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1、涂装工艺学（2）,胡会利 电化学教研室,第2章 涂料概述,2.1 涂层系统 2.2 涂料的基本组成及各组分的作用 2.3 涂料的成膜 2.4 涂膜附着理论 2.5 涂层的失效,2.1 涂层系统-底漆,有些涂层体系，如防腐蚀涂料、汽车漆等有几道涂层，组成一个整体系统发挥功效，包括底漆、中间漆和面漆。 底漆的性能要求 对底材有良好的附着力，其基料往往含有羟基、羧基等极性基团。 金属腐蚀时在阴极呈碱性，故底漆的基料宜具有耐碱性。 底漆的基料具有屏蔽性，阻挡水、氧、离子的透过。 某些底漆中含有缓蚀颜料。 底漆的厚度太厚会引起收缩应力，损及附着力。 底漆应粘度较低，对物面有良好的润湿性，且其溶剂挥发慢，
2、有充分时间，对焊缝、锈痕等部位能透入较深。对于混凝土面及木材能透入锚固。,2.1 涂层系统-中间层,主要作用： 与底漆及面漆附着良好。漆膜之间的附着并非主要是靠极性基团之间的吸力，而是靠中间层所含溶剂将底漆溶胀，使两层界面的高分子链缠结密着。 在重防腐涂料系统中，中间层的作用之一是能较多地增加涂层的厚度以提高整个涂层的屏蔽性能。在整个涂层系统中往往底漆不宜太厚，面漆也不宜太厚，故将中间层涂料制成触变性高固体厚膜涂料，无气喷涂，一次可获厚膜。 汽车漆的中间层，其作用是提供平整表面，保持美观，且往往具有较好的弹性，能缓冲阻尼小石冲击车辆而不裂。,2.1 涂层系统-面漆,面漆的主要作用： 遮蔽太阳光
3、紫外线对涂层的破坏。在中东海湾沙漠及东南亚炎热地区，面漆宜含铝粉、云母氧化铁等阻隔阳光的颜料，以延长涂层寿命。 装饰美观，号志（如化工厂的不同管道颜色）等。 某些耐化学品涂料（如过氯乙烯漆），往往是最后一道面漆是不含颜料的清漆，以获得致密的屏蔽膜。,2.2 涂料的基本组成及各组分的作用,涂料的基本组成及作用,2.2.1成膜物质（基料 ）,具有黏结涂料中其他成分的作用，对涂料和涂膜的性质起着决定性作用。 涂料成膜物质最基本的特性是能够经过施工后形成薄层的涂膜，并为涂膜提供所需要的各种性能。 涂料常以主要的成膜物质来进行命名，如环氧铁红防锈底漆、丙烯酸聚氨酯面漆等。,2.2.1 成膜物质（基料 ）
4、,非转化型成膜物质 在涂料成膜过程中化学组成结构不发生变化 热塑性，多具有可溶解性、可熔融性。 包括天然树脂、天然高聚物的加工产品、合成的高分子线型高聚物,转化型成膜物质 具有可反应的官能团 聚合成不溶解、不熔融的网状高聚物，热固性。 包括干性油和半干性油、天然漆和漆酚、低分子量化合物的加成物、合成聚合物,2.2.2 颜料,是色漆的重要组成部分，不能单独成膜，也称为次要成膜物质。 一般为微细的粉末状有色物质，通过涂料生产过程中的搅拌、研磨、高速分散等加工过程，使其均匀分散在成膜物质及其溶液中，形成色漆。 显现颜色，赋予涂膜以遮盖力。还对涂料的流变性、保护性能、耐候性、耐化学药品性、耐热性、涂膜
5、的机械性能很有影响，还关系到涂料的成本。加入功能性颜料，还可赋予涂层某些特定的功能，如导电、阻燃等性能。 可分为着色颜料、体积颜料和功能性颜料。,钛白、锶黄、酞青蓝、甲苯胺红、石墨、炭黑、华兰、群青,碳酸钙、磷酸钙、云母、硫酸钡、滑石粉、硅藻土，调节PVC,防锈颜料、防污颜料、阻燃颜料、导电颜料，价格高昂。,2.2.2 颜料-防锈颜料,主要防锈填料种类及作用,2.2.2 颜料-纳米填料,利用纳米粒子抗紫外线等性能对现有涂料进行改性，提高涂料的某些性能，这种涂料称为纳米改性涂料。 用某些特殊工艺制备的涂料，其细度均在纳米量级，这种涂料称为纳米结构涂料。 纳米TiO2、纳米SiO2、纳米ZnO、纳
6、米Fe2O3等是优良的抗老化剂。,2.2.2 颜料-纳米填料,纳米ZnO 质量轻、厚度薄、颜色浅、吸波能力强吸波涂层 新型防晒剂和抗菌剂防菌涂层 紫外光下，能分解有机物质、抗菌和除臭环保涂料 纳米SiO2 触变性是纳米SiO2改善涂料各项性能的主要因素 防流挂、施工性能好 抗沾污性，具有优良的自清洁性能和附着力 极强的紫外吸收、红外反射特性，抗紫外线老化，隔热性,2.2.2 颜料-纳米填料,纳米TiO2 光学效应随粒径而变，尤其是纳米金红石型TiO2具有随角度变色的效应 吸收紫外线，可提高轿车的漆的耐候性 光催化氧化，能分解NOx、卤代烃、硫化物、醛类、多环芳烃 纳米碳酸钙 补强性、透明性、触
7、变性和流平性 增强涂层的柔韧性、硬度及光泽性 蓝移现象，增加了隔热性，抗紫外线老化，防热老化,吸收带的最大吸收波长向短波方向移动,2.2.2 颜料-填料的选择,颜填料的粒径及表面积 粒径小、表面积大，可吸附成膜聚合物而使颜料颗粒成为准交联点，使漆膜的机械性能提高。 主要影响涂料的流动性、贮存性和耐久性。 瘤状粒子（近球形）、针状粒子、扁平状粒子 耐光性、稳定性 环保性 超细化与分散 表面改性 涂料是热力学上不稳定的分散体。 颜料的表面处理和颜料分散剂的分子设计至关重要。,2.2.2 颜料-填料的含量,干燥的涂层可以认为是由填料与成膜物质形成的固-固相分散体系。 颜料体积浓度（PVC），颜料体积
8、占干膜总体积的百分比 临界颜料体积（CPVC），当刚好有足够的成膜物提供颜料表面一个完整的吸附层，并填满紧密堆积的固体颗粒间隙的PVC 比体积浓度，PVC与CPVC之比,工业涂料 =0.80.9,防锈漆 =0.750.9,需打磨的底漆 =1.051.15,2.2.2 颜料-填料的含量,在涂料的配方设计中，最重要的因素之一就是选择基料与颜料之间的比例关系。 颜料体积浓度（PVC）的主要特征是：在低于CPVC时，颜料粒子很少接触，而高于CPVC时，基料被空气所取代。在CPVC两侧，涂膜的性质会有惊人的变化。 光泽与PVC有着很大的关系，通常不加颜料的涂膜具有很高的光泽，起初百分之几的颜料对光泽没有
9、影响，但是当PVC高于6%9%时，在PVC和CPVC的范围内，光泽一直下降。低光泽表面比平滑光亮的表面能赋予更好的层间附着力。,2.2.3 溶剂和分散介质,在成膜过程中要完全挥发掉，要求他们不仅对成膜物质有较好的溶解性（分散性）和化学稳定性，还要挥发性大、毒性小、成本低。 溶剂的挥发速度影响涂膜的干燥时间及质量，并要与转化型成膜物质的固化交联过程相匹配。,各种低污染涂料固体分含量比较表,2.2.3 溶剂和分散介质-水,水溶性涂料：由水溶性树脂为基料制成的涂料，如水溶性自干或烘干涂料，电沉积涂料包括阳极电泳和阴极电泳漆。 水分散涂料：以水为分散介质合成聚合物乳状液组成的水分散系统，如乳胶漆、水溶
10、胶涂料等。 以电沉积涂料和乳胶漆占主导地位 节约资源、减少污染；是涂料开发的重点,2.2.3 溶剂和分散介质-常用溶剂品种,萜烯溶剂：来自松树的分泌物。松节油、松油 石油溶剂：烃类，从石油分馏得到。汽油、松香水、火油 煤焦溶剂：烃类，将煤干馏得到。苯、甲苯、二甲苯 酯类溶剂：是低碳的有机酸和醇的结合物。乙酸丁酯、乙酸乙酯、乙酸戊酯 酮类溶剂：主要用来溶解硝酸纤维。丙酮、甲乙酮、环己酮、甲已酮 醇类溶剂：仅能溶解虫胶、缩丁醛树脂 其他溶剂：含氯溶剂、硝基化烷烃溶剂、醚醇类溶剂,2.2.4 助剂,对涂料的生产过程发生作用：消泡剂、润滑剂、分散剂、乳化剂等 对涂料施工成膜过程发生作用：催干剂、固化剂
11、、流平剂 对涂料贮存过程发生作用：防结皮剂、防沉淀剂 对涂膜性能发生作用：增塑剂、防霉剂、阻燃剂、防静电剂、紫外光吸收剂等。,2.3 涂料的成膜,涂料涂覆于物体表面后，由液体或疏松粉末状态转变成致密完整的固态成膜的过程，即为涂料的成膜，亦称之为涂料的干燥和固化。 涂料成膜主要靠物理作用和化学作用来实现。 挥发性涂料和热塑性粉末涂料等，通过溶剂挥发或融合作用形成致密涂膜。 热固性涂料必须通过化学作用才能形成固态涂膜。,2.3.1 非转化型涂料-挥发性涂料,仅靠物理作用成膜的涂料 包括挥发性涂料、热塑性粉末涂料、乳胶涂料及非水分散涂料。,挥发性涂料 硝基纤维素涂料、过氯乙烯涂料、热塑性丙烯酸涂料及
12、其他烯基树脂涂料等。 多采用自然干燥。,湿阶段,过渡阶段,干阶段,2.3.1 非转化型涂料-挥发性涂料(湿阶段),在湿阶段，溶剂在自由表面大量地挥发，混合蒸气压大致保持不变且等于各溶剂蒸气分压之和。,烃类、酯类溶剂的质量相对挥发速率： 酮类、醇类溶剂的质量相对挥发速率：,溶剂的相对挥发速率是以醋酸丁酯做参考,指一定量的醋酸丁酯或者试验溶剂挥发90%所需的时间。,溶剂的体积相对挥发速率用EV表示，以醋酸丁酯的EV等于100作为基准。,2.3.1 非转化型涂料-挥发性涂料（湿阶段）,依克劳修斯-克拉贝龙方程可推得,醋酸丁酯的 ，当温度由25增至35时， 由100增至170，温度对挥发性产生了显著的
13、影响。,涂料用溶剂挥发得太快时，会带走大量热量，产生显著的冷却效应，造成水汽冷凝。因此，为了降低溶剂的成本和平衡溶剂的挥发性都采用混合溶剂，混合溶剂的挥发速率有以下关系式,纯i溶剂的挥发速率,2.3.1 非转化型涂料-挥发性涂料（过渡阶段）,在过渡阶段，沿涂膜表面向下出现不断增长的黏性凝胶层，溶剂挥发受表面凝胶层的控制，溶剂蒸气压显著下降。,2.3.1 非转化型涂料-挥发性涂料（干阶段）,在干阶段，溶剂挥发受厚度方向整个涂膜的扩散控制，溶剂释放很慢。 相对干涂膜中残留溶剂的释放可按下式计算：,C单位干涂膜质量保留的溶剂质量，g； x干膜厚度，m； t时间，h； A、B与涂料配方有关的常数。,2
14、.3.1 非转化型涂料-挥发性涂料（干阶段）,对于指定配方的涂料，相对干涂膜中的溶剂保留量取决于涂膜厚度。 不同配方的涂料，影响溶剂保留率的因素包括溶剂分子的结构和大小、树脂分子结构与分子量及颜填料的形状和尺寸。 分子量高的树脂对溶剂的保留率较高，硬树脂对溶剂的保留率要比软树脂高。因此，添加增塑剂或环境温度提高到玻璃化温度以上时，都将明显地增强溶剂的扩散逃逸。 在涂料中添加颜填料或颜填料微细分散，甚至是片状颜料，都将使溶剂扩散逃逸性不断减弱。,2.3.1 非转化型涂料-挥发性涂料（干阶段）,环境条件中对挥发性涂料干燥有影响的因素是空气流速和温度。 由于湿阶段溶剂大量迅速挥发，表面溶剂蒸气达到饱
15、和，此时提高空气流速有利于涂膜的表干。 提高温度使涂膜中溶剂扩散性增加，有利于实干和降低溶剂保留率；但温度提高使溶剂饱和蒸气大幅度增加，结果涂膜表干太快，流平性很差，在低温烘干强制干燥时，可通过控制好一定的闪干时间来解决这一矛盾。 对于有较强的溶剂保留能力的涂料，在施工时，每次喷涂要薄，并控制好喷涂间隔时间，在实干后重喷，以免涂层长期残留溶剂而易被揭起。,2.3.1 非转化型涂料-热塑性乳胶涂料,乳胶涂料的成膜过程,此类涂料的干燥成膜与环境温度、湿度、成膜助剂和树脂玻璃化温度有关。 环境湿度极大地制约着成膜湿阶段水的蒸发速率，提高空气流速可大大加快涂膜中水的蒸发；当乳胶粒子保持彼此接触时，水的
16、挥发速率可降至湿阶段的5%10%。 一般地，乳胶涂料的表干在2h内，实干约24h左右，干透则约需2周。,2.3.1 非转化型涂料-热熔融成膜涂料,热塑性粉末涂料、热塑性非水分散涂料必须加热到熔融温度以上，才能使树脂颗粒融合形成连续完整的涂膜。 成膜状况取决于熔流温度、熔体黏度和熔体表面张力。,2.3.2 转化型涂料,靠化学反应交联成膜的涂料称为转化型涂料。 此类涂料的树脂分子量较低，他们通过缩合、加聚或氧化聚合交联成网状大分子固态成膜。 由于缩合反应都利用加热获取化学反应的能量，使涂膜固化，故此类涂料亦称为热固性涂料。 缩合反应固化：酚醛涂料、氨基烘漆、聚酯涂料、丙烯酸烘漆等。 加聚反应固化：不饱和聚酯、双包装环氧、双包装聚氨酯等。 氧化聚合固化：油性涂料、醇酸涂料、环氧酯涂料。,2.3.2 转化型涂料-气干性涂料（氧化聚合）,气干性涂料是利用空气中的氧气或潮气来固化成膜。 （1）氧化聚合涂料 含干性油的涂料按氧化聚合方式成膜，干燥性能与油的性质、油度、催干剂等有关。 干性油基的氧化聚合反应极为复杂，并且在干
