精细化工工艺学-第四部分-3.涂料

1、第八章 涂料,精细化工工艺学,概述,乳液涂料,环保涂料,01,02,03,04,着色涂料,目录,8.1 概述,1. 涂料的定义,是一种可借特定的施工方法涂覆在物体表面上，经固化形成连续性涂膜的材料。通过它可以对被徐物体进行保护、装饰及其它特殊的作用 。,8.1 概述,2. 涂料的作用,1）保护作用,涂料能防止材料磨损以及隔绝外界的有害成分影响。,金属材料，尤其是钢铁，容易受到环境中腐腐蚀性介质、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； 等等。,8.1 概述,2）装饰作用,美观，丰富生活色彩。,由于涂料很容易配

2、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。,8.1 概述,3）色彩标志,危险品的容器、各种管道、机械设备，用各种颜色的涂料作为标志。,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。,8.1 概述,8.1 概述,4）特殊功能作用,功能涂料是一类基于涂料结构和组成，并与光学、声学、力学、电磁学和生物学结合发展起来的专业性强、具有特定功能的新材料。,（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）

3、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。,8.1 概述,吸波涂料是一种能够吸收电磁波而反射、散射和透射都很小的功能材料，广泛应用于电磁辐射污染的消除与防护，用来弥补屏蔽体效果不理想的缺陷，还能解决屏蔽材料所无法解决的整体电磁辐射污染环境净化难题，它的工作原理和性能类似于隐形飞机涂层，它以吸收电磁波能量转换为热能，并散发到空间，达到热平衡，是一种干净、消除电磁波污染的高级手段。,8.1 概述,防火涂料是用于可燃性基材表面，能降低被涂 材料表面的可燃性、阻滞火灾的迅速蔓延，用以 提高被涂材料耐火极限的一种特种涂料。 防火涂料涂覆在基材表面，除具有阻燃作用 以外，还

4、具有防锈、防水、防腐、耐磨、耐热以 及涂层坚韧性、着色性、黏附性、易干性和一定 的光泽等性能。,8.1 概述,荧光涂料,8.1 概述,3.涂料的发展,西班牙阿尔塔米拉洞窟,法国拉斯科洞窟,中国仰韶文化时期的彩陶艺术,8.1 概述,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大漆最早的国家。,商代（公元前1711世纪），发现了漆器的残片； 春秋时代（公元前770476），熟练掌握了桐油制涂料； 战国时代（公元前475221），桐油和大漆制造复配涂料。,巴比伦在公元前已使用沥青作为木船的防腐涂料； 希腊掌握了蜂蜡涂饰技术； 埃及公元初期，采用阿拉伯树胶制作涂料。,明，黄成（黄大成）髹饰录系

5、统总结了大漆的使用经验。,涂料工业的形成：18世纪,合成树脂涂料时期,19世纪中期,1790年，英国创立了世界上第一家涂料厂； 1820年法国，1830年德国，1843年奥地利，1881年日本；,1915年，上海开林颜料油漆厂中国第一个涂料生产厂。,起点：,1855年，英国硝酸纤维素制造涂料，第一个合成树脂涂料工厂。,1990年，美国制成醇溶酚醛树脂涂料。,8.1 概述,8.1 概述,突破：,合成树脂涂料时期,1927年，美国通用，醇酸树脂涂料： 摆脱了以干性油和天然树脂混合炼制涂料的传统方法。,大发展时代：,40年代，美、英、荷、瑞士生产环氧树脂； 50年代，德国拜耳生产聚氨酯涂料； 60年

6、代初，美国杜邦开发了丙烯酸树脂涂料； 第二次世界大战，美国开发了丁苯胶制水乳胶； 5060年代，开发了聚醋酸乙烯酯胶乳和丙烯酸胶乳涂料； 1952年，德国塞恩发明了乙烯类树脂热塑粉末涂料。,8.1 概述,新阶段,节省能源、资源；减少污染、有利于生态平衡和提高经济效益方向发展。,高固体涂料、水性涂料、粉末涂料、辐射固化涂料； 阴极电沉积涂料； 有机-无机聚合物乳液涂料； 功能性涂料。,8.1 概述,4. 涂料的组成,1）基料（主要成膜物质）,a成膜物质的作用,它能形成薄层涂膜，涂膜提供所需要的各种性能。它还能与涂料中所加入的必要的其他成分混合（如溶剂、颜料、助剂等）形成均匀的分散体。,b分类,.

7、非转化型成膜物质大部分为热塑性树脂。,.转化型成膜物质大部分为热固性树脂。,天然树酯 成膜物质 热塑性树脂 合成树脂 热固性树脂,8.1 概述,2）挥发性组分（溶剂）,将成膜物质溶解或分散为流态，而便于制备和施工。而施工后不能从涂膜中挥发出去，使涂膜成为固态物质。,常用的溶剂有，脂肪烃、芳香烃、醇、酯、醚、酮等。 一种涂料可使用一个溶剂品种，也可以使用多个溶剂品种（混合溶剂）。,避免或降低使用挥发性有机化合物（VOC，volatile organic compounds）是涂料发展的一个重要趋势。,8.1 概述,3）颜料（次要成膜物质）,a作用,它是色漆的主要组分之一，使涂膜呈现色彩，具有遮盖

8、能力，以发挥其装饰和保护作用。有的还能增强涂膜的机械性能和耐久性能或给涂膜提供某种特殊功能（导电、阻热、示温、绝热等），降低成本。,b分类,天然 按来源 合成,无机 按化学成分 有机,着色 按作用 体质（填料）,8.1 概述,4）助剂（辅助成膜物质）,a作用,对涂膜某方面的性能起改性作用。生产中根据涂料的性能要求来选择助剂。,b种类,对涂料生产过程发生作用的助剂。如：消泡剂、润湿剂、分散剂、乳化剂等。 对涂料贮存过程发生作用的助剂。如：防桔皮剂、防沉淀剂等。 对涂料施工成膜过程发生作用的助剂。如：催干剂、固化剂、流平剂、防流挂剂等。 对涂料性能发生作用的助剂。如：增塑剂、防霉剂、阻燃剂、防静电

9、剂、紫外线、吸收剂。,8.1 概述,5. 涂料的分类及命名,经原化工部1976年确定，1975年和1982年修改，涂料按成膜物质为基础分为17类，另加一辅助材料，共18类。见表8-1。,8.1 概述,8.1 概述,8.1 概述,A、按用途分类：建筑、车辆、船舶、家具、标志、导电、电绝缘、防蚀、耐热、防火、示温、发光、杀虫、等专用的系列涂料。,B、按施工方法分为：刷用漆、喷漆、烘漆、电泳漆等。,C、按涂料的作用可分为：打底漆、防锈漆、防火漆、防腐漆、头度漆、二度漆等。,D、按涂膜外观可分为：有光漆、无光漆、半光漆、皱纹漆等。,其他分类,E、按形态可分为：溶剂型、水溶性、乳胶、粉末、固体、单组分、

10、双组分涂料等。,8.1 概述,涂料的命名,全名= 颜料或颜色名称+成膜物质名称+基本名称 例：锌黄酚醛防锈漆,全名=颜料或颜色名称+成膜物质名称（用途或特性）+基本名称 例：醇酸导电磁漆， 白硝基外用瓷漆,8.1 概述,6. 涂膜的固化机理,由非转化型成膜物质组成的涂料的物理方式, 溶剂或分散介质的挥发成膜，与挥发能力相关联，也与成膜时的条件（温度、通风条件）和漆膜的厚度有关。 硝酸纤维素漆、过氯乙烯漆、沥青漆、热塑性乙烯树脂漆、热塑性丙稀酸树脂漆、橡胶漆都属于这类物理成膜方式。,1）物理成膜,8.1 概述, 聚合物粒子凝聚成膜方式,分散介质挥发 聚合物粒子接近、接触、挤压变形聚集起来 由粒子

11、状态聚集变为分子状态聚集成膜。 水溶性涂料、塑性溶胶涂料（高聚物粒子溶胀、凝聚），固态的粉末涂料在受热条件下通过高聚物粒子热熔，凝聚成膜却属于这种成膜方式。,8.1 概述,2）化学成膜,由转化型成膜物质组成的涂料主要靠化学方式成膜即涂膜中的成膜物质聚合成为高聚合物的过程。遵循高分子合成反应机理。,涂料与空气中的水分或氧气发生反应的交联固化,氧气能与干性植物油或其他不饱和化合物发生自由基交联,8.1 概述,涂料之间发生反应的交联固化,水分能与异腈酸酯发生缩聚,胺固化环氧树脂涂料采用双组分储存，涂装前把两组分按一定配比均匀混合，在涂装过程中发生交联而固化。,8.2 着色涂料,着色涂料生产的基本工艺

12、过程：,根据原料、聚合方法及使用要求采用不同基料制备方法,颜料、填料等固体料在液体中的分散和研磨,在调和设备中，加入各种组分，搅拌均匀,8.2 着色涂料,使颜料在漆料中均匀地分散制成色漆的过程：混合、分散、调和。,（1）混合,把颜料或颜料的混合物投入漆料内，通过搅拌使之混合均匀的过程。 漆料需要满足与颜料间的润湿性、分散性。,（2）分散研磨,颜料在其制造过程中，最初形成的粒子称原级粒子。其粒度在5nm-1um之间，颜料的原级粒子很细，能轻易的分散到漆料中去，但是，原级粒子在加工的某些阶段，尤其是干燥时，会因种种原因相互粘结，成为聚集体，聚集体之间，聚集体与原级粒子之间还会形成附聚物，就聚集体来

13、说由于分子间吸引力较大，粘结较牢固，较难分散。,8.2 着色涂料,附聚物之间的吸引力要弱的多，粘结不那么牢固，比较容易分散。聚集体和附聚物统称二次粒子，是尺寸比原级粒子要大的多的过大粒子。这种过大的二次粒子(以下简称大粒子)的存在，会给漆膜质量带来不可弥补的损失。因此，分散操作的目的之一，就是要处理这些过大粒子。即施加足够的机械力，使之解聚集，使其能稳定而均匀的分散与漆料中。 颜料在漆料中的分散过程是由三个阶段所组成的，这三个阶段几乎是同时发生的，但还是可按顺序大致分为：,1.润湿:即由颜料空气表面转换为颜料漆料界面的阶段。 2.机械解聚集:即借助于机械力使过大粒子解聚集的阶段。 3.稳定化:

14、即将已润湿的颜料分散到大量液体漆料中去，并使每个颜料粒子被连续的，不挥发的成膜物质永久的分割的阶段。,8.2 着色涂料,研磨设备：,沙磨机,立式砂磨机,内部结构,（1）电机带动转轴和叶轮盘高速运转（8001500r/min），从而使分散介质（玻璃珠、石英沙、刚玉瓷珠等）作剧烈运动； （2）从底部送进的预混漆浆和分散介质作上升运动的同时，回转于两个叶轮盘之间作高度湍流，颜料在剪切力作用下被分散成细小颗粒； （3）当漆浆和分散介质上升到顶筛时，漆浆溢出，完成一次分散过程。,工作原理,8.2 着色涂料,自转与公转形式小型球磨机,实验室砂磨分散两用机,液压三辊研磨机,其他研磨机械,8.2 着色涂料,（

15、3）调和,把漆浆、漆料及其他辅助成份按配方规定配成色漆，达到规定的颜色、粘度、细度、并实现全体系稳定化的过程。一般带有搅拌的设备都可以作为调和设备。,8.2 着色涂料,备料预混研磨调色制漆过滤包装,预混合罐,高速分散机,砂磨机,调漆罐,卧式砂磨机,振动筛,预混合罐,移动式漆盆,砂磨机的分散工艺流程,备料配料及研磨分散制漆（调漆） 过滤包装,球磨机的分散工艺流程,8.2 着色涂料,8.3 乳液涂料,以聚合物的微粒（0.1-1mm）分散在水中成稳定乳状液称之为聚合物乳液，这种乳液加入颜料、助剂，经研磨即成乳液涂料。,烯烃类单体聚合为主，大多为热塑性乳液涂料。,乙酸乙酯均聚物乳液、丙酸乙烯聚合物乳液

16、、纯丙烯酸共聚物乳液、 乙烯乙酸-丙烯酸酯共聚物乳液、苯乙烯-丙烯酸酯共聚物乳液、乙酸乙烯-顺丁烯二酸酯共聚物乳液、氯乙烯-偏氯乙烯共聚乳液、乙酸乙酯-叔碳酸乙烯共聚物乳液、乙酸乙烯-乙烯共聚物乳液、乙酸乙烯-氯乙烯-丙烯酸酯共聚物乳液。,十大类非交联型乳液：,8.3 乳液涂料,8.3.1 乳液的构成,聚合物乳液的组成,8.3 乳液涂料,8.3.2 乳液聚合工艺,生产工艺包括：,间歇工艺、半连续工艺、连续工艺、预乳化工艺、补加乳化剂工艺、种子乳液聚合工艺等。主要是由于加料方式不同而有所区别。,8.3 乳液涂料乳液聚合工艺,1. 间歇乳液聚合,就是把乳液聚合的各种组成加入反应器中，然后升温至反应

17、温度，经历阶段13之后，达到所需的转化率停止反应，经降温、过滤得到产品。,主要特点：物料是一次加入反应器。,低沸点单体：丁二烯、氯乙烯等多采用此聚合方法。,乳粒粒径分布宽，生产效率低，产品质量也不够稳定；但容易操作用，反应较易控制，因而在合成橡胶及氯乙烯等单体的乳液聚合应用广泛。,设备：反应釜为主体的封闭装置。,2. 半连续乳液聚合,将单体缓慢而连续地加到聚合反应器内的乳化剂水溶液中，同时滴加引发剂的水溶液，并以滴加速度来控制聚合反应的温度。,特点： （1）部分组分先投料； （2）剩余部分在一定时间内连续加料，达到所要求的转化率停止反应。,高沸点单体：乙酸乙烯、苯乙烯、丙烯酸酯、丙烯腈等。,操

18、作方便、聚合反应温度易控制，得到广泛的采用。,设备：开放式反应釜,8.3 乳液涂料乳液聚合工艺,3. 连续乳液聚合,各种物料连续不停地加入到反应器中。,与间歇乳液聚合相比具有的特点：,乳胶粒尺寸分布宽； 共聚时聚合物组成不随时间发生变化，但支化度增大； 聚合体系热量和质量稳定；,便于实现生产过程的自动化。,8.3 乳液涂料乳液聚合工艺,4. 种子乳液聚合,所谓种子乳液聚合是先将少量单体按一般乳液聚合法制得种子胶乳(100150nm)，然后将少量种子胶乳(1%3%)，加入正式乳液聚合的配方中，种子胶乳粒将被单体所溶胀并吸附水相中产生的自由基而引发聚合，逐步使粒子增大，最终可达12m,种子乳液聚合

19、体系,在种子乳液聚合中，乳化剂要限量加入。 这是因为：乳化剂在本体系中的目的仅是供应长大粒子的保护和稳定的需要，要防止新胶束或新乳胶粒的形成。 种子聚合中粒子长大后，一个乳胶粒内可能存在多个自由基，易引起凝胶效应。,8.3 乳液涂料乳液聚合工艺,5. 无皂乳液聚合,在反应过程中完全不加乳化剂或仅加入微量的乳化剂（其浓度小于临界胶束浓度）的乳液聚合过程。,优点： 不使用乳化剂降低了产品成本，同时在某些应用场合也免去了去除乳化剂的后处理； 制得的乳胶粒表面洁净，避免了应用过程中由于乳化剂的存在对聚合物产品电性能、光学性质、表面性质、耐水性及成膜性等的不良影响; 制得的乳胶粒子的粒径单分散性好。,8

20、.3 乳液涂料乳液聚合工艺,为什么能在没有乳化剂的情况下形成稳定的乳胶？,无皂体系中虽然不存在乳化剂，但主要通过引入以下反应性组分发挥类似乳化剂的作用，从而使体系得以稳定。,引发剂碎片法（如过硫酸盐，电离自由基时产生的离子） 利用非离子水溶性单体的空间位阻效应或静电排斥力而形成稳定胶粒（亲水基团，如羧基、磺酸基） 加入离子性单体参与反应,8.3 乳液涂料乳液聚合工艺,6. 核壳乳液聚合,种子乳液聚合中，种子胶乳的制备和后继的正式聚合采用同一种单体，结果仅使粒子长大。若种子聚合使用某种单体，后继正式聚合采用另一种单体，则形成核壳结构的颗粒。,异相结构,8.3 乳液涂料乳液聚合工艺,7. 微乳液聚

21、合,微乳液由水、乳化剂及助乳化剂形成的外观透明、热力学稳定的油水分散体系。分散相的珠滴直径在10-100nm范围内。其中助表面活性剂为极性有机物，一般采用醇类。在微乳液体系中，微珠滴是靠乳化剂与助乳化剂形成的一层复合薄膜和界面层来维持其稳定的。,8.3 乳液涂料乳液聚合工艺,8.3 乳液涂料,8.3.3 乳液涂料组成,乳液涂料是聚合物乳胶粒、颜料的水分散体，以及各种助剂的混合物。,8.3 乳液涂料,简单乳液涂料的生产表,8.3 乳液涂料生产方法,色浆法,8.3 乳液涂料生产工艺,l、白浆的制备：首先将水、分散剂、消泡剂、防霉防腐剂等液体物料投入分散设备中，搅拌均匀，在搅拌状态下将着色颜料和体质

22、颜料依次投入，并加速分散20-40分钟，过滤。 2、基料的配制：在调漆罐中投入乳液，在充分搅拌下用pH调节剂将pH值调至8-9。在另一容器中，将增稠剂、防冻剂、成膜助 剂等搅拌均匀成混合助剂，在充分搅拌下，缓慢加入到已中和的乳液中，继续搅拌约10分钟，即得配制涂料用基料。 3、乳胶漆配制：在低速搅拌下，将色浆投入到已配好基料的调漆罐内，继续搅拌15分钟左右，至完全均匀后，出料。,8.3 乳液涂料生产工艺,乳液涂料生产工艺流程,8.4 环保涂料,挥发性有机物（VOC, volatile organic compounds）,VOC + NO2 + O2 O3 + CO2 + H2O,光照,8.4

23、 环保涂料粉末涂料,产品以粉末状态形式存在，并可以以粉末状态进行涂装的涂料。,粉末涂料的优点,1、不含有机溶剂； 2、在涂装过程中，喷溢的涂料可回收利用； 3、一次涂装漆膜厚，可达 50500 微米； 4、涂料用树脂的分子量大，漆膜物理化学、机械性能好； 5、涂装操作技术简单，厚涂不易流挂； 6、无须调节涂料粘度； 7、节省资源。,8.4 环保涂料粉末涂料,粉末涂料的缺点,1、涂料的制造设备和工艺比较复杂，品种和颜色的更换比较麻烦； 2、涂装及喷溢回收均需专用设备，投资大； 3、烘烤温度高，一般 150 度以上，不适合耐热性差的基材； 4、漆膜外观的装饰性不如溶剂型涂料；,8.4 环保涂料粉末涂料,粉末涂料的制造方法,1.干法生产,将原料按配方计量，然后粉碎，混合，过筛，即得产品。 混合方法有干混合法和熔融混合法。,2.湿法生产,先配制成溶剂性涂料，然后除去溶剂，得到粉末涂料； 除去溶剂的方法有蒸发法、喷雾干燥法、沉淀法。,8.4 环保涂料粉末涂料,称量预混熔融混合冷却粉碎分级和过筛产品,58,熔融挤出混合法工艺,8.4 环保涂料粉末涂料,称量加溶剂混合喷雾干燥分离粉末产品溶剂回收,喷雾干燥法工艺流程,8.4 环保涂料辐射固化涂料,辐射固化是指在光（紫外线、可见光）或高能射线（主要是电子束）的作用下，液态的低聚物（包括单体）经过交联聚合而形成固态产物的过