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涂料科学的基本理论及其特性

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涂料科学的基本理论及其特性

文章来源:中国新型涂料  添加人:自然涂艺 

本文的主标题的启示来自于PPG公司著名的涂料专家,1987年美国化学会Roy Tess奖获得者,Marco Wismer在十五年前发表的一篇文章的题目“涂料技术——我们为什么得不到足够的尊重(Coatings Technology——Why We Don’t Get E-nough ResPect)”十五年前,M.Wismer的文章写出了涂料科技人员默默奉献的心情,其大意是,许多年来,涂料工业中的研究工作和技术工作如同传教士和修道士的工作,那么孤寂,沉湎于传统之中,但是,他们更了解,他们的修道土般的工作能在职业上和在物质上带来多么大的成功。他又感慨地写道,尽管现在涂料工业中高技术的价值已经明确的建立起来了;尽管涂料产品已经给社会创造了难以计算的巨大价值;尽管涂料工业中产生的科学含量越来越高,但是,我们仍无法赢得其他工业界同辈们的尊重。M.Wismer在分析了原因后指出,从有历史纪载以来就有涂料,但直至最近,油漆生产仍被认为是一门手艺 (an art),而不是一门科学(not ascience)。

涂料生产从作坊式转变为现代工业还是近二、三十年的事,但他还是满怀信心地写道,如你能注视一下当今涂料技术中的前沿性的科学研究工作,就会发现是综合了多门学科,包括聚合物化学、有机化学、无机化学、分析化学、电化学、表面与胶体化学、流变学、色彩物理学、化学工程、腐蚀、粘接、材料科学、微生物学、光化学和物理学。而且,有潜力要把涂料工业变成美国顶尖研究生最令人激动和吸引力的产业之一。我们可以认为,到了八十年代,涂料技术已经发展成为一门科学。1988年美国 Southern Missis.sippi大学R.B.Seymour教授发表了一篇题为“涂料科学技术的最新进展(Recent Advances in Coatings Science。 TechnoIogy)’12]。他也同样写道,油漆制造是人类最古老一门应用技术,而现在,生产的涂料已是无处不在和人皆知之,可是,顾客只是欣赏涂料赋予的保护和美丽,并没有感觉到涂料本身的存在,只有当涂料失败时,才会注意到涂料的存在。有些化学家看不到涂料的复杂性和对化学学科的贡献而轻视涂料,更有些人把涂料称为“无知的行为”。R.B. Seymour认为,涂料技术通过多年的努力,如 M.Wismer等人取得的成就,已经成为一门科学。这里,我们应该值得提到,就在那个年代出版了代表涂料科学理论的几本著作,有T.C.Patton的“涂料流动与颜料分散(Paint Flow and PigmentDispcersion,Sec.Ed,1979 )”, R.W.Tess的“应用聚合物科学(Applied Polymer Science,Sec. Edi. 1985), S. Paul的“表面涂料科学与技术(Surface Coatings Science and Technology, 1985)”,G.D. Parfitt和A.V.Patsis的“有机涂料—科学与技术(Organic Coatings-Science and Technogy。1986)”。从这里可以看出,通过六十、七十年代诸多涂料专家和科学家的贡献,以及涂料工业的发展和对社会的贡献,涂料技术已经成为一门科学。这些涂料专家和科学家中,我们可以列举地几位,如有Baker公司的T.C.Patton,Dow化学公司的N.Sarkar,PPG公司的M.Wismer和R.E.Smith, North Dakota州立大学的Z.W.Wicks, Southern Mississippi大学的R.B.Seymour和加拿大Waterloo大学的A.Rudin等。


涂料科学的基本理论及其特性
2007/3/19/9:21 来源:中国新型涂料
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那么今天,涂料科学得不到足够的重视是不是反映了我国涂料界的当前情况。本文并不想去回答涂料科学为什么得不到足够的重视这个问题,这个问题应该留给我国涂料界来讨论和回答,本文只想概述一下有关涂料科学的基本理论,企求对我 国涂料界在重视涂料科学理论上有所裨益。

涂料科学的基本理论应包含以下内容:

①涂料用树脂(聚合物)的分子设计与合成;

②颜料在聚合物溶液或分散体中的分散性与稳定性;

③涂料配方原理及其评价方法;

④涂料流动与流变性质;

⑤涂料的成膜与固化。

下面分别简述其内容要点。

1 涂料用树脂的分类

涂料用树脂(聚合物)的分子设计与合成大家知道,尽管能用于涂料的树脂有很多,有天然的和合成的聚合物,但以下几种合成树脂占据了 90%以上:有醇酸树脂,氨基树脂,酚醛树脂,环氧树脂,有机硅树脂,丙烯酸树脂和聚氨酯树脂。这些树脂在涂料中作为主要成膜物质时,在形态 上主要有以下几种。

①有机溶剂溶液体系。有机溶剂能溶解聚合物,是均相体系,在热力学上是稳定的。

②乳液体系。是以水为连续相,聚合物不溶于水,依赖于表面活性剂,以分散相形式组成的乳状液,为水包油乳液。

③水分散体系(水稀释性体系)。以水为连续相,很少或不用表面活性剂,聚合物有一定的亲水性,以分散体的形式存在,体系中可含有一定量的亲水性有机溶剂。

④水溶液体系。聚合物通过成盐的办法,使其成为离子聚合物,能溶于水中,还可以加人一定量的水溶性有机溶剂,来提高聚合物的水溶性,是均相体系。

⑤非水分散体系。连续相为非水的有机溶剂,一般为非芳烃类(如烷烃、醇类等),低毒性低气味的有机溶剂,聚合物借助于两亲性(即一头亲溶剂,而另一头亲聚合物)的特殊表面活性剂,或聚合物经改性后,以分散体形式存在。

⑤粉末体系。固体微粉状聚合物。原则上说,几乎所有的树脂都能制成这些形态,但当同一种树脂制成不同形态时,其分子结构、分子量大小、溶剂及助剂的种类和组成、合成方法等都有很大的不同。其中几类是常用的,如溶剂型涂料(第一类),乳胶漆(第二类),电泳漆(第四类),粉末涂料(第六类)。



第三类和第四类主要是开发水性涂料和高固分涂料而发展起来的比较新的类型,是当前涂料的发展方向之一。当然,每一种形态根据不同的应用和各自的优缺点都有很大的发展空间,从原料到工艺不断的改进和创新是最重要的,这方面在理论上和技术上每年国内外都有大量的专利文献报道。其中很多站在科学的前沿。例如, 1996年美国 Eastern Michgan大学的F.N.Jones发表了一篇题为“朝着无溶剂液体涂料( TOward Solventless Liquid Coatings)”。他们已经作了具有重要意义的开创性工作。还有1996年发表的欧共体的研究项目“自分层涂料”的研究结果,无论在理论上还是在技术上都是非常前沿的。

2颜料的分散性与稳定性

无论是何种树脂体系当加入颜料(指常用的无机颜料)后,都成了分散体,是热力学上的不稳定体系。由于颜料的密度远远大于树脂溶液,在重力作用下,下沉是不可避免的。颜料可以粉碎得很细,但是布朗运动使颜料粒子碰撞发生絮凝而下沉,因此,颜料的表面处理和颜料分散剂的分子设计是关键。在不同的树脂体系中,所用的颜料分散剂是十分专一的,是很多专利报道,如开发了一种新型的锚合型分散剂。由于颜料结构复杂,品种繁多,在不同的涂料体系中分散与稳定的理论是很复杂的,只有进行必要的理论性实验研究,才有可能开发出性能优良的颜料分散剂和得到均匀稳定的涂料。

3涂料配方原理及其评价方法

对于一种成功的涂料,其技术要求是很高的,因为厚度为几个微米至几十微米的漆膜,要满足来自各方面不同要求的指标多达几十项。从技术上看,主要有二方面技术,即涂料配方技术和涂料生产工艺与设备。可以这样说,只要掌握了这二方面技术就可以生产涂料产品,但是,要提高涂料性能与质量,开发新品种,这是远远不够的。这里只涉及涂料配方问题,要得到一个性能非常好的配方,要作大量的实验,因此,重要的一点是要在一定的理论指导下进行配方设计。

长期来涂料配方是采用颜粘比(质量比)。由于不同颜料间的密度相差很远,而且涂料涂布于底材后成膜,颜料在漆膜中占居的是其体积而不是密度,因此用颜粘比来制定配方与评价一种涂料是不科学的。约在六十年代,提出了颜料体积浓度(PVC)与临界颜料体积浓度(CPVC)的概念。大量的实验表明,漆膜的很多性能,如密度、强度、腐蚀性、光泽性、遮盖力及渗透性等在CPVC处发生突变。根据不同的应用,可以设计 PVC>CPVC(如底漆、内墙涂料等)或 PVC< CPVC(如面漆)的配方。由于配方制定的试验工作量很大,已发展微机的配方设计。因为漆膜的性能指标很多,而且有些性能是相互制约的,如何综合各方面性能,比较快的得到最佳配方,国外提出“蛛网图(spider granph)”技术,根据蛛网的面积来评价涂料的综合性能,此法比较方便和实用。M.Simakasi和C.R.Hegedus在1993年提出了“涂料与涂料体系综合性能评价方法(A Methodologyfor Evaluating theTotal Performance of Coatings andcCoating Systems”,)简称 TPE法,可以很全面的反映涂料的性能,从而指导涂料的配方设计。然而,涂料的组成是十分复杂的,要找出组成与性能之间关系的规律,还有很多的研究工作要做。4涂料流动与流变性质涂料都是流体,即使是粉末涂料,在生产和成膜过程中也涉及到熔体的流动与流变,这里仅考虑液体涂料。

对于任何流体,体系的粘度是流体的基本属性。涂料的流动和流变性就是研究涂料的组成与粘度的关系;在不同的剪切速率下的粘度变化;温度对涂料粘度的影响以及树脂的结构对体系粘度的影响等内容。其研究结果可指导涂料的生产控制,颜料的稳定性以及涂料储存稳定性,涂料的开罐效果和流动性,涂料的流平性与流挂,涂料的施工要求(刷涂、喷涂、辊涂等)以及涂料的配方设计等。因此,国外对涂料流变性的研究是十分重视的。举例来说,涂料能否得到平整的漆膜,流平性是关键。影响流平性的关键是能控制涂料粘度的助剂,即涂料流变改进剂,有增调剂、增粘剂、触变剂、流平剂、防流挂剂等,占据了涂料助剂的相当比例,可见其重要性。由于涂料体系相当复杂,能影响涂料粘度的因素很多,国外涂料科学家已作了深入研究,特别是低剪切速率下的粘度变化和涂料屈服值的测定,因为这是影响涂料流平性的最主要流体特性,先进的流变仪已用于涂料的研究。在这方面尚有许多课题需要进一步研究,这将大大改善涂料的施工应用性能。

5涂料的成膜与固化

为了满足漆股对底材有极好的外观、附着力、韧性、强度以及保护性,要求涂料具有很好的成膜性和充分的固化,同时要满足干燥时间的要求。根据不同的制品,固化速度有时是十分苛刻的,有的制品须在十几秒钟至几十秒钟固化,往往成为涂料涂装最终成败的关键。影响涂料的成膜性与固化情况的因素有很多,特别是树脂的结构,固化剂的结构与用量,溶剂的组成与蒸发速率,成膜助剂的种类和用量等有密切的关系。由于涂料固化后成了不溶不熔的物质,因此对其交联度和交联结构的表征是比较困难的,当前先进的测试仪器如遂道显微镜、表面能措等已用于研究漆膜的固化结构。涂料往往是多种树脂的相互化学改性或共混,可以那么说,在六十年代高分子材料的共混体系研究开始兴起时,涂料共混体系的产品早就应用于实际中了,当然,在今天涂料树脂通过共混改性仍是开发新品种和改进质量的有效途径。这样的共混体系,要研究树脂之间的互相反应交联对涂料的储存稳定性和漆膜性能的影响是非常必要的。目前,要获得固化完全、致密的漆膜,普遍采用高温烘烤的方法,因此减低能耗,提高固化速度成为有实际意义的课题,所以开发能适合红外、紫外光、电子束以及射线等新型固化方法的涂料愈来愈引起人们的重视。

总之,涂料科学在近二十多年来得到了快速的发展,其推动力就是涂料科学本身的价值和涂料产品对社会创造的巨大的经济利益。从世界范围看,涂料作为一门科学所涉及到的各个领域的研究,已愈来愈引起科学家们的兴趣,特别是功能涂料在航空航天到民用高技术产品上的应用,其与光、电、磁、热等性质,以及环境保护的要求相联系,这一切势必引起科学界和企业界的重视,必将有更大的投入去研究与开发,引发涂料产业的革命,使涂料工业及其产品对人类社会有更大的贡献。面对这样形势,我国涂料界要重视涂料科学理论的应用研究,并用于指导产品的开发和技术的改进,促进我国涂料工业的持续发展。


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