影响水性涂料漆膜附着力的因素与漆膜附着机理.doc

影响水性涂料漆膜附着力的因素与漆膜附着机理附着力, 涂料, 机理, 配方, 漆膜正确掌握水性涂料漆膜附着力是水性漆配方的基础。本文摘自清华大学材料系博士，华润涂料水性涂料高级研发主管陈小文的论文 “影响水性玻璃涂料漆膜附着力的因素与漆膜附着机理”。文章探讨了涂料配方、涂装施工工艺与漆膜养护环境等因素对漆膜附着力的影响，并从漆膜的附着类型与附着性、漆膜与被涂表面的极性、漆膜的内聚力与热膨胀系数、漆液对基材的润湿性等方面，分析了漆膜附着的内在机理。此文着重的是水性玻璃漆，但其中对漆膜附着机理的讨论对其他水性漆， 包括水性木器漆，水性塑胶漆和水性金属漆的配方都有很好的借鉴性。漆膜在基材上的附着类型与附着性漆膜在基材上的附着分为机械附着和化学附着2种类型。机械附着取决于被涂板材的性质(粗糙度，多孔性)以及所形成的漆膜强度；化学附着是指漆膜和板材界面处漆膜分子和板材分子的相互吸引力，它取决于漆膜和板材的理化性质。2种类型相比，通常认为化学附着的说法更切合实际，是最主要的漆膜附着类型。考察漆膜对被涂物体表面的附着性，需要关注3个方面的问题：1.液态成膜物质对板材的润湿程度；2.基材表面上定向吸附层的形成；3.成膜物与基材界面形成双电子层。漆膜的附着性取决于成膜物质中聚合物(或分子量更低的预聚物)的极性基，如-OH、-COOH，与被涂物表面的极性基之间的相互结合。为了使这种极性基良好结合，要求聚合物分子具有一定的流动性，让聚合物分子更好地湿润基材表面，使聚合物的极性基接近于被涂表面的极性基；当两者分子之间的距离变得非常小时(达到1A以内)，极性基之间由于范德华力、化学亲和力、氢键等内聚力的综合作用达到附着平衡。漆膜与被涂表面的极性从分子结构、分子的极性及分子相互作用力的观点来看，漆膜的附着力产生于涂料中聚合物分子的极性基定向，及其与被涂物表面极性分子的极性基之间的相互吸引力。只有两者之间极性基相适应，才能得到附着力好的漆膜；反之，极性好的涂料涂在非极性的板材上，或者非极性涂料涂在极性的板材上，都不会得到附着力良好的漆膜。漆膜与被涂表面任何一方的极性基减少，都将导致漆膜附着力的下降：1.基材板面存在污物、油脂、灰尘等，降低了基材表面的极性，会引起附着力的降低。2.漆膜中极性点的减少，也会降低附着力。例如氨基醇酸漆烘干成膜时醇酸树脂的-OH与氨基树脂中的-CH2OH进一步交联而不断被消耗了，造成了附着极性点的不断减少，这是氨基醇酸漆烘干后附着力降低的一个重要原因。漆膜中极性点的减少，既可能缘于涂料中不同组分之间的交联反应，也可能因为聚合物分子内的极性基自行结合而引起。漆膜的内聚力与热膨胀系数同类物质分子之间的内聚所引起的力，称为内聚力。涂层内聚力越大，附着力越差。涂料在干燥过程中，随着溶剂的挥发、交联程度的增大，成膜物质分子之间的内聚力增大，漆膜产生收缩现象，最终导致漆膜附着力的降低。因此，可以通过采取降低漆膜内聚力的方法来达到提高附着力的目的，常用的办法有：1.降低涂层的厚度，减小内聚力，提高漆膜对基材的粘附强度。2.往涂料中添加适当颜料，降低漆膜内聚力，改善漆膜在底材上的附着性。这是色漆比清漆的附着力普遍要好的重要原因。漆膜与基材热膨胀系数的差异，也影响着漆膜的附着性能。众所周知，随着温度条件的变化，一切材料均会发生不同程度的体积收缩和膨胀。当涂料涂布于基材表面时，由于热胀冷缩的影响，涂料与被涂表面之间的粘结点将遭到不同程度的破坏。从总体上看，漆膜的热膨胀系数要明显大于基材的热膨胀系数，所以在温度变动时，漆膜的膨胀或收缩程度都比板材大，从而引起漆膜的相应变形，产生皱纹、龟纹等，降低了漆膜的附着力。涂料的热膨胀系数越小，涂膜的附着力越好，例如环氧树脂热膨胀系数比其他树脂小，所以环氧树脂漆膜的附着性好。漆液对基材的润湿性漆膜的附着力产生于涂料与被涂基材表面极性基之间的相互引力，而这种极性基之间的相互引力的产生是以涂料对被涂基材表面的良好湿润为前提的。由于涂料对被涂基材表面的湿润状况取决于漆液的表面张力，因此，降低涂料的表面张力，才能提高湿润效率，增强漆膜对基材表面的附着力。涂料对基材的润湿是通过涂料的流动来实现的。漆液在应用中必须呈很好的流动态，即使粉末涂料也必须达到流动态；只能通过漆液的流动来湿润被涂表面，才能达到漆膜对基材良好附着的目的。一般而言，涂料湿润得不好，界面接触就小，附着力就差；反之，涂料湿润得好，界面接触就大，附着力就好。涂料中有低分子量的物质或者助剂(如硬脂酸盐、增塑剂等)存在时，它们会在涂层和被涂物之间产生弱的界面层，影响漆液对基材的润湿性，降低附着力。此外，基材表面粘附有水、灰尘、酸、碱等杂质时，也会引起漆膜与基材间弱界面层的出现，防碍漆液对基材的润湿作用，减少极性点，导致漆膜附着力的下降。结论透明基料配方中添加一定种类与剂量的基材润湿剂与附着力促进剂，有助于提高漆膜的附着力；色浆的类型与质量，不仅关系到色浆与透明基料的相容性，也对漆膜附着力产生一定的影响。漆膜厚度、漆膜干燥时间、以及涂装养护环境的温度与湿度，都是影响水性玻璃漆膜附着力的重要因素。从漆膜在基材上的附着机理来看，漆膜与被涂表面的极性、漆膜的内聚力与热膨胀系数、以及漆液对基材的润湿性等，从理论上决定了漆膜附着性能的优劣。PVC&CPVC在涂料配方设计中的应用作者：内详 文章来源：网络搜集 点击数： 更新时间：2007-3-14 0:54:23 摘要：介绍了涂料研制中颜料及临界颜料体积浓度 (PVC&CPVC) 概念的基本使用方法及在EXCEL 中的应用。 关键词：颜料体积浓度 (PVC ）；临界颜料体积浓度（ CPVC ）； EXCEL 1 前 言 色漆的配方设计，一般可以分为以下几个步骤：根据色漆的应用性能选定主要成膜物质；选定颜、填料，以及它们和成膜物质的比例；选用溶剂、助剂及它们的使用配比。 其中和色漆实验直接相关的是第步，即选用颜料及制订出颜料和成膜物质的比例，它是决定涂膜的最终性能的关键步骤之一。 2 颜料及临界颜料体积浓度（ PVC&CPVC ）在配方设计中的应用 颜、填料和成膜物质比例的确定这一步骤相当重要，在涂料的使用性能确定后，其中树脂、填料的品种也基本确定，此时颜、填料和成膜物质比例会大大影响到涂料性能。通过使用颜料及临界颜料体积浓度（ PVC&CPVC ）的概念拟订配方会更准确、简便，所设计出来的配方与涂料的期望性能很接近，因而会大大减少实验量。 2.1 颜料体积浓度（ PVC ）概念 颜料体积浓度（ PVC ）是指涂料中颜料和填料的体积与配方中所有非挥发分（包括树脂、乳液的固体组分和颜料、填料等）的总体积之比 , 可用如下公式计算：式中， M i ：颜填料质量； M j ：漆基（树脂）质量； r i ：颜填料密度； r j ：漆基（树脂）密度 。 i=1 n, 表示不同颜填料的品种； j=1 m, 表示不同漆基的品种。 其中：漆基（树脂）质量和密度均指的是固体树脂的数值（若是乳液，其密度是指干漆膜密度，此时漆基体积 = 乳液质量固含量 / 乳液干膜密度）。得到 PVC 值后，在 0 100% 变化，值的大小可以影响到涂膜的性能。从 0 到 100% 时，涂膜从一个极端状态到另一个极端状态（从完全漆基到完全颜、填料），在此过程中，涂膜性能一般如下变化： 耐磨性、耐湿性、防腐蚀性、光泽度从高到低； 抗起泡性、渗透性、粘稠性、对比率从低到高。 2.2 临界颜料体积浓度（ 单纯的 PVC 值对涂料的影响并不直观，因此又引入了临界颜料体积浓度（ CPVC ）的概念，它指的是在 PVC 值增加过程中，当漆基树脂恰好能润湿所有颜料粒子时的 PVC 值，所代表的漆基树脂是指临界状态下的树脂含量。通过 PVC 和 CPVC 的比值能更直观地推算出涂料的性能。临界颜料体积浓度（ CPVC ）可以使用如下公式计算： 式中， M i ：颜填料质量； N i ：颜填料吸油量克数，以 100g 颜填料所需亚麻仁油的克数来表示； r i ：颜填料密度； 0.93 ：亚麻仁油的密度。 一般对于高性能外用色漆配方， P V C CPVC ，即 =PVC/CPVC 1 ，此时涂膜中漆基过量，处于低 PVC 状态，漆基能完全润湿颜填料。 内用涂料或底漆， PVC CPVC ，即 =PVC/CPVC 1 ，此时漆基量太少，不足以润湿颜料，处于高 PVC 状态。 P V C = C P V C ，即 = P V C / C P V C = 1 时，密度、拉伸强度、附着力达到最高点，遮盖力效率和掠角光泽（ 85 ）达到最低点。 涂料品种和 PVC/CPVC 的一般对应关系如图 1涂料品种和 PVC/CPVC 的一般对应关系如图 1 所示。 3 具体应用 在 EXCEL PVC 工作簿中建立数据处理系统、数据库源文件，即工作表 sheet1 、 sheet2 。 3.1 数据处理系统 位于 PVC 工作簿中工作表 sheet1 ，以某一配方含有 7 种颜、填料及 6 种成膜物为例，建立如下页所示工作区： 工作区(1) 公式输入：分别从“一”到“十八”处输入如下公式： 一： =IF(B2=,VLOOKUP(B2, Sheet2!A:J,3,FALSE) 二： =IF(B2=,VLOOKUP(B2, Sheet2!A:J,4,FALSE) 三： =IF(OR(E2=,C2=),C2/E2) 四： =IF(OR(C2=,F2=),C2*F2/0.93/100) 五： =IF(B2=,VLOOKUP(B2, Sheet2!A:J,6,FALSE) 六： =IF(OR(I2=,C2=),I2*C2/1000) 七： =IF(SUM(C2:C7)=0,SUM(C2:C7) 八： =IF(SUM(G2:G7)=0,SUM(G2:G7) 十： =IF(B9=,VLOOKUP(B9,Sheet2!A:J,2,FALSE) 十一： =IF(B9=,VLOOKUP(B9,Sheet2!A:J,3,FALSE) 十二 ： =IF(OR(E9=,E9=0),C9*D9/E9/100) 十三： =IF(SUM(C9:C14)=0, ,SUM(C9:C14) 十四： =IF(SUM(G9:G14)=0,SUM(G9:G14) 十五： =IF(SUM(J2:J14)=0,SUM(J2:J14) 十六： =IF(OR(G8=,G15=),G/(G8+G15) 十七： =IF(OR(G8=,H8=),G8/(G8+H8) 十八： =IF(OR(B16=,B17=),B16/B17) (2) 公式复制： 从一、二、三、四、五、六、十、十一、十二处输入公式后，单击该单元格，用 EXCEL 拖拽复制法分别拖拽复制至 E7 、 F7 、 G7 、 H7 、 I14 、 J14 、 D14 、 E14 、 G14 （其中 I8 、 J8 处的公式应删除）即可完成公式复制。 公式输入及复制完成后，仅在 A 、 B 两栏人工输入原材料编码与配方量，则其他输入公式处自动显示数值，不需要显示的列，可将其隐藏。同时可根据显示出的 PVC 和 CPVC 值及比值，用试差法调整配方量，获得理想的配方。3.2 源文件 文件位于 PVC 工作簿中工作表 sheet2 ，建立如下工作区： 工作区 据库系统，即输入树脂、填料、颜料的性能指标（如树脂是乳液，则须输入其干膜密度）。 3.3 应用 (1) 首先根据产品用途确定树脂种类及颜、填料类型（此时各种原材料的性能数据已输入到数据库中）。 (2) 把原材料编码、假定的添加量输入数据处理系统中，即会得到 P V C 、 C P V C 、 P V C / C P V C 的值。 (3) 通过调整树脂及颜、填料的加入量可以得到合适的 P V C /CPVC 的值及产品的大约成本。 4 结 语 本系统的应用，主要是以方便快捷为目的，特别适用于配方调整及新配方设计，在拟定实验计划时，通过首先计算 PVC/CPVC 的值来推测实验结果，可以大大降低实验量，可以用于水性及溶剂型配方体系。 用于光泽涂料的配方设计时，可根据 PVC/CPVC 的值准确地判断出光泽的数值；用于平光涂料配方的设计时，可以根据 PVC/CPVC 的值较准确地判断出耐擦洗性的数值；用于特种涂料，比如导静电涂料，由于其导电率可以准涂料附着力基本原理分析一、附着力理论和机理当两物体被放在一起达到紧密的界面分子接触,以至生成新的界面层,就生成了附着力。附着力是一种复杂的现象,涉及到“界面”的物理效应和化学反应。因为通常每一可观察到的表面都与好几层物理或化学吸附的分子有关,真实的界面数目并不确切知道,问题是在两表面的何处划界及附着真正发生在哪里。当涂料施工于底材上,并在干燥和固化的过程中附着力就生成了。这些力的大小取决于表面和粘结料(树脂、聚合物、基料)的性质。广义上这些力可分为二类:主价力和次价力(表1)。化学键即为主价力,具有比次价力高得多的附着力,次价力基于以氢键为代表的弱得多的物理作用力。这些作用力在具有极性基团(如羧基)的底材上更常见,而在非极性表面如聚乙烯上则较少。表1:键的强度和键能强度/类型/能量(千卡/摩尔)/实例共价键主价力15170绝大多数有机物氢键次价力12水色散力次价力10绝大多数分子偶极力次价力5极性有机物诱导力次价力0.5非极性有机物涂料附着的确切机理人们尚未完全了解。不过,使两个物体连接到一起的力可能由于底材和涂料通过涂料扩散生成机械连接、静电吸引或化学键合。根据底材表面和所用涂料的物理化学性质的不同,附着可采取上述机理的一种或几种。一些提出的理论讨论如下。1.机械连接理论这种涂层作用机制适用于当涂料施工于含有孔、洞、裂隙或空穴的底材上时,涂料能够渗透进去。在这种情况下,涂料的作用很象木材拼合时的钉子,起机械铆定作用。当底材有凹槽并填满固化的涂料时,由于机械作用,去掉涂层更加困难,这与把两块榫结的木块拼在一起类似。对各种表面的仪器分析和绘图(外形图)表明,涂料确实可渗透到复杂“隧道”形状的凹槽或裂纹中,在固化硬化时,可提供机械附着。各种涂料对老的或已风化的涂层的附着,以及对喷砂底材的附着就属于这种机理。磷酸锌或铁与涂料具有较大的接触面积,因而能提高附着和耐蚀性。图2展示了假定的底材表面 形状和涂料的渗透。表面的粗糙程度影响涂料和底材的界面面积。因为去除涂层所需的力与几何面积有关,而使涂层附着于底材上的力与实际的界面接触面积有关。随着表面积增大,去除涂层的困难增加,这通常可通过机械打磨方法提供粗糙表面来实现。截面的几何面积和实际的界面面积的比较见图3。实际的界面接触面积一般比几何面积大好几倍。通过喷砂使表面积增加,结果附着