《涂料1绪论》PPT课件.ppt

1,涂料化学,2,主要参考书 涂料化学 清华大学 洪啸吟 涂料技术基础 上海复旦大学 武利民 （化学工业出版社 ） 涂料基础 姜英涛,3,教学内容,共 十 章 第一章 绪论 涂料的发展历史、功能、研究 第二章涂料的基料 第三章溶剂 第四章 颜料 第五章涂膜的形成及性能表征,4,第六章涂料中的流变学与表面化学 第七章 水性涂料 第八章 涂料的制备及涂装 第九章工业涂料,5,第一章 绪论 1.1 涂料的发展史 1.2 涂料的基本组成及作用 1.3 涂料的分类 1.4 涂料面临的挑战 1.5 涂料的发展方向 1.6 涂料工业的发展,本章内容,6,Coatings and paints,涂料的应用,第一章 绪论,7,第一章 绪论,1.1涂料的发展史,开始于史前时代，至少有4000年以上的历史。,在很长一个时期都使用天然的油性、半油性物质 作为原料， 如生漆、桐油、松香、虫胶等，,秦始皇墓的兵马俑-使用了彩色的涂料， 马王堆出土的汉代文物中更有精美的漆器,8,西班牙阿尔塔米拉 远古壁画,埃及金字塔壁画,马王堆出土的汉代精美漆器,秦彩绘跪射俑,河姆渡文化遗址朱漆木碗,9,埃及也早已知道用阿拉伯胶、蛋白等来制各色漆，用于装饰 此阶段，涂料所用原料主要是天然的油和树脂，因此 被称为油漆。 油漆的制备主要还是作为一种技艺，没有科学的含义。 何时具有了科学涵意？,10,与科学接触,二十世纪20年代杜邦公司开始使用硝基纤维素作为喷漆，用于汽车涂料 30年代高分子科学的发展为现代涂料的发展奠定了基础。开始有了醇酸树脂，最主要的树脂品种 40年代发展了环氧树脂涂料，使防腐蚀涂料有了飞速发展。,50年代随着石油化工的发展，各种合成树脂、溶剂和助剂相继出现。,11,例如，聚丙烯酸酯涂料-耐候，高光泽 静电喷涂技术 阳极电泳漆 PPG公司又发展了阴极电泳漆 水性漆，环保，防腐蚀,汽车金属闪光漆,12, 60年代聚氨酯涂料得到发展，优良的抗石击性成为高档汽车涂料，汽车的涂装工艺也在发生变化。 各种人工合成有机稀释剂和表面活性剂的出现，以水为稀释剂的乳液型涂膜材料得到广泛的应用。 所谓的油漆已经不光是油了 涂料与高分子科学紧密相连了,13,70年代：粉末涂料很大发展（50年代开始研制）； 80年代：杜邦，基团转移聚合方法（可控制聚合物的分子量及其分布、共聚物的组成）高固体份涂料的理想聚合方法，高分子化学的新里程碑，首先在涂料上得到应用，与高分子同步发展,14,90年代以后：聚合物纳米复合材料，研究前沿和热点。涂料工业已取得长足发展，其水平是国家现代化标志之一。,30年代以前 清 漆,木器涂料发展历程：,30年代 不饱和聚酯漆,50年代末 聚氨酯涂料,40年代末 高固体漆,50年代初 醇酸树脂 丙烯酸清漆,15,“油漆”这一名词已经不能代表着一类涂覆材料的确切含义了,改为涂料把涂覆于物体表面能干结成膜，具有防护、装饰、防锈等特殊功能的物质称为涂料。 日常生活中常听到乳胶漆、面漆、底漆等，这仅仅是一种习惯性描述。,16,塑料、合成橡胶、合成纤维 称为三大合成材料,+涂料和胶粘剂，就成为五大合成材料。 使用合成树脂作涂料基本原料以后，采用 “涂料”术语，似更贴切。 漆 涂料 显示了科学技术的发展，更显示了涂料的科学含义。,17,将油漆和涂料作为同义词？,前者更显得简练 后者涵义更广泛,涂料与胶粘剂、塑料的区别 塑料：成型后可保持其形状，而涂料和胶粘剂则不能；,胶粘剂：与被胶接物受压形成胶接层，不能直接产生表面； 涂料：依靠自身的表面张力和重力作用，形成涂膜的表面形态，且暴露在外。,coating：涂料，一般是用来描述施工到底材上的材料（通常是液体），成为最后的“干”膜和施工作业，更广泛的名词； paint：油漆，限于非水溶剂涂料，限于建筑和家用涂料，有时用来称呼桥梁和贮罐维修漆,18,涂料的困惑,尽管涂料的应用与生产有漫长的历史， 尽管涂料已经为人们所利用和熟悉 但它只能以一种技艺的形式相传， 而不能进入科学的领域 这种情况至今还影响着不少人对涂料的看法认为涂料仅仅是靠经验传授的工艺影响它的发展。,19,理论研究匮乏，不如塑料、橡胶 长期以来对涂料的研究主要停留在工艺的层面上，没有从基本理论、基本知识的角度深入探讨涂料的内部归律。 有幸的是 随着涂料作用和质量的提高，涂料本身的 科技含量也越来越高， 更需要多学科交叉基础理论来指导， 更需要高层次人才去参与。 上世纪九十年代末，出现一些理论书籍,20,涂料化学 涂料技术基础 现代水性涂料 涂料基础 耐磨涂料 耐腐蚀涂料 特种功能涂料,21,涂料的相关科学 涂料涉及多门学科: 高化、高物、无机、分析、物化 高分子科学是涂料的重要基础，(各种聚合反应) 还涉及物理化学的胶体化学 、表面化学、物理学的流变学、界面学和光学、机械学。 涂料不仅是一种工艺，而是具有本身特点的独立学科 ， 成膜理论、表面结构和性质、分散理论等。,22,1.2涂料的基本组成及应用,主要由四个组分构成 成膜物质、颜料、溶剂和助剂 成膜物质基料是涂料中的连续相，起粘接和成膜作用。 主要是各种合成高聚物和天然高聚物，对涂料的性能有重要的影响。,23,涂料的组成及其作用,一、成膜物质,即基料或粘结剂，是一些涂于物体表面能干结成膜和提供相当结实外层表面的材料，是含有特殊功能团的树脂或油类，经过溶解或粉碎，当涂覆到物体表面时，经过物理或化学变化，能形成一层致密的连续的固体薄膜。它是涂料中的连续相，是最主要的成分，没有成膜物的表面涂覆物不能称为涂料。其性质对涂料的性能（保护、机械性能等）起主要作用。其一般为有机材料。,24,树 脂,桐 油 亚麻油 豆 油,天然树脂：虫胶、松香 人造树脂：硝化棉、松香衍生物 合成树脂：酚醛、醇酸、聚酯、聚氨酯等,植物油,有机 成膜 物质,无机成 膜物质,原硅酸乙酯 碱性硅酸盐等,25,易于涂饰； 干燥速度快； 尽可能地减少涂饰次数，并能形成所要求的涂膜； 与基材附着性好，并且涂膜坚韧； 对颜料的分散性好； 涂膜光泽性好，鲜明，保色性好； 耐久性、耐候性优良，不易受污染； 耐水性、耐药品性好。,对合成树脂的要求,26,二、着色材料,着色材料,颜 料,染 料,着色颜料 体质颜料（填料）,直 接 染 料 酸 性 染 料 碱 性 染 料 分散性染料 油溶性染料,作为涂料组成成分以及涂饰时用于调制着色剂、填孔剂、腻子等着色材料（尤其是涂饰木材时），主要是颜料和染料。,27,颜料般是0.210um的无机或有机粉末 作用： 遮盖和赋色， 增强作用， 赋于特殊性能， 改善流变性能， 降低成本的作用,染料 是一些能使纤维或其他物料相当牢固着色的有机物质，一般可溶解或分散于水，或溶于其他溶剂，或借适当化学药品使之成为可溶性亦称为可溶性着色物质。,28,溶剂,概念：涂料溶剂是一些能溶解和分散成膜物质，在涂料涂装之际使涂料具有流动状态，有助于涂膜形成的、易挥发的液体，是液体涂料的重要组成成分。 作用：溶解或稀释固体或高粘度的成膜物质，使其成为有适宜粘度的液体，便于施工。 溶剂的其他作用（除溶解成膜物质外）： 增加涂料贮存稳定性，防止凝胶； 减少桶内涂料表面结皮； 增加涂料对木材等表面的润湿性，提高涂层附着力； 改善涂层流平性，形成均匀涂层。,29,与稀释剂的区别：溶剂制漆时加入，主要用于控制与调节涂料粘度、浓度；稀释剂施工时使用的调稀涂料与清洗工具的溶剂。对于同种漆，其溶剂与稀释剂可能相同，也可能不同。 所占比例：一般50%，少数70-80%（虫胶漆、硝基漆等）。 溶剂性能指标：溶解能力、挥发速度、安全性、颜色、纯度、成本等。,30,助剂用来改善涂膜的性能，如 干燥时间、耐老化、柔韧性、硬度、抗紫外线等 性能,有催干剂、增塑剂、固化剂、润湿剂、悬浮剂、流平剂、消泡剂、消光剂、稳定剂、防结皮剂、紫外光吸收剂、分散剂、乳化剂等。 已经发展成为涂料的重要方面 催干剂：亦称“干料”，俗称燥液或燥油等，是一些能加速油类及油性漆涂层干燥速度的材料，对于干性油的吸氧、聚合反应起着类似催化剂的促进作用。,31,催干剂种类：钴、锰、铅、铁、锌、钙等金属的氧化物和金属的环烷酸盐，如氧化铅、二氧化锰、环烷酸钴、环烷酸锰、环烷酸铅等。 催干剂加入量：漆的2%。 增塑剂：又称增韧剂、软化剂，赋予涂膜柔韧性，提高附着力和抗冲击强度，制漆时加入。 增塑剂作用：削弱成膜高聚物分子间的作用力；降低玻璃化温度；增加流动性；改善制漆性能；克服某些涂料硬脆易开裂脱落的缺点。 增塑剂种类：邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二辛酯、磷酸三丁酯、磷酸三苯酯、氯化石蜡、蓖麻油等。,32,1.3涂料的分类,随着石油工业和化学工业的发展， 特别是高分子科学的发展，以石油化工产品为原料的合成树脂品种不断增多和成熟， 涂料的发展也就主要以合成树脂为主要原料。原料来源丰富，可以通过合成改变产品性能。 随着树脂的合成理论和方法的发展，涂料的品种更加繁多，性能和用途更广泛,33,涂料的分类 按成膜物来分（表1-1） （1）转换型或反应型涂料：在成膜过程中伴有化学反应，一般均形成网状交联结构，成膜物为热固型聚合物。此类又分 气干型：在常温下可交联固化，如醇酸树脂涂料。 烘烤型：需在高温下完成反应，如氨基漆等。 （2）非转换型或挥发型涂料：其成膜仅是溶剂的挥发，成膜过程中聚合物未发生任何化学反应，成膜物是热塑型聚合物，如硝基漆、氯化橡胶漆等,34,表1-1 两类涂料的比较,35,按溶剂分 （1）有溶剂涂料：又可分为水性涂料和溶剂型涂料，其中，溶剂含量低的又称高固体份涂料。 （2）无溶剂涂料：包括粉末涂料、光敏涂料及干性油等。 按颜料分 无颜料的清漆 加颜料的色漆：又可按颜料的品种及颜色分类。,36,按用途分 建筑涂料、汽车涂料、卷材涂料、罐头涂料、塑料涂料、纸张涂料、油墨等。 按销售角度为 国外分为工业涂料和外售涂料。 按施工顺序分 面漆（包括罩光漆）和底漆。底漆又分为封闭底漆、腻子或填孔剂，头道底漆，二道底漆等。,37,封闭底漆 概念：是一层薄涂层，用于防止涂层与底材间物质的渗透，一些多孔材质很容易吸收涂料中液体漆料，导致涂料的颜料体积浓度升高。 作用：封闭底材中的小孔 腻子或填孔剂 概念：是一种高颜料含量的涂覆物质，用于填平和嵌补被涂物表面的凹孔及较深的不平处。 作用：填平和嵌补凹孔和较深不平处，使表面平整。,38,头道底漆 概念：指直接涂在底材（或经过嵌填的平面）的涂料。 作用：增加面漆对底材的粘附力，提供适当的弹性。 二道底漆 特点：颜料组分含量很高，容易用砂纸打磨。 作用：增加涂膜厚度，为施工提供光滑平整的表面。,39,按施工方法分 刷用漆、喷漆、烘漆、电泳漆等。 按涂料作用分 打底漆、防锈漆、防火漆、耐高温漆、头道漆、二道漆等。 按产品形态分 溶剂型涂料、无溶剂型涂料、分散型涂料、水乳型涂料及粉末涂料等。,40,分 类,标准分类18大类,习惯分类,(1)油脂漆类(2)天然树脂漆类(3)酚醛树脂漆类(4)沥青漆类(5)醇酸树脂漆类(6)氨基树脂漆类(7)硝基漆类(8)纤维素漆类(9)过氯乙烯漆类(10)乙烯漆类(11)丙烯酸漆类(12)聚酯漆类(13)环氧树脂漆类(14)聚氨酯漆类(15)元素有机漆类(16)橡胶漆类(17)其他漆类(18)辅助材料,1 按贮存的组分数分：单组分和多组分 2 按涂膜性状分：亮光漆（高光泽）和亚光漆（低光泽） 3 按挥发分特点分：溶剂型、无溶剂型、水性漆与粉末涂料 4 按固化特点分：挥发型漆与反应型漆，气干漆与辐射固化型漆 5 按涂装工程的层次分：腻子、填孔漆、着色剂、下涂漆、中涂漆与上涂漆等,41,42,我国涂料的命名原则 除粉末涂料外，仍采用“漆”一词，而在统称时用“涂料”； 涂料的全名由颜料或颜色名称、成膜物质名称和基本名称三部分组成：锌黄酚醛防锈漆； 若涂料中含有多种成膜物质，则选取起主要作用的一种成膜物质命名,松香改性酚醛树脂 50%,酚醛漆类,松香改性酚醛树脂 50%,天然树脂漆类,43,必要时也可选取两种成膜物质命名，其占主要地位者列在前面：环氧硝基瓷漆。 具有专业用途或特殊性能的产品，可在成膜物质后面加以说明：醇酸导电瓷漆、白硝基外用瓷漆。,44,涂料产品的型号（包括三部分） 第一部分：成膜物质的命名代号，用汉语拼音字母表示（见表1.1)； 第二部分：涂料的基本名称代号，用两位数字表示（见表1.2）； 第三部分：序号，用数字表示同类产品之间在组成、配比、性能和用途等方面的差别，并用半字线与第二部分代号分开。,45,46,47,48,涂料的作用,1.,装饰作用 用色彩来装饰我们的环境，是人类的天性，并伴随着人类及其社会整个发展过程。 由于涂料很容易配出成千上百种颜色，色彩丰富；涂层既可以做到平滑光亮，也可以做出各种立体质感的效果。,2.保护作用,金属材料，尤其是钢铁，容易受到环境中腐蚀性介质、水分和空气中氧的侵蚀和腐蚀；木材易受潮气、微生物的作用而腐烂；塑料会受光和热的作用而降解；混凝土易风化或受化学品的侵蚀，因此材料需要用涂层来保护。,2.保护作用,金属材料，尤其是钢铁，容易受到环境中腐蚀性介质、水分和空气中氧的侵蚀和腐蚀；木材易受潮气、微生物的作用而腐烂；塑料会受光和热的作用而降解；混凝土易风化或受化学品的侵蚀，因此材料需要用涂层来保护。,49,3. 标志作用,标志作用是利用色彩的明度和反差强烈的特性，引起人们警觉，避免危险事故发生，保障人们的安全。 有些公共设施，如医院、消防车、救护车、邮局等，也常用色彩来标示，方便人们辨别。 交通道路上；工厂各种管道、设备、槽车、容器区分其作用和所装物的性质；电子工业的各种器件辨别性能；对外界条件的响应性温致变色、光致变色涂料,50,4. 特殊作用,（1）力学功能：耐磨涂料、润滑涂料等； （2）热功能：耐高温涂料、阻燃涂料等； （3）电磁学功能：导电涂料、防静电涂料等； （4）光学功能：发光涂料、荧光涂料等； （5）生物功能：防污涂料、防霉涂料等； （6）化学功能：耐酸、碱等化学介质涂料。,51,涂饰技术的发展,涂饰技术,快速干燥,静电喷涂,表面消光,多种涂料组合,涂饰机械,高压无气喷涂,双组分喷枪,淋涂机,辊涂机,自动化、系统化,52,20世纪涂料和涂装技术的发展过程,53,涂料应用领域 建筑涂料 油漆 汽车涂料 木器涂料 粉末涂料 船舶涂料 特种涂料,防腐 防静电 防火 绝缘 纳米 氟碳 钇涂料,特 种 涂 料,54,1.4涂料面临的挑战,环境保护,早期固含量低， 95%为溶剂 现在要求固含量40-60% 有机挥发份10%,美国环保局1977年提出 “四E”原则 即经济、效率、环保和节能原则 economic efficiency environmental energy,55,涂料面临的挑战 涂料的污染和毒性无毒 1966年美国洛杉矶首先制定了66法规，能发生光化反应溶剂的禁止使用；涂料固含量60%以上。 铅颜料：1971，美环保局1%（总固含量）；19760.06% 有机汞（乳胶漆）：0.2%（总固含量） 乙二醇醚和醚酯类溶剂：致癌，禁用,随着涂料工业的发展，对涂料性能上的要求越来越高。例如：重防腐涂料；耐高温涂料；低表面能塑料用涂料；微电子工业中用的耐高温、导热性好又绝缘的封装材料等。,高性能涂料,56,1.5 涂料的发展方向, 省资源、省能源、无污染方向发展， 相继出现环境友好涂料：水性涂料、粉末涂料、辐射固化涂料、高固体分涂料等， 其特点是有机溶剂少或基本上无溶剂， 90年代以来，保护环境和节约能源成了人们共同关心的话题，世界各国纷纷制定相应法规，限制VOC的排放量。,voc: volatile organic compound，,57,挥发性有机化合物 加强行业管理，使得“节约型”“环保型”涂料得到了长足的发展 发展的如何？ 国外 60%-70% 国内 20-30%,超耐高温、超耐候、导热、 导电、发光、杀菌 有一定机械性能,功能性发展,58,涂料产品出口美国须执行NESHAP标准（2005-7-22） 世贸组织 (WTO) 国际贸易技术壁垒委员会（Committee on Technical Barriers to Trade，简称TBT委员会）于2005年5月18日向参加世界贸易组织的各成员国发出的第114号通报G/TBT/N/USA/114，通报要求参加世界贸易组织的各成员国出口到美国的涂料产品以及在美国生产的涂料产品必须执行由美国环保署（EPA）于2003年12月11日发布的各类涂料生产的有害空气污染物国家排放标准（NESHAP），该标准对涂料产品各品种从原材料使用、生产过程、涂装施工技术选择、废气废水排放等多方面进行了严格要求 NESHAP：National Emission Standards for Hazardous Air Pollutants,59,（1）水性涂料 水性涂料重要的研究方向有以下几个方面： 成膜机理的研究。这方面的研究主要是改善涂膜的性能； 施工应用的研究。 水性聚氨酯涂料。这是近年来迅速发展的一类水性涂料。对环境无污染，中毒和着火的危险性小。由于水性聚氨脂树脂分子内存在氨基甲酸酯键，所以水性聚氨酯涂料的柔韧性、机械强度、耐磨性、耐化学药品及耐久性等都十分优异，欧、美、日均将其视为高性能的现代涂料品种大力研究开发。 （2）涂料的粉末化 在涂料工业中，粉末涂料属于发展最快的一类。由于世界上出现了严重的大气污染，环保法规对污染控制日益严格，要求开发无公害、省资源的涂料品种。因此，无溶剂、100%地转化成膜、具有保护和装饰综合性能的粉末涂料，便因其具有独有的经济效益和社会效益而获得飞速发展。,60,（3）涂料的高固体份化 采用脂肪族多异氰酸酯和聚己内酯多元醇等低粘度聚合物多元醇，可制成固体份高达100%的聚氨酯涂料。该涂料各项性能均佳，施工性好。用低粘度IPDI三聚体和高固体份羟基丙烯酸树脂或聚酯树脂配制的双组份热固性聚氨酯涂料，其固体含量可达70%以上，且粘度低，便于施工，室温或低温可固化，是一种非常理想的高装饰性高固体份聚氨酯涂料。 （4）涂料的光固化 不用溶剂、节省能源，在木质和塑料产品的涂装领域开始广泛应用。在欧洲和发达国家，光固化涂料市场潜力大，很受大企业青睐，主要是流水作业的需要，美国现约有700多条大型光固化涂装线，德国、日本等大约有40%的木质或塑料包装物采用光固化涂料。最近又开发出聚氨酯丙烯酸光固化涂料，。它既保持了丙烯酸树脂的光固化特性，也具有特别好的柔性、附着力、耐化学腐蚀性和耐磨性。,61,涂料的研究特点 涂料研究的实用性：与实际应用紧密联系； 涂料研究的广泛性：与其相关的均参与； 涂料研究的学科交叉性 组合配方研究方法,62,1-6 涂料工业的发展,63,2011年世界十大油漆生产企业 1.阿克苏诺贝尔（AKZO NOBEL，荷兰）来威漆；卜内门（ICI，英国）多乐士 $ 23,000 million 2.Henkel (Germany) 汉高(德国) $ 13,400 million 3.PPG Industries (USA) PPG工业(美国) $ 11,900 million 4.宣威（美国）Sherwin-Williams (USA) 宣威.威廉姆斯(美国) $ 8,000 million 5. Sunbodhi (Germany) 速霸多(德国) $ 7,800 million 6. Usarrow(USA) 箭牌(美国) $ 7,600 million 7. DuPont (USA) 杜邦(美国) $ 6,500 million 8. Basf Coatings (Germany) 巴斯夫(德国) $ 6,400 million 9. RPMInternational,Inc(USA) RPM国际公司(美国) $ 4,100 million 10. Valspar (USA) 威士伯(美国) $ 3,500 million,64,最早进入中国的涂料公司 立邦（NIPPON，日本） ICI（Imperial Chemical Industries，英国帝国化学工业集团）卜内门化学工业有限公司 阿克苏诺贝尔（AKZO NOBEL，荷兰）,65,66,世界涂料产量（截止2007年前） 世界涂料需求增速：3.5%/年； 1997-2000年增速：1.9%/年； 世界涂料总量：2880万吨（2007年）； 世界涂料产值增幅：5%/年； 世界涂料产值：830亿美元（2007年）； 增长最快的地区：亚太地区（除日本外）； 亚洲需求最大国家：中国。,67,中国及其他地区涂料（截止2007年前） 中国需求增速：6.4%/年； 中国市场需求：285