在配制涂料时，一些熟悉的任务包括为涂料寻找一种新的溶剂混合，确保涂料的所有组成部分都达到正确的“幸福”水平，找到最好的方法使其附着在基材上，等等。
这些和其他都是溶解度/相容性问题。由于汉森溶解度参数(HSP)，现在可以采用基于科学的方法以快速和理解的方式解决溶解度问题。这是一个很好的机会来避免几个小时的不集中的试验。
采用基于科学的HSP配方，获得更好的涂料
所以你需要找到一种新的混合溶剂，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，承诺改善性能。如何用最小的努力获得所需属性的最大平衡?
显然，理解组分之间不同的溶解度和相容性问题是很重要的。你可以试着用一些模糊的词来表达，比如疏水/亲水或极性/非极性，但这些词太模糊了，没有多大用处。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任何两个分子可能是“像”还是“不像”。为了得到相似程度的衡量标准，我们必须从三个数字开始，这些数字描述了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?因为2太小了，4太复杂了。然而，总有一个隐含的第四个参数，即分子的大小，在本文中不作进一步讨论。本文描述了:
- 这三个数字是什么;
- 如何确定它们;
- 如何在涂料的三个特定领域使用它们:涂层聚合物，确保涂层成分之间的兼容性，确保涂层和基材之间的兼容性，以便它粘得很好。
什么是三个汉森溶解度参数?
这三个参数抓住了任何分子的三个常见特征的本质:
- 色散方面(dD);
- 极方面(dP);
- 氢键方面(dH)。
涂料的配方可以很容易地理解极性和氢键方面。离散部分使用较少，但仍然是直观的。所有的分子都是通过范德华力或色散力聚集在一起的，而这些力对于不同的分子是不同的。例如，芳香烃的电子云很宽，所以它们的自我作用比烷烃的电子云很窄更强。许多制定公式的人，包括我自己，都犯了错误，因为他们没有认识到这个显然很无聊的参数的重要性。
dD、dP和dH这三个数字就是汉森溶解度参数，通过查看一些常见溶剂的列表，你会发现HSP值一点也不神秘，并且与直觉和常识一致(表1)。
例如，乙腈具有较高的dP值，因为-CN基团提供了较高的偶极矩。但是尽管它能形成弱氢键，它们的弱意味着它的dH值不是很大。
乙醇是相当极性的，dP值很高，但是，正如我们从这样一个强氢键溶剂中预期的那样，它有一个更大的dH值。
乙腈和乙醇的dD值相对较小，而苯和DMSO的dD值都较高，因为它们周围有较大的电子云。苯的HSP主要由dD组成，而DMSO是一种特殊的溶剂，三个参数的值都很高。
正己烷是一种低dD溶剂，无dP和dH，而丙酮和乙酸乙酯具有中等值。
测量两个分子有多“像”
有了HSP值，我们就可以找出两个分子的“相似”或“不同”程度。这是通过著名的三维距离HSP公式计算出的任意一对在三维空间中的“距离”D，由于各种原因，该公式使dD的值增加了4倍:
D²= 4 (dD1-dD2)²+ (dP1-dP2)²+ (dH1-dH2)²。如果分子间的D小于，比如说，4，那么它们是合理匹配的。当D大于8时，分子就不匹配了。
中间值是一个判断的问题。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个分子列表，出于其他原因，你认为这些分子可能有用。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，你可以忽略所有高d分子，形成低d分子，这满足你的其他要求，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，并且目标是创造一种涂层或稳定的聚合物共混物时，HSP工作得非常好。
如果没有分子符合你所有的涂料配方要求怎么办?如果有一种分子满足所有的要求，那将是理想的。但实际上，情况并非如此。令人高兴的是，您可以创建两个分子的合理混合，每一个都有很高的D值，并不适合自己，但您想使用其他原因。
假设每个分子的dD都与目标分子匹配，但一个分子的dP高，dH低，另一个分子的dP低，dH高。混合物的热重率就是各组分的加权平均值。因此，在这种情况下，混合的dP和dH可以调整为与目标接近。
因此，一种混合的分子是可以工作的，因为每一个分子都是不可用的，因为高D变成了可用的。汉森研究出了这种混合方法，这也是HSP成功的主要原因之一。
现在你需要的是HSP值，这样你就可以计算了。你在哪里可以找到它们?
查找HSP值
好消息是，对于所有常见的溶剂，较新的绿色溶剂，以及许多聚合物和添加剂，HSP值是已知的，并在公共领域。数千种涂料成分的HSP数据可以在SpecialChem上找到，并提供兼容产品列表，这要感谢基于科学的配方小组成员SBFG的贡献。*你自己的特殊化学品、聚合物或添加剂呢?你如何确定你自己的树脂，颗粒或添加剂的热sp ?答案是，HSP值可以通过两种技术来测量(图1)。您可以在内部进行这项工作，也可以将其外包给那些将其作为商业服务提供的人。
第一种技术是基于你对材料在你选择的一系列溶剂中是“快乐”(可溶、可膨胀、可分散等)还是“不快乐”的判断，因为它们跨越了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，该半径定义了兼容溶剂的范围。
第二种技术使用反相气相色谱法(IGC)，它使用你的样品作为固定相，并测量每一组探针分子相互作用的强度——通过保留时间来判断。标准技术的应用更为广泛。IGC技术特别适用于低聚物、表面活性剂和分散剂，以及其他在室温下非常流动的分子，标准测试给出的“好”溶剂太多而“坏”溶剂太少。
寻找合适的溶剂(混合)
原理:给定要涂覆的聚合物或颜料的已知热热比，很容易找到有效的溶剂;得到溶剂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!
我们要的不仅仅是一种有效的溶剂，而是一种可用的溶剂。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，在HSP方面的最佳溶剂由于其他原因不能令人满意，当我们沿着我们的列表，随着距离的增加，我们可能无法找到一个令人满意的妥协。这是HSP的力量完全显露的时候。
用两种“坏溶剂”制作“完美溶剂”
假设溶质的HSP用图2中绿色球体内的绿点表示，根据定义，有两种不好的溶剂，都在球体外。
在图中，这些不好的溶剂恰好相反。现在以50:50的比例混合。共混物的热热比是两种组分的体积加权平均值，在这种情况下，这将使共混物成为溶质的完美溶剂。如果你在实践中尝试这个，你会发现你真的可以用两种不好的溶剂得到一种好的溶剂，或者用两种好的溶剂，创造一种很好的混合。
它只需要目标的HSP。通过人的判断或计算机算法，根据成本、绿色度等因素的权重，可以很容易地找到一组合适的溶剂。
微调蒸发速率
如果我们知道不同溶剂的相对蒸发速率和它们之间的距离;我们甚至可以调整涂层在蒸发过程中的变化。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。随着涂层干燥，我们通常希望聚合物在溶液中停留尽可能长的时间，以保持轻松和光泽。这意味着挥发性较低的溶剂应该是一个更接近的匹配。
图3显示了一个例子，当乙酸乙酯比环己酮蒸发得更快时，距离(称为Ra)从开始的5.2(不是很大，但还可以)到3。
溶剂共混体系中的高温热sp距离跃迁
如果你想让涂层(或其中的一种成分)迅速脱落，你可以调整混合方式，让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更环保的溶剂的合理混合。这种制造绿色混合物的HSP方法已经被证明多次有效——在实验室和真实的清洁世界中。例如，创造更安全的溶剂清洁后，印刷或涂层运行。有一次，我的一些操作人员抱怨一种清洁溶剂混合，他们让我自己使用。它的可怕之处在于两个方面:一是气味难闻，不健康;二是它的挥发性很强，聚合物在被适当去除之前会重新沉积。
使用热休克蛋白(HSP)，并受限于我们内部恰好有更好的溶剂，我很快就创造了一种愉快的、低气味、低挥发性的混合物。当我们尝试它的时候，如果遵循之前的清洁制度，它是无用的。但是，一旦它需要清洗，我们就把它放在设备上，处理其他工作，然后返回，我们发现溶剂混合物是静止的，并有时间溶解聚合物。只需简单擦拭掉大部分聚合物，然后用旧混合物快速清洗即可完成整个过程。更少的工作就能得到更好的结果——也更安全。
聚合物与其他成分的相容性
Polymer-Polymer兼容性
从HSP背后的形式理论，有可能证明一个相当令人震惊的事实，已经被实验验证。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，为了相互兼容，两个聚合物之间的HSP距离必须小于0.1，这是不可能的。
我们的实际经验是，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“合理”和“热力学”的区别。
中等分子量的PMMA和PEMA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的高温，使聚合物达到平衡。因此，如果你想要实际的聚合物共混，并降低长期相分离的风险，低热sp距离是一个很好的起点。
如果你使用一个更精细的HSP，它将dH分裂成供体/受体，你会发现具有较大距离的聚合物，如聚乙烯醇和聚乙烯醇醋酸酯，可以通过供体/受体相互作用形成稳定的共混体。
Polymer-Other添加剂兼容
对于涂料中的其他添加剂，如颜料、纳米粘土等，较低的HSP距离是长期稳定的第一标准。通过从你的供应商那里了解你的添加剂的HSP或通过测量你自己的特殊成分的价值，它变得更容易创造“快乐”的配方，在那里一切都喜欢与其他一切。
涂料的许多长期问题是由不相容性引起的，这些不相容性很容易在早期通过热sp距离识别出来。对于那些涂在含有增塑剂的聚合物上的人，对它们的HSP值有很好的了解，可以更容易地控制增塑剂是否在界面处积聚(这可能是危险的)或相对容易地被吸收到涂层中。
涂层和基材附着力
通过聚合物-聚合物界面获得粘附的最好方法(即涂层中的聚合物粘附在基体的聚合物上)是让聚合物链从两边交叉，并成为纠缠。我们如何计算两种聚合物能够混合和纠缠到所需数量的机会?Helfand给出了一个相当简单的公式，将混合距离与c参数联系起来，从而与HSP距离联系起来(图4)。
因为粘附力依赖于表面能的神话是如此广泛(尽管表面能小了1000倍而不相关)，这种理解界面间粘附力的强大方法还知之甚少。但了解它的人可以证明它的力量能够正确地表达。
这不仅仅是聚合物-聚合物。我们通常有一个非聚合物的表面，需要附加一个引物分子来帮助粘附。引物需要足够长的时间来打结，并足够兼容，以愉快地与聚合物结合。因此，找到引物的HSP对成功至关重要。
但是不管Helfand公式告诉我们多少我们可能得到混合，聚合物不会在没有辅助的情况下穿过界面。对于热封，我们有温度和时间。对于涂层，我们有溶剂。
如果从溶剂中释放一种聚合物，那么，当然，如前所述，必须有良好的聚合物-溶剂相容性。但我们还需要溶剂来腐蚀涂层上的聚合物。攻击，没错，但不能太过，否则我们就摧毁地表。
HSP的另一项工作是调整溶剂，使其在表面上有足够的“咬”，以使纠缠发生(即超过几纳米)，而不破坏表面(缺陷在μ m尺度上)。
结论
50多年来，HSP的价值已经在配方世界中证明了自己。如果所有关键成分的HSP值都是已知的(无论是供应商还是公司内部)，那么寻找良好的溶剂(或混合物)或确保配方中各成分之间的兼容性等常见任务就会变得更加合理和高效，并经常使用HSP距离计算来找到最佳组合
欲了解更多信息，请访问www.specialchem.com/
