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1、涂料工艺学第二章涂料的理论基础2.1涂料流变学l2.1.1黏度l黏度是涂料的一个重要参数，是流体的 重要特征之一。黏度是流体抗拒流动的 一种性质，是流体分子间相互吸引而产 生的阻碍分子间相对运动能力的度量， 即流体的内部阻力。l假设在两块平行板之间存在流体，下面 平行板是静止的，上面一块是移动的。2.1涂料流变学图1-16 平板间液体速度变化平板间液体速度变化（梯度分布）2.1涂料流变学l速度梯度（切变速率）用D表示，单位为s-1lD=dv/dxl=F/Al黏度D（牛顿黏度定律）l物理意义：两流体之间，单位面积上的摩擦力与流 体的速度梯度D成正比。l单位：Pasl1cP（厘泊）10-3 Pas
2、 lP的量纲是dyns/cm2(绝对黏度的度量单位）l运动黏度(St)=/(是液体的密度）2.1涂料流变学l习题l用一把12cm宽的刷子把黏度为2.0P的 涂料刷在平板上，得到0.01cm的湿膜。 刷子在平板上压扁的宽度是3cm，刷漆 速度是100cm/s。求在这种条件下剪切 速率和刷子的阻力。解：由于施工时涂料在刷子和平板之间大约 等量分开，若 湿膜厚度为0.01cm的话，其平均间隙应该是湿膜厚度的 2倍即0.02cm 已知=2.0PX=0.02cmV=100cm/sA=36cm2=F/AD=V/X=100/0.02=5000s-1= /D=2.0F=*A=2.0*5000*36=36000
3、dyn（36000/980=36.7g）2.1涂料流变学l涂料黏度的影响因素l1温度：影响很大l仅知道液体在一个温度下的黏度l经验公式d/dT=f()-黏度列线图，误差大l已知液体在两个温度下的黏度，根据 Anderade方程式l=A10B/T (1)llog=logA+B/T （2）llog1/2=B(1/T1-1/T2) （3）l图解法2.1涂料流变学l习题l亚麻仁油在10oC(283K)的黏度是0.60P，在 50oC（323K）下为0.18P。计算30oC和90oC 下的黏度。l解：用方程式3和已知数算出B值lLog0.6/0.18=B（1/283-1/323)lB=1194代入方程式
4、2求出logA=-4.4408lLog=1194/T-4.4408l30oC时=0.316Pl90oC时=0.071P2.1涂料流变学l2聚合物浓度的影响lr=/0(相对黏度）lLogr=W/（Ka-KbW ） 适用在涂料l导出Ka=（1/Logr1-1/Logr2）/（1/W1-1/W2 ）l溶剂黏度对溶液黏度的影响l混合溶剂log=（Wlog）il分子量对黏度的影响2.1涂料流变学l3颜料及填充料的影响-吸油量l4其他影响因素：剪切应力，剪切速率， 时间等l黏度和粘性两个概念:粘性是涂料阻碍剥 离的能力。两者是独立的不同的性质。2.1涂料流变学l2.12牛顿流体：假设一种理想液体，它在任一
5、 给定的温度下，在很宽的剪切速率范围内， 其黏度保持恒定。如水，溶剂等。现实的涂 料很少属于牛顿流体。2.1涂料流变学2.1涂料流变学2.1涂料流变学l2.1.3非牛顿流动l一种液态体系，当剪切应力变化时，其黏度也 随之变化，属于非牛顿型。包括塑性流动，假 塑性流动，膨胀性流动，触变型等流动。l几个术语：假塑性流动，膨胀性流动，触变性 ，屈服值，表观黏度。l假塑性流动：涂料的黏度随着剪切力的加大而 下降，大多数成品涂料均属此流动特征。2.1涂料流变学l膨胀性流动：相反涂料的黏度随着剪切 力的加大而上升，研磨漆料l触变性：由于触动而黏度降低的流动性 质。l屈服值：为使涂料流动所必需达到的某 个最
6、小剪切应力值。（宾汉体Bingham 流动）l表观黏度：黏度值只与一个剪切速率有 关，不同的剪切速率下有许多个表观黏 度 2.1涂料流变学2.1涂料流变学2.1涂料流变学2.1涂料流变学2.1涂料流变学2.1涂料流变学2.1涂料流变学2.1涂料流变学2.1涂料流变学l2.1.4黏度的测定及单位换算l1）黏度的测定l精确的仪器：毛细管粘度计，落球粘度计，同 心圆筒式粘度计，单圆筒式粘度计。l近似的仪器：毛细孔粘度计，气泡粘度计，转 盘粘度计。l不规则设备：孔洞，浆式，混合器l流行的涂料粘度测定粘度计：福特杯（Ford ），壳牌黏度杯（Shell），盛氏黏度杯（ Zahn）2.1涂料流变学l粘度计
7、l1毛细管粘度计l2同心圆式旋转粘度计l3转盘粘度计l4落球粘度计l5气泡粘度计l6单孔粘度计l7多孔粘度计l8锥板粘度计l9带式粘度计2.1涂料流变学2.1涂料流变学2.1涂料流变学l一 几种流出式粘度计的单位换算lV=At-B/t(理论）lV=A（t-B)(实际）lV=At(高黏度）lt2=A1(t1-B1)/A2+B2l二气泡上升时间换算成运动粘度单位lV=t-0.3/t22.1涂料流变学l黏度杯名称 小孔或毛细管半径（cm）流出时间换算成运动黏度方程式l福特杯（短粗毛细管）容量100MLl2# 0.126 v=1.60（t-23.5 ）l3# 0.170 v=2.31（t-6.6）l4
8、# 0.206 v=3.85（t-4.5）2.1涂料流变学l壳牌杯（长毛细管）容量23mllS-1 0.089 v=0.226（t-13 ）lS-2 0.119 v=0.576（t-5）lS-3 0.152 v=1.51（t-2）lS-4 0.191 v=3.45（t-1）lS-5 0.229 v=6.5（t-1）lS-6 0.290 v=16.2（t-0.5 ）2.1涂料流变学l盛氏杯（仅有小孔）容量44mll1 0.100 v=1.1（t-29）l2 0.137 v=3.5（t-14）l3 0.188 v=11.7（t-7.5）l4 0.213 v=14.8（t-5.0）l5 0.264
9、v=23t2.1涂料流变学lV=A（t-B）l对高黏度液体V=Atl时间换算 t2=A1(t1-B1)/A2+B22.1涂料流变学2.2聚合物的玻璃化转变温度Tgl高分子的Tg是一个二级转变温度，表明 聚合物从玻璃主体特征（脆性）变成可 挠曲的或可塑性的性质（熔点及沸点是 一级转变温度）。高分子的Tg取决于分 子的结构、组成、分子量等因素，决定 形成膜的强度，柔韧性，硬度等力学性 能，在涂料科学极为重要。 2.2聚合物的玻璃化转变温度Tgl2.2.1 涂料溶液的TglTg溶液=Tg聚合物-kws2.2聚合物的玻璃化转变温度Tg 热固性涂料的Tgl热固性涂料中的官能团需要发生交联反应，当 T固化
10、 Tg时，官能团自由移动，反应速率取 决于官能团的浓度和反应动力学参数。当T固 化 Tg时，官能团不能自由移动，反应速率 取决于官能团的移动速度。普遍存在于汽车漆 ，烤漆。交联后分子量增加，Tg相应增加， 性能提高。l了解Tg的作用，在配方设计时可按需要改变 涂料的配料，达到最佳的涂装要求和质量要求 。2.3表面张力l1表面张力的本质l两种分离相（如颜料和漆料）之间界面上的力 不同于任何一相中的力，因为界面上的力处于 不平衡状态。界面上有一种不对称力的分布， 引起了所谓的表面张力效应。l不平衡的表现：表面张力驱使降低液体的表面 面积，热力学：降低体系的自由能，降低表面 面积。达到平衡-液珠。l
11、2接触角2.3表面张力l2表面张力对涂料的影响l表面张力对涂料的生产和涂装的实施及 涂装质量都有重要的影响，可能出现流 平性不好，产生缩孔，橘皮，回缩等现 象。2.3表面张力l3解决办法l降低涂料的表面张力（涂料配方），提 高基材的表面张力。（涂装前处理）l4表面张力的测定l毛细管法L=Lrg/2(液体）ls=(L-/8)(cos+1)/2(固体）2.4表面活性剂及分散剂l获得涂膜高亮度和高着色力的关键因素 有颜料能否极好的分散、颜料粒子尺寸 是否最优化以及微粒分散后在配方中能 否持久稳定性这几个方面。l在涂料、油漆和油墨形成稳定悬浮液的 过程中，颜料的分散可以分为以下三个 步骤：2.4表面活
12、性剂及分散剂l图 1 : 分散加工过程2.4表面活性剂及分散剂l颜料的润湿： 在颜料凝聚和团聚(群聚 态)的粒子表面间，空气和水气被树脂溶 液所替换。固/气两相(颜料/空气)被转换 成固/液两相(颜料/树脂溶液)。2.4表面活性剂及分散剂l润湿效率主要依赖于颜料和介质的相对 表面张力，也就是混合物的粘度。吸附 机理取决于颜料的化学特性和所用的分 散剂类型。2.4表面活性剂及分散剂l研磨级别：在机械能作用下(冲击和剪切 力)，颜料的团聚态被打碎成较小的微粒 ，成为分散状态(均匀分布)。经过润湿 阶段，必须将颜料微粒的凝聚态及团聚 态分散开来。通常是利用高效研磨设备 的机械作用来完成。2.4表面活
13、性剂及分散剂l颜料悬浮液的稳定性：分散剂用于保持 颜料分散状态的稳定，阻止失控的絮凝 。并依据颜料表面所吸附的粘接剂种类 和分子结构，促使悬浮液获得稳定状态 。2.4表面活性剂及分散剂l在颜料分散作用的稳定方面有两种重要机理：l静电稳定：当颜料表面具有相同电荷的微粒相 互接触时会产生静电稳定作用。具有相同电荷 的两微粒有相互排斥效果。带电微粒在库仑排 斥力作用下维持了体系的稳定。l位阻稳定 当颜料固体微粒表面完全覆盖着聚 合物时，一个颜料可以说具有位阻稳定性质， 使微粒间的接触不可能发生。聚合物与溶剂( 有机溶剂和水)之间的强烈作用可以阻止颜料 粒子相互过分接近(絮凝作用)。2.4表面活性剂及
14、分散剂l图 1 : 位阻稳定作用2.4表面活性剂及分散剂l图 1 : 静电稳定作用2.4表面活性剂及分散剂l为什么要使用分散剂l在制备涂料过程中，分散剂质量是需要考虑的 最苛刻的因素。分散剂的作用是促进分散过程 ，获得精细的微粒尺寸，使颜料在树脂溶液中 呈稳定状态。l分散过程十分复杂，与众多参数有关，比如： 流变性、树脂的化学结构、与溶剂和颜料相关 的方面、分散剂的出现以及所应用的分散技术 。2.4表面活性剂及分散剂l分散剂家族（在助剂部分讲）l聚合物分散剂l表面活性剂 l四 小结l不同种类的表面活性剂有一方面是相似的：它 们吸附于固体/溶液界面形成一个边界层，防 止粒子互相靠近，相同电荷的静
15、电排斥力及空 间阻碍两者都可使颜料分散体稳定。l1溶剂l溶剂是指用来溶解或分散成膜物质的， 并在使用过程中挥发掉的液体。主要作 用是溶解树脂，赋予流动性，调节干燥 速度，降低成本，提高施工性能等作用 。但对大气环境有影响（VOC）。2.5溶解性及相互作用参数2.5溶解性及相互作用参数l2涂料中常用溶剂l一般是指有机溶剂，包括：水，脂肪烃，芳香烃，醇，酯，谜 ，酮等。l按氢键强弱和形式，溶剂可分为三种类型：l弱氢键溶剂： 主要包括烃类和氯代烃类溶剂，烃类溶剂又 分为脂肪烃芳香烃。常用的有：石脑油、200#溶剂油、甲苯、 二甲苯、三氯乙烷等。0.3（氢键力平均值）l氢键接受型溶剂：主要指酮类和酯类。酮类比酯类便宜，但 后者气味芳香。常用的有：丁酮、丙酮、环己酮、甲苯异丁基 酮、异佛尔酮、醋酸乙酯、醋酸丁酯、醋酸异丙酯、醋酸-2-丁 氧基乙酯等。1.0l强氢键溶剂：主要为醇类溶剂。常用的有：甲醇、乙醇、
