标签:以科学为基础的配方
在制定涂料和油墨配方时，一些熟悉的任务包括:
- 寻找一种新的涂料混合溶剂
- 确保涂料的所有组成部分都具有适当的“幸福度”
- 找到最好的方法来获得附着力的基材，以及更多…
这些和其他的都是溶解度/兼容性问题。多亏了汉森溶解度参数，现在有可能采用基于科学的方法来快速和理解地解决溶解度问题。这是一个很好的机会，可以避免几个小时的无重点试验。
向Steven Abbott教授学习汉森溶解度参数是什么，以及它们如何成为科学配方的首选工具。
让我们开始吧……
基于汉森溶解度参数(HSP)的科学配方改善涂料
所以你需要找到一种新的溶剂混合物，或者你需要加入一种新的聚合物，或者有人提供了一种新的颜料或纳米颗粒，以改善性能。您如何以最小的努力获得所需属性的最大平衡?
显然，了解组件之间不同的溶解度和兼容性问题非常重要。你可以试着用一些模糊的话来表达，比如“
疏水/亲水"或"
极性/非极性不过这些话太含糊了，没有多大用处。
专注于化妆品的特定领域
我们需要数字来科学地表述特别是，我们需要一个很好的衡量标准
就像"或"
不像任何两个分子都有可能。获得一定程度的相似;
我们必须从三个数字开始描述了我们涂料配方中使用的每种化学物质、聚合物、颗粒或添加剂。
为什么三个？这是因为2太小了，4太复杂了。然而，总是有一个隐含的第四个参数，分子大小，这在本文中没有进一步讨论。
我们从描述开始:
- 那三个数字是什么
- 如何确定它们
- 如何在三个特定的涂料领域使用它们
涂料的三个具体领域包括:
- 涂覆聚合物
- 确保涂料中各成分之间的相容性
- 确保涂层与基材之间的相容性，使其粘接良好
您可以很容易地确定如何将相同的原则应用于您的特定配方问题。
3汉森溶解度参数:它们是什么?
这三个参数抓住了任何分子的三个熟悉特征的本质:
- 色散方面(δD)
- 极向和δP
- 氢键长δH)
涂料配方师可以很容易地欣赏极性和氢键方面。色散部分使用较少，但仍然直观。所有的分子都是通过范德华力或色散力结合在一起的，这些力对不同的分子是不同的。
例如，芳烃有一个很宽的电子云，所以它们的自相互作用比有一个很紧的电子云的烷烃更强。许多公式制定者，包括我自己，都犯了错误，没有认识到这个看似无聊的参数的重要性。
习惯HSP值
这三个数字，δD， δP和δH是汉森溶解度参数，通过观察一些常见溶剂的列表，你会发现这些数字一点也不神秘，符合直觉和常识。
- 例如，乙腈具有很高的δP值，因为-CN基团提供了很高的偶极矩。但是，虽然它可以形成弱氢键，但它们的弱意味着它的δH值不是很大。
- 乙醇具有相当大的极性，δP值显著，但是，正如我们所期望的那样，从这样强的氢键溶剂中;δH值大得多。
- 乙腈和乙醇的δD值相对较小，而苯和DMSO的δD值都较高，因为它们周围有较大的电子云。苯的δD构成了它的大部分热sp，而DMSO是一种相当特殊的溶剂，这三个参数的值都很高。
- 己烷是低δD溶剂，没有δP和δH值，而丙酮和乙酸乙酯具有中间值。
一些常用溶剂的HSP参数值见下表:
| 溶剂 |
δD |
δP |
δH |
| 乙腈 |
15.3 |
18 |
6.1 |
| 丙酮 |
15.5 |
10.4 |
7 |
| 苯 |
18.4 |
0 |
2 |
| 乙醚 |
14.5 |
2.9 |
4.6 |
| 二甲亚砜 |
18.4 |
16.4 |
10.2 |
| 己烷 |
14.9 |
0 |
0 |
| 乙酸乙酯 |
15.8 |
5.3 |
7.2 |
| 乙醇 |
15.8 |
8.8 |
19.4 |
| 二氯甲烷 |
17 |
7.3 |
7.1 |
| N-Methyl-2-Pyrrolidone |
18 |
12.3 |
7.2 |
| 四氢呋喃 |
16.8 |
5.7 |
8 |
| 水 |
15.5 |
16 |
42.3 |
测量两个分子的“相似度”
既然我们有HSP值，我们就可以找出两个分子的“相似”或“不同”程度。这是通过著名的HSP三维距离公式计算的任意一对之间在三维空间中的“距离”D，由于各种原因，该公式将δD特权提高了4倍:
D²= 4(δd1 -δd2)²+ (δp1 -δp2)²+ (δh1 -δh2)²
- 如果分子间的D小于4，那么它们是合理匹配的。比如，当D大于8时，分子就不太匹配了。
- 中间值是一个判断问题。我们可以用这些D计算来做出理性的选择。假设你有一个目标分子和一系列分子，出于其他原因，你认为这些分子可能有用。您计算目标和每个分子之间的D值，然后将它们从高(坏)到低(好)进行排序。
然后，您可以忽略所有高D分子并形成低D分子，从而满足您的其他要求，例如成本或波动性。这种过程的典型例子是，如果目标是聚合物，而分子是溶剂。同样，当目标是颜料或纳米颗粒，目的是创建涂层或稳定的聚合物混合物时，HSP效果很好。
如果没有分子符合您所有的涂料配方要求怎么办?
如果有一种分子能满足你的所有要求，那就再理想不过了。但在现实中，这种情况很少发生。令人高兴的是，您可以创建两种分子的合理混合物，其中每一种都具有高D值，并且不适合单独使用，但您可能会出于其他原因使用它们。
假设每个分子的δD与目标分子的δD匹配，但是
一个δP高，δH低另一个有a
低δP和高δH。混合料的热稳定系数就是各成分的加权平均值。所以，在这种情况下，混合物的δP和δH可以被调整为与你的目标非常接近。
因此，由于高D而无法使用的分子的混合物变得可用。汉森发明了这种混合技巧，这是HSP成功的主要原因之一。
现在你只需要HSP值就可以进行计算了。
你在哪里可以找到他们?
寻找HSP
好消息是，对于所有的
常见的溶剂对于许多聚合物和添加剂，HSP是已知的，并且在公共领域。
你自己的特殊化学品，聚合物，添加剂呢?
如何确定自己的树脂、颗粒或添加剂的热稳定性?答案是HSP值可以通过两种技术来测量。你可以自己做这件事，也可以把它外包给那些提供商业服务的人。
- 第一个技巧是基于你对无论你的材料是“快乐的”(可溶的、可膨胀的、可分散的……)还是“不快乐的”在你选择的一组溶剂中，因为它们跨越HSP空间。“好”溶剂的集合定义了一个球体，球体的中心给出了HSP的半径，该半径定义了相容溶剂的范围。
- 第二种技术使用反相气相色谱法它使用你的样品作为固定相，测量一组探针分子相互作用的强度——通过保留时间来判断。标准技术得到了更广泛的应用。IGC技术对低聚物、表面活性剂、分散剂和其他分子尤其有用，这些分子在室温下是如此的流动，以至于标准测试给出的“好”溶剂太多，而“坏”溶剂太少。
为您的涂料和油墨寻找合适的溶剂(混合)
原则给定已知的聚合物或
色素你想穿大衣;为这种材料找到一种有效的溶剂是很容易的。获取溶剂HSP值列表，计算与物料的距离，选择距离最短的溶剂。
但现实生活不是这样的!
我们不仅需要有效的溶剂，还需要可用的溶剂。因此，成本，气味，VOC水平，危害等级等都成为我们选择的重要因素。几乎总是，由于其他原因，最好的溶剂在HSP方面是不令人满意的，当我们在增加距离方面列出我们的列表时，我们可能无法找到令人满意的折衷方案。这是热休克疗法的力量被充分揭示的时候。
从两种“坏溶剂”中制造出“完美溶剂”
想象一下，我们的溶质有一个HSP用绿色圆球内的绿点表示而我们有两个坏溶剂，根据定义，它们在球外。在图中，这些坏溶剂恰好是相反的。现在
制作50:50的混合物。混合物的HSP是两种组分的体积加权平均值，在这种情况下，这将使混合物成为溶质的完美溶剂。
如果你在实践中尝试，
你会发现你真的可以用两种不好的溶剂做出一种好的溶剂，或者用两种好的溶剂做出一种很好的混合物。
它只需要目标的热休克蛋白。通过以下途径，可以很容易地找到合适溶剂的最佳混合物:
- 人的判断，还是
- 计算机算法与权重的因素，如成本，绿色等。
微调蒸发速率
如果我们知道
各溶剂的相对蒸发速率以及它们各自的距离;我们甚至可以调整涂层在蒸发过程中发生的变化。当溶液相对较稀时，我们可以得到一种便宜但不是很好的溶剂。当涂层干燥时，我们通常希望聚合物在溶液中保持尽可能长的时间，以使其放松和有光泽。这意味着挥发性较低的溶剂应更接近匹配。
下面的应用程序显示了一个例子，其中距离(称为Ra)从开始时的5.2(不是很大，但还可以)到3，因为乙酸乙酯比环己酮蒸发得快。
溶剂共混物中的热sp距离跃迁
如果你想让涂层(或其中的成分)迅速脱落，
你调整混合物，使更好的溶剂更容易挥发。
生产“绿色”溶剂的合理混合
溶剂混合物特别重要的一个领域是，用更环保的替代品取代有毒或对环境不友好的溶剂。使用您当前的溶剂作为目标，您可以使用任何方便的绿色溶剂列表并找到最接近的匹配。
通常情况下，没有一种溶剂是足够好的，所以你必须生产一种合理的绿色溶剂混合物。这种制造绿色混合物的热热加热方法已经在实验室和现实世界的清洁中多次被证明是有效的。例如:创造更安全的溶剂，以便在印刷或涂布后进行清洁。有一次，我的一些操作员抱怨一种清洁溶剂混合物，他们让我自己使用。从两个方面来说，这是可怕的:
- 它又臭又不健康
- 它是如此易挥发，以至于聚合物在被适当去除之前会重新沉积
使用HSP，并仅限于我们内部碰巧拥有的更好的溶剂，我可以很快创造出一种令人愉快的、低气味的、低挥发的混合物。当我们尝试的时候;如果按照之前的清洁方法进行，那就没有用了。但是，把它放到
设备当它需要清理，参加其他工作和返回时，我们发现溶剂混合物是静止的，并且有时间溶解聚合物。简单地擦去大部分聚合物，并用旧混合物快速清洁，完成了整个过程。
工作少得多，效果好得多，而且安全得多。
涂料配方中聚合物与其他成分的相容性
＃1.Polymer-Polymer兼容性
从HSP背后的形式理论来看，有可能证明一个已经被实验证实的相当令人震惊的事实。
也就是说，大多数聚合物不溶于大多数其他聚合物。例如，PMMA不溶于PEMA。结果表明，为了实现相互相容性，两种聚合物之间的HSP距离必须小于0.1，这是不可能的。
我们的实际经验是，在相关聚合物之间存在大量合理的聚合物共混物。这里我们有一个区别
合理的"和"
热力学”。
- 中等分子量的PMMA和PEMA很容易混合在一起，在正常情况下不会相分离。
- 热力学极限适用于高分子量和长时间在高温下使聚合物达到平衡。
所以，如果你想要一种低长期相分离风险的实用聚合物混合，
低HSP距离是一个很好的起点。
如果你使用更精细的HSP，将δH分解为供体/受体，你会发现具有相对较大距离的聚合物，如聚乙烯酚和聚乙烯醇可以通过供体/受体相互作用形成稳定的共混物。
＃2.聚合物与其他添加剂的相容性
当涉及到其他
涂料添加剂如颜料、纳米粘土等——低热稳定距离是长期稳定性的首要标准。通过了解供应商提供的添加剂的HSP值，或者通过测量自己的特殊成分的值，生产起来就容易多了。”
快乐“所有东西都喜欢和其他东西在一起。
涂层的许多长期问题是由不相容引起的，这些不相容可以很容易地通过HSP距离早期识别出来。对于那些涂在聚合物上的人来说
可塑剂，了解它们的HSP值可以更容易地控制增塑剂是否在界面积聚(这可能是危险的)或相对容易地被吸收到涂层中。
涂层与基材附着力
在聚合物-聚合物界面上获得粘附的最佳方法(即涂层中的聚合物粘附在基材的聚合物上)是使聚合物链从两侧交叉并纠缠在一起。我们如何计算两种聚合物能够混合并缠绕到所需数量的机会?
来自Helfand的一个相当简单的公式(在应用文本中讨论)将混合距离与χ参数联系起来，从而与HSP距离联系起来。
χ参数与HSP距离的关系
在这个例子中，当HSP距离= 3.9 (χ = 0.15)时，库恩长度(一个虚拟的、有效的单体长度)为1.5nm的聚合物可以混合3.2nm。
因为神话中
附着力取决于表面能它是如此广泛(即使表面能太小1000倍而不相关)，这种理解界面间粘附的有效方法知之甚少。但是那些知道它的人可以证明它在正确表述方面的力量。
相关阅读:油墨和涂料粘合的神话和机会
它不仅仅是聚合物-聚合物。我们通常有一个非聚合物表面，需要附着一个引物分子来帮助粘附。引物需要足够长才能缠结，并具有足够的兼容性，以便与聚合物结合。
因此，找到引物的热敏感蛋白对成功至关重要。
但是不管赫尔方公式告诉我们多少我们可能会混在一起;聚合物不会在没有帮助的情况下穿过界面。
如果一种聚合物是从溶剂中输送出来的，那么当然，如前所述，必须有良好的聚合物-溶剂相容性。但我们也需要溶剂来攻击我们所涂覆的聚合物。攻击，没错，但不要太多，否则我们会摧毁地表。
调整溶剂，使其对表面有足够的“咬合力”，从而在不破坏表面(微米级缺陷)的情况下发生缠结(即超过几纳米)，这是HSP的另一项工作。
这些例子是HSP匹配的许多其他应用可能性之一，值得考虑高效涂层的发展。其他典型的应用包括:
结论
50多年来，HSP已经在配方领域证明了自己。当所有关键成分的热稳定度(HSP)都已知时，例如寻找好的溶剂(或混合物)或确保配方中成分之间的相容性等常见任务变得更加合理和有效，无论是从供应商还是内部，热稳定度距离计算通常用于找到最佳组合。
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