功能涂料与粘结剂化学.ppt

1、2020/7/16,功能涂料与粘结剂化学,杜飞鹏 武汉工程大学材料学院材化教研室,参考书目,涂料化学入门，（英）特纳 著，李宗器 等翻译，上海科学技术文献出版社，1985年 涂料工艺 (上下)， 化学工业出版社，1997年 有机涂料科学和技术，(美) Frank N.琼斯 等，经桴良等翻译，化学工业出版社，2002年,涂料世界,涂料在我国俗称“漆”。 我国对生漆的使用已有四千年历史，髹饰录序言中写道： “漆之为用也，始于书竹简，而舜作食器，黑漆之。禹作祭器，黑漆其外，朱画其内。与此有其贡。周至于东，漆饰欲多焉。”,涂料的定义：,涂料是一种涂覆在物体（被保护和装饰的对象）表面并能形成牢固附着的连

2、续薄膜的配套性工程材料。,涂料是一种流动态物质，通过简单施工方法，并经干燥或固化，在物体表面牢固覆盖一层均匀的薄膜，这样的流动态物质称为涂料。 涂料可以是液态或粉末状态。,（一）涂料的发展史一般可分为三个阶段： 1、天然成膜物质的使用； 2、涂料工业的形成； 3、合成树脂涂料的生产,一、涂料的发展历史,1. 天然成膜物质的使用,中国是世界上使用天然成膜物质涂料最早的国家 之一。春秋时代（公元前770年公元前476年）就 掌握了熬炼桐油制造涂料的技术。战国时代（公元 前475公元前221年）能用桐油和大漆复配涂料。 此后，该项技术陆续传入朝鲜、日本及东南亚各国, 并得到发展。到了明代(13681

3、644年),中国漆器技 术达到高峰。 17世纪以后，中国的漆器技术和印度 的虫胶（紫胶）涂料逐渐传入欧洲。,18世纪涂料工业开始形成。亚麻仁油熟油的大量生产和应用，促使清漆和色漆的品种迅速发展。 1773年，英国韦廷公司搜集出版了很多用天然树脂和干性油炼制清漆的工艺配方。1790年，英国创立了第一家涂料厂。 在19世纪，涂料生产开始摆脱了手工作坊的状态，很多国家相继建厂，法国在1820年、 德国在1830年、 奥地利在1843年、日本在1881年都相继建立了涂料厂。19世纪中叶，涂料生产厂家直接配制适合施工要求的涂料，即调合漆。从此，涂料配制和生产技术才完全掌握在涂料厂中，推动了涂料生产的大规

4、模化。第一次世界大战期间，中国涂料工业开始萌芽，1915年开办的上海开林颜料油漆厂是中国第一个涂料生产厂。,2. 涂料工业的形成,19世纪中期，随着合成树脂的出现，涂料成膜物质发生了根本的变革，形成了合成树脂涂料时期。 1855年，英国人A.帕克斯取得了用硝酸纤维素（硝化棉）制造涂料的专利权，建立了第一个生产合成树脂涂料的工厂。 1909年，美国化学家L.H.贝克兰试制成功醇溶性酚醛树脂。 1925年硝酸纤维素涂料的生产达到高潮。与此同时，酚醛树脂涂料也广泛应用于木器家具行业。 1927年，美国通用电气公司的R.H.基恩尔突破了植物油醇解技术，发明了用干性油脂肪酸制备醇酸树脂的工艺，醇酸树脂涂

5、料迅速发展为主流的涂料品种，摆脱了以干性油和天然树脂混合炼制涂料的传统方法，开创了涂料工业的新纪元。 第二次世界大战结束后，合成树脂涂料品种发展很快。,3. 合成树脂涂料时期,在20世纪40年代后期，美、英、荷（壳牌公司）、瑞士（汽巴公司）首先生产环氧树脂，为发展新型防腐蚀涂料和工业底漆提供了新的原料。 50年代初，性能广泛的聚氨酯涂料在联邦德国拜耳公司投入工业化生产。 1950年，美国杜邦公司开发了丙烯酸树脂涂料，逐渐成为汽车涂料的主要品种，并扩展到轻工、建筑等部门。 第二次世界大战后,丁苯胶乳过剩,美国积极研究用丁苯胶乳制造水乳胶涂料。 20世纪5060年代，又开发了聚醋酸乙烯酯胶乳和丙烯

6、酸酯胶乳涂料，这些都是建筑涂料的最大品种。 1952年联邦德国克纳萨克.格里赛恩公司发明了乙烯类树脂热塑粉末涂料。壳牌化学公司开发了环氧粉末涂料。 1961年美国福特汽车公司开发了电沉积涂料，并实现工业化生产。,此外， 1968年联邦德国拜耳公司首先在市场出售光固化木器漆。 乳胶涂料、水溶性涂料、粉末涂料和光固化涂料，使涂料产品中的有机溶剂用量大幅度下降，甚至不使用有机溶剂，开辟了低污染涂料的新领域。 在5060年代，随着电子技术和航天技术的发展,以有机硅树脂为主的元素有机树脂涂料 发展迅速，在耐高温涂料领域占据重要地位。 这一时期开发并实现工业化生产的还有杂环树脂涂料、橡胶类涂料、乙烯基树脂

7、涂料、聚酯涂料、无机高分子涂料等品种。,为配合合成树脂涂料的推广应用，涂装技术也发生了根本性变化。 20世纪50年代，高压无空气喷涂在造船工业和钢铁桥梁建筑中推广，大大提高了涂装的工作效率。 静电喷涂是60年代发展起来的，它适用于大规模流水线涂装，促进了粉末涂料的进一步推广。 电沉积涂装技术是60年代适应于水溶性涂料的出现而发展的，尤其在超过滤技术解决了电沉积涂装的废水问题后，进一步扩大了应用领域。,（二）涂装技术,七十年代以来，由于石油危机的冲击，涂料工业向节省资源、能源，减少污染、有利于生态平衡和提高经济效益的方向发展。高固体涂料、水型涂料、粉末涂料和辐射固化涂料的开发，是其具体表现。 九

8、十年代初，世界发达国家进行了“绿色革命”，对涂料工业是个挑战，促进了涂料工业向“绿色”涂料方向大步迈进。 以工业涂料为例，在北美和欧洲，1992年常规溶剂型涂料占49%，到2000年降为26%；水性涂料、高固体份涂料、光固化涂料和粉末涂料由1992年的51%增加到2002年的74%。 今后，涂料工业的技术发展将主要体现在“四化” 水性化、粉末化、高固体份化和光固化。,在水性涂料中，乳胶涂料占绝对优势，此外，水分散体涂料在木器、金属涂料领域的技术、市场发展很快。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

9、迅速发展的一类水性涂料。 它除具有一般聚氨酯涂料所固有的高强度、耐磨等优异性能外，且对环境无污染，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。,（1）涂料的水性化,（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。

10、,粉末涂料,制造工艺超临界流态化,色彩多样化,专用产品高端化,涂装薄膜化,在环境保护措施日益强化的情况下，高固体份涂料有了迅速发展。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。,目录,（3）涂料的高固体份化,高固体分涂料,VOC,高固体分涂料,节约大量有机溶剂,降低环境污染,避免中毒与火灾,提高效率、降低成本,使用传统生产

11、与施工设备,（4）涂料的光固化,光固化涂料也是一种不用溶剂、节省能源的涂料，最初主要用于木器和家具等产品的涂饰，目前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，它是将有丙烯酸酯端基的聚氨酯齐聚物溶于活性稀释剂（光聚合性丙烯酸单体）中而制成的。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。,二、行业发展趋势,世界涂料工业发展，正在本着力求符合“5E”原则

12、的方向发展，即,Energy,Economy,Efficiency,Ecology,Excellence,1、涂料工业的行业发展趋势,企业向专业化、规模化、集团化方向发展,产品向高科技含量、高质量、多功能方向发展,品种向环保型、节能型方向发展,产品逐步走出国门，参与国际竞争,2、涂料工业的技术发展趋势,传统低固体分涂料,水性涂料,粉末涂料,高固体分涂料,光固化涂料,3、当前涂料工业的发展,2003年世界十大油漆生产企业 阿克苏诺贝尔（AKZO NOBEL，荷兰）来威漆 庞贝捷 宣威（美国） 卜内门（ICI，英国）多乐士 杜邦（Dupon，美国） 巴斯夫（BASF，德国） 华仕伯（） 式马卡龙（

13、SigmaKalon，欧洲第二大装饰涂料生产商） 立邦（Nippon） 关西（日本）,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）,2002年中国大陆地区涂料公司年销售额(亿) 立邦涂料公司（大陆地区）：21.395亿人民币 广州珠江化工集团有限公司：6.565 卜内门太古漆油有限公司（大陆地区）：5.967 山东乐化集团有限公司：5.272 上海国际油漆有限公司：4.751 PPG涂料（天津）有限公司：4.307 广东华润涂料有限公

14、司：4.123 上海涂料有限公司：3.827 海虹老人牌涂料（昆山）有限公司：3.826 湖南汀湘江涂料集团有限公司：3.769,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。,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：285万吨（2007年）； 日本需求增速：1.4%/年； 日本市场需求：205万吨（2007

15、年）； 北美和西欧需求增速：低于世界平均水平； 北美和西欧需求：占世界总量的近一半（2007） 北美需求增速：2.7%/年； 北美市场需求：815万吨（2007年）； 西欧需求增速：2.3%/年； 西欧市场需求：603万吨（2007年）。,中国涂料行业概况 2000年，中国涂料市场表观需求额为299.86亿元；三资企业所占份额30%；国有、集体、股份制、私有企业等所占份额56.8%；进口所占份额由1998年的10.5%上升为2000年的13.2%。三资企业和进口已成为推动中国涂料市场发展的重要力量。 2000年，中国共有涂料企业4200多家 2000年，中国涂料产量超过200万吨（有关部门估计

16、约为280万吨）。涂料产量居世界第四位。,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。,三、涂料作用,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。,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

17、车、邮局等，也常用色彩来标示，方便人们辨别。,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。,（一）标准分类（依据成膜物质的不同，共分18大类）,三、 涂料的分类,硝化棉,续表 涂料分类,续表 涂料分类,辅助材料分类,（二）习惯分类,1.按储存组分数分类 分为：单组分漆和多组分漆。 2.根据组成特点分类 1）根据成膜物质用油和树脂的含量分为：油性漆和树脂漆。 2）根据溶剂的特点分为：

18、溶剂型漆、无溶剂型漆、水性漆等。 3.根据透明度与颜色分类 分为：透明清漆、有色透明清漆、有色不透明彩色漆（实色漆）等。,4.按施工功用分类 分为腻子或填孔剂、着色剂、头度底漆、二度底漆等。,腻子,1稠厚、2稀薄，均含有大量体质颜料,着色剂,底着色或涂层着色,头度底漆,起封闭作用；有利于渗入木材；,二度底漆,打底材料，构成漆膜主体，含有大量填料,面漆,罩面，对涂饰外观起重要作用。,5.按光泽分类 分为：亮光漆和亚光漆（包括半亚和全亚）等。 6.按成膜固化机理分类 分为：挥发型漆、非挥发型漆、光敏漆、电子束固化型漆。,(二) 习惯分类,按施工方法分类 刷用漆、喷漆、烘漆、电泳漆等。 按涂料作用分

19、类 防锈漆、防火漆、耐高温漆等。 按用途分类 建筑涂料、汽车涂料、卷材涂料、罐头涂料、塑料涂料、木器涂料、纸张涂料、油墨等。,四、 涂料组成 涂料由主要成膜物质(即基料)、次要成膜物质和辅助成膜物质组成。 主要成膜物质是自身能形成致密涂膜的物质，是涂料中不可缺少的成分，涂膜的性质主要由它所决定，又称为基料。,次要成膜物质：自身不能形成完整涂膜的物质，但能与主要成膜物质一起参与成膜，赋予涂膜色彩或某种功能，也能改变涂膜的物理力学性能。 次要成膜物质包括颜料、填料、功能性材料添加剂。 辅助成膜物质包括溶剂、稀释剂和助剂。,主要成膜物质是液体涂料中决定漆膜性能的主要成分，是一些涂于制品表面能够干结成

20、膜的材料。可以作为涂料成膜物质的主要原料，早年是用植物油（桐油、亚麻油、豆油等），近年主要是用合成树脂（醇酸树脂、聚氨酯、不饱和聚酯等）。,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,油脂,有机 成膜 物质,无机成 膜物质,原硅酸乙酯 碱性硅酸盐等,五、 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,（1）涂装技术与工艺,阴极电泳涂装工艺,粉末静电喷涂,反渗透技术,机械人喷涂技术,高红外快速固化技术,静电喷涂工艺,涂料技术

21、发展趋势,（2）有关辅助方面的发展趋势,涂料辅料,涂料用颜料,其它添加剂,计算机的应用,（3）涂料（A）防腐涂料,防腐涂料,绿色化,高性能及多功能化,(B)、建筑涂料技术,高固体分涂料,水性涂料,粉末涂料,辐射固化涂料,超耐候性涂料,功能性涂料,(C)、汽车涂料, 需求量大, 需求多样化，花色品种变化频繁, 方向为水性涂料、粉末涂料以及高固体分涂料,(D)、特种涂料,防污涂料,阴极电泳涂料,保温涂料,氟炭涂料,（E）功能性涂料,涂料除有保护装饰功能外，还要满足各种特定条件下的特定要求功能，这类涂料称为“特种功能涂料”。 特种功能涂料在特定条件下显示热、声、光、电磁、机械、生化、屏蔽等方面一种或

22、几种以上的特殊功能。,特种功能涂料,耐高温腐蚀的涂料,防火涂料,示温涂料,导电、磁性、液晶涂料,阻尼涂料,防霉、杀菌、灭虫涂料,润滑、耐磨、防滑涂料,耐核幅射涂料,隐身涂料,舰船防污涂料,飞机、航空器涂料,热与高温 性能涂料,电、磁、光、 声、机械性 能涂料,特定条件 下的功能 涂料,在古罗马，工匠们用木材 浸在醋和粘土浆液中，已达到防火的目的。,防火涂料,防火涂料又称：阻燃涂料，施涂于可燃基料表面，用以改变材料表面燃烧特性，阻滞火灾蔓延；或用以提高构件耐火极限的涂料。,防火涂料,基料：硅酸盐、磷酸盐、氧化铜、磷酸元素有机树 脂、焦油系树脂、丁苯乳液、叔碳乳液；,颜、填料：钛白粉+锑白粉、酞箐

23、系颜料；,溶剂：水、200#汽油、甲苯、二甲苯、酮及酯类。,助剂及特殊添加剂： 1脱水剂 2成碳剂 3发泡剂 4阻燃剂,防火涂料,膨胀型防火涂料的防火机理：,墙 面,防火涂料,受热炭化、膨胀,示温涂料,热变色材料是当今世界研究的热点。 1938年,德国由于战争需要研发出最早示温涂料 。 20世纪40年代,前苏联、英、美、法、德研发出了高温单色不可逆的示温涂料。此后，为满足飞机发动机需要，出现多色可逆示温涂料。 日本主要研发低温示温涂料。 自20世纪80年代以来，国外热变色材料趋向低温可逆，应用范围扩大到日常生活的各个领域。 国内高校（浙江大学、复旦大学等）相继开始示温涂料的研制。,示温涂料的发展,示温涂料概述,示温涂料是指当涂层被加热到一定温度后发生颜色的变化或其他现象变化来指示物体表面温度分布的涂料，也称变色涂料、热敏涂料。 主要用于飞机发动机、武器等。,受热,例如： 某一反应，温度是产品质量的重要影响因素，可在反应釜表面涂刷“可逆示温涂料”。,温度高于上限温度,再次