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涂料科學的基本理論及其特性
作者:鉆天老鼠    來源:自然涂藝網-免費設計    更新時間:2007/4/11    瀏覽次數:1150

涂料科學的基本理論及其特性

文章來源:中國新型涂料  添加人:自然涂藝 

本文的主標題的啟示來自于PPG公司著名的涂料專家,1987年美國化學會Roy Tess獎獲得者,Marco Wismer在十五年前發表的一篇文章的題目“涂料技術——我們為什么得不到足夠的尊重(Coatings Technology——Why We Don’t Get E-nough ResPect)”十五年前,M.Wismer的文章寫出了涂料科技人員默默奉獻的心情,其大意是,許多年來,涂料工業中的研究工作和技術工作如同傳教士和修道士的工作,那么孤寂,沉湎于傳統之中,但是,他們更了解,他們的修道土般的工作能在職業上和在物質上帶來多么大的成功。他又感慨地寫道,盡管現在涂料工業中高技術的價值已經明確的建立起來了;盡管涂料產品已經給社會創造了難以計算的巨大價值;盡管涂料工業中產生的科學含量越來越高,但是,我們仍無法贏得其他工業界同輩們的尊重。M.Wismer在分析了原因后指出,從有歷史紀載以來就有涂料,但直至最近,油漆生產仍被認為是一門手藝 (an art),而不是一門科學(not ascience)。

涂料生產從作坊式轉變為現代工業還是近二、三十年的事,但他還是滿懷信心地寫道,如你能注視一下當今涂料技術中的前沿性的科學研究工作,就會發現是綜合了多門學科,包括聚合物化學、有機化學、無機化學、分析化學、電化學、表面與膠體化學、流變學、色彩物理學、化學工程、腐蝕、粘接、材料科學、微生物學、光化學和物理學。而且,有潛力要把涂料工業變成美國頂尖研究生最令人激動和吸引力的產業之一。我們可以認為,到了八十年代,涂料技術已經發展成為一門科學。1988年美國 Southern Missis.sippi大學R.B.Seymour教授發表了一篇題為“涂料科學技術的最新進展(Recent Advances in Coatings Science。 TechnoIogy)’12]。他也同樣寫道,油漆制造是人類最古老一門應用技術,而現在,生產的涂料已是無處不在和人皆知之,可是,顧客只是欣賞涂料賦予的保護和美麗,并沒有感覺到涂料本身的存在,只有當涂料失敗時,才會注意到涂料的存在。有些化學家看不到涂料的復雜性和對化學學科的貢獻而輕視涂料,更有些人把涂料稱為“無知的行為”。R.B. Seymour認為,涂料技術通過多年的努力,如 M.Wismer等人取得的成就,已經成為一門科學。這里,我們應該值得提到,就在那個年代出版了代表涂料科學理論的幾本著作,有T.C.Patton的“涂料流動與顏料分散(Paint Flow and PigmentDispcersion,Sec.Ed,1979 )”, R.W.Tess的“應用聚合物科學(Applied Polymer Science,Sec. Edi. 1985), S. Paul的“表面涂料科學與技術(Surface Coatings Science and Technology, 1985)”,G.D. Parfitt和A.V.Patsis的“有機涂料—科學與技術(Organic Coatings-Science and Technogy。1986)”。從這里可以看出,通過六十、七十年代諸多涂料專家和科學家的貢獻,以及涂料工業的發展和對社會的貢獻,涂料技術已經成為一門科學。這些涂料專家和科學家中,我們可以列舉地幾位,如有Baker公司的T.C.Patton,Dow化學公司的N.Sarkar,PPG公司的M.Wismer和R.E.Smith, North Dakota州立大學的Z.W.Wicks, Southern Mississippi大學的R.B.Seymour和加拿大Waterloo大學的A.Rudin等。


涂料科學的基本理論及其特性
2007/3/19/9:21 來源:中國新型涂料
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那么今天,涂料科學得不到足夠的重視是不是反映了我國涂料界的當前情況。本文并不想去回答涂料科學為什么得不到足夠的重視這個問題,這個問題應該留給我國涂料界來討論和回答,本文只想概述一下有關涂料科學的基本理論,企求對我 國涂料界在重視涂料科學理論上有所裨益。

涂料科學的基本理論應包含以下內容:

①涂料用樹脂(聚合物)的分子設計與合成;

②顏料在聚合物溶液或分散體中的分散性與穩定性;

③涂料配方原理及其評價方法;

④涂料流動與流變性質;

⑤涂料的成膜與固化。

下面分別簡述其內容要點。

1 涂料用樹脂的分類

涂料用樹脂(聚合物)的分子設計與合成大家知道,盡管能用于涂料的樹脂有很多,有天然的和合成的聚合物,但以下幾種合成樹脂占據了 90%以上:有醇酸樹脂,氨基樹脂,酚醛樹脂,環氧樹脂,有機硅樹脂,丙烯酸樹脂和聚氨酯樹脂。這些樹脂在涂料中作為主要成膜物質時,在形態 上主要有以下幾種。

①有機溶劑溶液體系。有機溶劑能溶解聚合物,是均相體系,在熱力學上是穩定的。

②乳液體系。是以水為連續相,聚合物不溶于水,依賴于表面活性劑,以分散相形式組成的乳狀液,為水包油乳液。

③水分散體系(水稀釋性體系)。以水為連續相,很少或不用表面活性劑,聚合物有一定的親水性,以分散體的形式存在,體系中可含有一定量的親水性有機溶劑。

④水溶液體系。聚合物通過成鹽的辦法,使其成為離子聚合物,能溶于水中,還可以加人一定量的水溶性有機溶劑,來提高聚合物的水溶性,是均相體系。

⑤非水分散體系。連續相為非水的有機溶劑,一般為非芳烴類(如烷烴、醇類等),低毒性低氣味的有機溶劑,聚合物借助于兩親性(即一頭親溶劑,而另一頭親聚合物)的特殊表面活性劑,或聚合物經改性后,以分散體形式存在。

⑤粉末體系。固體微粉狀聚合物。原則上說,幾乎所有的樹脂都能制成這些形態,但當同一種樹脂制成不同形態時,其分子結構、分子量大小、溶劑及助劑的種類和組成、合成方法等都有很大的不同。其中幾類是常用的,如溶劑型涂料(第一類),乳膠漆(第二類),電泳漆(第四類),粉末涂料(第六類)。



第三類和第四類主要是開發水性涂料和高固分涂料而發展起來的比較新的類型,是當前涂料的發展方向之一。當然,每一種形態根據不同的應用和各自的優缺點都有很大的發展空間,從原料到工藝不斷的改進和創新是最重要的,這方面在理論上和技術上每年國內外都有大量的專利文獻報道。其中很多站在科學的前沿。例如, 1996年美國 Eastern Michgan大學的F.N.Jones發表了一篇題為“朝著無溶劑液體涂料( TOward Solventless Liquid Coatings)”。他們已經作了具有重要意義的開創性工作。還有1996年發表的歐共體的研究項目“自分層涂料”的研究結果,無論在理論上還是在技術上都是非常前沿的。

2顏料的分散性與穩定性

無論是何種樹脂體系當加入顏料(指常用的無機顏料)后,都成了分散體,是熱力學上的不穩定體系。由于顏料的密度遠遠大于樹脂溶液,在重力作用下,下沉是不可避免的。顏料可以粉碎得很細,但是布朗運動使顏料粒子碰撞發生絮凝而下沉,因此,顏料的表面處理和顏料分散劑的分子設計是關鍵。在不同的樹脂體系中,所用的顏料分散劑是十分專一的,是很多專利報道,如開發了一種新型的錨合型分散劑。由于顏料結構復雜,品種繁多,在不同的涂料體系中分散與穩定的理論是很復雜的,只有進行必要的理論性實驗研究,才有可能開發出性能優良的顏料分散劑和得到均勻穩定的涂料。

3涂料配方原理及其評價方法

對于一種成功的涂料,其技術要求是很高的,因為厚度為幾個微米至幾十微米的漆膜,要滿足來自各方面不同要求的指標多達幾十項。從技術上看,主要有二方面技術,即涂料配方技術和涂料生產工藝與設備。可以這樣說,只要掌握了這二方面技術就可以生產涂料產品,但是,要提高涂料性能與質量,開發新品種,這是遠遠不夠的。這里只涉及涂料配方問題,要得到一個性能非常好的配方,要作大量的實驗,因此,重要的一點是要在一定的理論指導下進行配方設計。

長期來涂料配方是采用顏粘比(質量比)。由于不同顏料間的密度相差很遠,而且涂料涂布于底材后成膜,顏料在漆膜中占居的是其體積而不是密度,因此用顏粘比來制定配方與評價一種涂料是不科學的。約在六十年代,提出了顏料體積濃度(PVC)與臨界顏料體積濃度(CPVC)的概念。大量的實驗表明,漆膜的很多性能,如密度、強度、腐蝕性、光澤性、遮蓋力及滲透性等在CPVC處發生突變。根據不同的應用,可以設計 PVC>CPVC(如底漆、內墻涂料等)或 PVC< CPVC(如面漆)的配方。由于配方制定的試驗工作量很大,已發展微機的配方設計。因為漆膜的性能指標很多,而且有些性能是相互制約的,如何綜合各方面性能,比較快的得到最佳配方,國外提出“蛛網圖(spider granph)”技術,根據蛛網的面積來評價涂料的綜合性能,此法比較方便和實用。M.Simakasi和C.R.Hegedus在1993年提出了“涂料與涂料體系綜合性能評價方法(A Methodologyfor Evaluating theTotal Performance of Coatings andcCoating Systems”,)簡稱 TPE法,可以很全面的反映涂料的性能,從而指導涂料的配方設計。然而,涂料的組成是十分復雜的,要找出組成與性能之間關系的規律,還有很多的研究工作要做。4涂料流動與流變性質涂料都是流體,即使是粉末涂料,在生產和成膜過程中也涉及到熔體的流動與流變,這里僅考慮液體涂料。

對于任何流體,體系的粘度是流體的基本屬性。涂料的流動和流變性就是研究涂料的組成與粘度的關系;在不同的剪切速率下的粘度變化;溫度對涂料粘度的影響以及樹脂的結構對體系粘度的影響等內容。其研究結果可指導涂料的生產控制,顏料的穩定性以及涂料儲存穩定性,涂料的開罐效果和流動性,涂料的流平性與流掛,涂料的施工要求(刷涂、噴涂、輥涂等)以及涂料的配方設計等。因此,國外對涂料流變性的研究是十分重視的。舉例來說,涂料能否得到平整的漆膜,流平性是關鍵。影響流平性的關鍵是能控制涂料粘度的助劑,即涂料流變改進劑,有增調劑、增粘劑、觸變劑、流平劑、防流掛劑等,占據了涂料助劑的相當比例,可見其重要性。由于涂料體系相當復雜,能影響涂料粘度的因素很多,國外涂料科學家已作了深入研究,特別是低剪切速率下的粘度變化和涂料屈服值的測定,因為這是影響涂料流平性的最主要流體特性,先進的流變儀已用于涂料的研究。在這方面尚有許多課題需要進一步研究,這將大大改善涂料的施工應用性能。

5涂料的成膜與固化

為了滿足漆股對底材有極好的外觀、附著力、韌性、強度以及保護性,要求涂料具有很好的成膜性和充分的固化,同時要滿足干燥時間的要求。根據不同的制品,固化速度有時是十分苛刻的,有的制品須在十幾秒鐘至幾十秒鐘固化,往往成為涂料涂裝最終成敗的關鍵。影響涂料的成膜性與固化情況的因素有很多,特別是樹脂的結構,固化劑的結構與用量,溶劑的組成與蒸發速率,成膜助劑的種類和用量等有密切的關系。由于涂料固化后成了不溶不熔的物質,因此對其交聯度和交聯結構的表征是比較困難的,當前先進的測試儀器如遂道顯微鏡、表面能措等已用于研究漆膜的固化結構。涂料往往是多種樹脂的相互化學改性或共混,可以那么說,在六十年代高分子材料的共混體系研究開始興起時,涂料共混體系的產品早就應用于實際中了,當然,在今天涂料樹脂通過共混改性仍是開發新品種和改進質量的有效途徑。這樣的共混體系,要研究樹脂之間的互相反應交聯對涂料的儲存穩定性和漆膜性能的影響是非常必要的。目前,要獲得固化完全、致密的漆膜,普遍采用高溫烘烤的方法,因此減低能耗,提高固化速度成為有實際意義的課題,所以開發能適合紅外、紫外光、電子束以及射線等新型固化方法的涂料愈來愈引起人們的重視。

總之,涂料科學在近二十多年來得到了快速的發展,其推動力就是涂料科學本身的價值和涂料產品對社會創造的巨大的經濟利益。從世界范圍看,涂料作為一門科學所涉及到的各個領域的研究,已愈來愈引起科學家們的興趣,特別是功能涂料在航空航天到民用高技術產品上的應用,其與光、電、磁、熱等性質,以及環境保護的要求相聯系,這一切勢必引起科學界和企業界的重視,必將有更大的投入去研究與開發,引發涂料產業的革命,使涂料工業及其產品對人類社會有更大的貢獻。面對這樣形勢,我國涂料界要重視涂料科學理論的應用研究,并用于指導產品的開發和技術的改進,促進我國涂料工業的持續發展。



 

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