表明，水性涂料的MFFT應(yīng)保證在10℃以下，最好小于5℃，涂裝能形成不開裂、不粉化的均勻漆膜為止，找出成膜助劑的最低用量。如果成膜助劑的用量達(dá)乳液或分散體的15%或者更高是不可取的，應(yīng)考慮更換其他成膜助劑再試。鑒于成膜助劑降低MFFT的作用不是萬能的，所以對(duì)于Tg過高的乳液，添加大量的成膜助劑也難保證有足夠的低溫施工性和凍融穩(wěn)定性。普通乳液和水分散體的Tg不宜大于40℃，否則用大量的成膜助劑也難于將MFFT降至10℃以下。片面追求高Tg帶來高硬度的涂膜是不適宜的，何況這樣做還會(huì)因?yàn)槌赡ぶ鷦┯昧窟^大產(chǎn)生VOC超標(biāo)的問題。
七、成膜助劑的幾點(diǎn)使用經(jīng)驗(yàn)
(一)涂料成膜助劑與最低成膜溫度(MFFT)的關(guān)系
乳膠的最低成膜溫度是指乳膠形成不開裂、連續(xù)涂膜的最低溫度，直至達(dá)到最低成膜溫度0℃時(shí)成膜助劑的用量越少越好。成膜助劑的作用類似于增塑劑，加入成膜助劑后能降低乳液的MFFT，降低的幅度隨成膜助劑用量的增大而增大。但是，成膜助劑的用量達(dá)到一定
程度后MFFT幾乎不再降低。MFFT下降的幅度還與成膜助劑的種類和乳液類型有關(guān)，對(duì)一種乳液有顯著降低MFFT作用的成膜助劑可能對(duì)另一種乳液作用很小，甚至完全不起作用。由此我們認(rèn)為：
①M(fèi)FFT降低的幅度隨成膜助劑用量的增加而增大，但是MFFT降至一定程度后再多加成膜助劑無濟(jì)于事，所以應(yīng)選取效果最好的成膜助劑并且使用最小用量;
?、谟捎谒泽w系的特殊性，往往成膜溫度最低只能降到0℃左右，此后加大成膜助劑用量成膜溫度也不再有明顯的下降;
?、蹖?duì)同一種基料，不同的成膜助劑降低MFFT的效果截然不同，有的十分明顯，有的幾乎不能降低最低成膜溫度;
?、懿煌愋偷幕?，同一種成膜助劑效果也完全不一樣，在一種乳液體系中添加少量就有顯著效果的成膜助劑在另一種乳液體系中可能作用不明顯，甚至完全無效。因此，針對(duì)特定的水性涂料體系篩選最佳成膜助劑的品種和用量是非常必要的。
成膜助劑對(duì)降低MFFT的效率與其種類有極大的關(guān)系，獲取相同用量下具有最低成膜溫度和最佳涂膜效果的成膜助劑是配方工作者的重要工作。
除降低最低成膜溫度和提高漆膜致密度外，成膜助劑還能改善施工性能，增加漆的流平性，延長(zhǎng)開放時(shí)間，提高漆的貯存穩(wěn)定性，特別是低溫防凍性。
(二)成膜助劑與涂膜硬度的關(guān)系
成膜助劑多為分子量較大的高沸點(diǎn)有機(jī)化合物，遷移速度慢，揮發(fā)速率低，延長(zhǎng)了達(dá)到最終硬度的時(shí)間。在傳統(tǒng)涂料中鄰苯二甲酸酯類的增塑劑不能揮發(fā)，而是隨時(shí)間的推移緩慢遷移至漆的表面，帶來的問題是涂膜長(zhǎng)時(shí)間表現(xiàn)出抗粘連性差和耐劃傷性差，并且容易沾塵。因此，水性涂料配方中盡可能不用增塑劑。醇酯類成膜助劑一般比醇醚類成膜助劑揮發(fā)慢，所以用醇酯做成膜助劑的涂膜硬度的展現(xiàn)也慢。水性涂料成膜后成膜助劑對(duì)涂膜硬度展現(xiàn)的影響主要取決于2個(gè)因素：成膜助劑在涂膜中的遷移速度和在空氣中的揮發(fā)速率。我們比較了同一種漆中分別添加鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)和三種成膜助劑，醇酯-12(Texano1)、二丙二醇正丁醚(DPnB)和三丙二醇正丁醚(TPnB )后涂膜硬度隨時(shí)間的變化，加有DBP的涂膜46d后涂膜硬度幾乎沒有增長(zhǎng)，硬度始終很低有Texanol的46d后硬度低于加醇醚的;分別含有2種醇醚的涂膜硬度增長(zhǎng)相對(duì)較快，其中DPnB 的硬度展現(xiàn)最快。
(三)成膜助劑與有機(jī)揮發(fā)物含量 VOC
有機(jī)揮發(fā)物含量 (VOC )是涂料界最為關(guān)心的問題之一。 各國(guó)對(duì)VOC的定義各不相同，因而，同一涂料按不同國(guó)家的法規(guī)判定的VOC會(huì)有差別。
例如：沸點(diǎn)在250℃或更高的成膜助劑按美國(guó)環(huán)保局(EPA)的法規(guī)可能屬于VOC之列，但是按中國(guó)和澳大利亞的法規(guī)顯然不能視為VOC;又譬如：聚氨酯分散體合成時(shí)常用的溶劑丙酮按美國(guó)的法律屬于豁免化合物，不算VOC，而按中國(guó)和歐盟的法規(guī)則認(rèn)為是VOC。
助溶劑或成膜助劑在水性樹脂合成時(shí)常常用來降低水化前的樹脂黏度，施工時(shí)起到改進(jìn)水性涂料的流變性能以及改善開放時(shí)間的作用，成膜過程中能促進(jìn)高質(zhì)量涂膜的形成，在水性涂料中起著相當(dāng)重要的作用，特別對(duì)高玻璃化溫度和最低成膜溫度高的樹脂體系，其用量相當(dāng)大，可占到樹脂固含量的10%-100%，有時(shí)甚至更高。絕大多數(shù)常用成膜助劑的沸點(diǎn)在250℃以下，屬于VOC必須考慮之列。但是，三乙二醇單乙醚(256℃)、三乙二醇單丁醚 (283℃)、三丙二醇單丁醚TPnB(276℃)按中國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)已排除在VOC范圍之外，作為成膜助劑應(yīng)給予特別的關(guān)注，尤其是三丙二醇單丁醚，其揮發(fā)速度較前二者快，也比醇酯-12快，可以說既有良好的成膜效果，涂膜硬度展現(xiàn)也快，還不在VOC限制范圍之內(nèi)，采用這種成膜助劑有一舉多得之優(yōu)點(diǎn)。
現(xiàn)今合成技術(shù)的進(jìn)展已經(jīng)能在水性樹脂合成時(shí)做到完全不用助溶劑降黏，得到不含任何VOC溶劑的乳液和分散體。然而，在涂料配制過程中往往不得不添加成膜助劑，特別是對(duì)于高玻璃化溫度的樹脂，不用成膜助劑低溫不能成膜。這時(shí)選用不在VOC范圍之內(nèi)的成膜助劑有可能制成“零”VOC的水性涂料。
美國(guó)環(huán)保局(EPA)列出了50個(gè)(類)有機(jī)化合物，認(rèn)為其光化學(xué)反應(yīng)可忽略不計(jì)，屬于VOC豁免化合物。有些化合物還在申請(qǐng)豁免權(quán)，有的已經(jīng)批準(zhǔn)，如醋酸特丁酯(t-BuoAc)現(xiàn)已從VOC中排除。特別要指出的是可作為水性涂料成膜助劑的乙二醇避免了對(duì)環(huán)境的污染。
(四)成膜助劑的親水和親油值HLB
在設(shè)計(jì)涂料配方時(shí)，很重要的一點(diǎn)是考慮到成膜助劑的活性及其在乳液中的分層現(xiàn)象。溶解度參數(shù)影響成膜助劑的活性，因?yàn)樗匀橐菏莾上囿w系，主要是水相和聚合物相，成膜助劑在這兩相的濃度主要取決于聚合物和溶劑的親水和親油的平衡。成膜助劑在兩相的分配方式是成膜助劑活性的主要因素，親油性的成膜助劑主要分?jǐn)?shù)在親油性的聚合物中，只有少量存在于水中;親水性的成膜助劑主要分?jǐn)?shù)在水相中，只有少量存在于聚合物中。成膜助劑緊密地參與到成膜過程中，因此其對(duì)漆膜的光澤、耐擦洗性、腐蝕性、耐水性、及干燥時(shí)間都有影響。
成膜助劑是水性木器涂料助劑中最為重要的成分之一，直接影響水性木器涂料干燥速度、初期的耐水性、低溫施工成膜性以及貯存穩(wěn)定性等因素，成膜助劑直接決定著聚合物乳膠粒子聚結(jié)成完整連續(xù)涂膜的程度,進(jìn)而影響涂膜的長(zhǎng)期防腐蝕效果。成膜助劑與水性樹脂的搭配是水性木器涂料配方成型的基石。好的成膜助劑是必須具有環(huán)境安全、添加量少、干燥快速以及最有效地降低水性樹脂的最低成膜溫度(MFFT)的特性。實(shí)際使用時(shí)，常常通過兩種或兩種以上的成膜助劑來搭配，也可根據(jù)成膜助劑在水相中的分配系數(shù)和聚合物中的分配系數(shù)的不同比例來達(dá)到體系的低溫成膜性和穩(wěn)定性的平衡，所以成膜助劑的類型和用量必須要根據(jù)體系中水性樹脂的類型、最低成膜溫度，與體系各成分的相容性以及施工的寬容性來確定，配方設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮到這一點(diǎn)，并且通過試驗(yàn)選取最佳成膜助劑及其用量。成膜助劑與乳液的相容試驗(yàn)結(jié)果表明：苯甲醇(BA)、乙二醇丁醚(EB)、丙二醇苯醚(PPH)在苯丙乳液中相容性好，PPH在純丙乳液外的其他乳液中相容性好，但這幾種成膜助劑都要緩慢滴加，否則容易造成絮凝。對(duì)于純丙乳液，加入上述三種成膜助劑都會(huì)產(chǎn)生絮凝，易造成破乳。十二碳醇酯在任何一種乳液中的相容性都很好，且添加方式簡(jiǎn)單，不易造成破乳，對(duì)乳液具有普遍性。