胶黏剂与涂料制备及应用原理.ppt

1、“高分子材料加工原理”之,第八章 胶黏剂与涂料制备及应用原理,第一节 胶黏剂制备及胶接原理,胶接是通过具有黏附能力的物质，把同种或不同种材料牢固地连接在一起的方法； 具有黏附能力的物质称为胶黏剂或黏合剂，被黏接的物体称为被黏物； 胶黏剂和被黏物构成的组件称为胶接接头。,一、概述,（一）胶接与胶黏剂,胶接连接的优点：,胶接结构为“面连接”； 具有黏弹性，能够吸收作用于胶接接头的机械能； 不需要外部机械能的介入； 减轻重量； 可连接不同质材料； 具有对介质的优良密封性； 胶接工艺比较简便。,胶接连接的局限性：,胶接要求被黏物有适当的表面状况； 合成胶黏剂的耐老化性差； 合成胶黏剂的耐温性差； 胶接

2、强度的分散性大； 胶接质量无损检验的方法尚不能普遍使用。,（二）胶黏剂的品质指标,1固化速度 在规定的试验条件下，胶黏剂转为不熔状态所需的时间即是该胶黏剂的固化速度。 2剥离强度 剥离强度是表征胶黏剂承受线应力能力的指标。 在规定的试验条件下，胶黏剂单位宽度上所能承受的平均载荷即为剥离强度，单位为N/m。,式中：T、180度分别代表T型剥离强度和180度剥离强度，KN/m；F为剥离力（N），B为试样宽度（mm）,T型剥离,180度剥离,3持久强度 胶接持久强度是指在一定的应力作用下，胶接接头破坏所需要的时间。 持久强度可分为持久剪切强度和持久抗拉强度。 4耐水性 通常以耐水系数保持率来表征胶黏

3、剂的耐水性。,K为耐水系数保持率，%；为耐水后黏接强度，MPa；0为耐水前黏接强度，MPa。,二、胶黏剂的制备,胶黏剂的制备过程包括: 粘料的合成 各种配合剂和固化剂的选择 胶液的制备和调配等过程,（一）热固性树脂胶黏剂 热固性树脂胶黏剂分子量小，分子中含有反应性强的基团，它通过加热、催化剂的加入或两者结合固化成不溶不熔的物质。 例： 酚醛树脂胶黏剂 氨基树脂胶黏剂 环氧树脂胶黏剂 聚氨酯树脂胶黏剂,（二）热塑性树脂胶黏剂,例：乙烯基树脂胶黏剂 丙烯酸酯系胶黏剂 ABS树脂胶黏剂等,热塑性树脂胶黏剂由线型聚合物黏料和其它配合剂组成。 它不产生交联，能以溶液状态、乳液状态或熔融状态进行胶接操作，

4、使用方便。,（三）合成橡胶胶黏剂,包括：氯丁橡胶胶黏剂 丁腈橡胶胶黏剂 聚硫橡胶胶黏剂 聚异丁烯、丁基橡胶胶黏剂 硅橡胶胶黏剂,三、胶接基本原理,（一）胶接力的产生,胶接接头的结构是由两被黏物(固体)和一胶黏剂(液体或加热后呈液状)三者所组成。 胶接接头的强度取决于两方面：胶黏剂本身的内聚强度；胶黏剂与被黏物之间的黏附力，即胶接力。 胶接力的来源，包括化学键力、分子间作用力、界面静电引力及机械嵌合力等。,（二）形成胶接接头的基本条件,胶黏剂必须首先是易流动的液态物质。 胶黏剂与被黏物表面必须处于润湿状态。 在润湿的前提下，被黏物表面进行适当的糙化。 液相胶黏剂必须通过蒸发（溶剂或分散介质）、冷

5、却、聚合、缩合或各种交联方法进行固化以提高内聚强度。 胶接接头固化过程中，设法降低残留内应力。 在胶接界面区内，避免弱界面层或胶黏剂内的气孔及其他缺陷。,（三） 胶接过程的界面科学基础,润湿,液体在固体表面的情况,完全润湿时：,一般有机物的液/固体系 可忽略,则,2.固体表面临界润湿张力( ),固体的表面自由能不能直接测定，但可用固体表面临界润湿张力反映固体表面自由能的大小。 固体表面临界润湿张力不是一个热力学参数，不能与固体的真实表面能混淆，但它可作为评价黏接好坏的一个判据。,3.润湿与胶接的关系,当液体润湿固体表面后，将液体从固体界面剥离时所需的功称为黏附功（Wa）。,黏附功（Wa）和内聚

6、功（Wb）,若=0，,所以，在完全润湿的情况下，黏附功等于液体的内聚功。,则,完全润湿的情况下并非黏附功达到最大。 黏附功与液体表面张力及固体 值的关系：,b为经验常数，在低表面能固体的情况下约等于0.026,在设计黏接体系时，应当着重于提高被黏物的表面能，而且所挑选的胶黏剂的表面张力要低于被黏物的表面临界润湿张力，这样才能自发润湿，得到较高的黏接性能。,则,（四）胶接现象的理化解释,1. 胶接的吸附理论,胶接作用是由胶黏剂和被黏物分子在界面上接触并产生次价键力所引起的。,吸附理论的主要结论： 胶黏剂与被黏物表面的良好润湿和充分靠近，是提供高胶接强度的必要条件。 要形成高强度的胶接接头，就需要

7、增加其真实的接触面积。 胶黏剂中的分子对被黏物表面有较大的范德华引力时，则胶接力较大。,2.胶接的扩散理论,由于分子或链段的热运动，胶黏剂的分子或链段与被黏物的分子或链段能够在表面层相互扩散，形成一个交织的过渡区，黏合界面消失，从而产生牢固的胶接接头。 从界面上链段扩散角度来研究胶接现象的理论称为胶接的扩散理论。,不同溶度参数的胶黏剂胶接聚酯膜的胶接强度,“相容性问题 ”,3.胶接的静电理论,当胶黏剂-被黏物体系是一种电子的接受体-供给体的组合形式时，由于电子从供体相转移到接受体相，在界面区两侧形成了双电层而产生了静电引力。 从被黏物表面剥离胶黏剂时，像分开电容器的两个极板一样，能产生电位差。

8、 胶接接头的黏附功可看作与两极板的能量相等。极板分离功的计算：,式中：W为分离功，0为表面电荷密度，h为两极板间拉开的间隙。,4.胶接的机械连接理论,两种胶接材料间弯曲的界面示意图,如果被黏物表面不光滑，从微观看它是凹凸不平的，胶黏剂可填充在被黏物表面的孔隙与凹凸不平的沟壑中，脱出时会部分受到被黏物的阻碍，表现出“锁-匙”效应。,5.胶接的化学键理论,胶黏剂与被黏物之间如果能形成化学键，不仅可以提高黏附强度，而且可以改善胶接接头抵抗各种环境作用的能力。 化学键的形成的条件： 胶黏剂与被黏物必须带有能相互反应的官能团或可通过某些添加剂与两者进行化学反应； 胶黏剂必须与被黏物润湿，以达到紧密的接触

9、； 在一定的工艺条件下进行(如温度、时间、压力等)。 两种聚合物互相黏接时，也可以通过双官能度的化合物或有机过氧化物在界面上形成共交联。,6.弱边界层,胶接接头产生后，其断裂可能发生在被黏物，也可能在胶黏剂中，主要是两者中内聚能较弱的一方。 由于材料界面处存在较低的内聚强度，所以胶接一般都会在低于它们预期强度的情况下断裂，这些内聚强度较低的物质就构成了“弱边界层”。,四、胶接技术,（一）胶接接头的设计,应尽可能地使胶接接缝所承受载荷的全部或大部分为剪切载荷，其次方为抗拉(扯离)载荷。 应尽可能地避免剥离和不均匀拉伸应力作用，如确实难避免，则应采取加固措施 应尽可能地增大胶接面积以提高承载能力。

10、 在胶接复合材料与层压材料时，应尽可能避免在材料表 面或局部面积上造成拉伸载荷，以免使它产生层间剥离。 胶接接头应加工制造容易，经济可靠。,（二） 胶黏剂的选择,举例： 未经表面处理的低表面能塑料，可用非极性胶黏剂黏接；经过特殊处理，则可用极性胶黏剂黏接。 塑料与无机材料黏接并在高温或低温环境中使用时，由于两者热膨胀系数的差异，应选用具有弹性的胶黏剂，或者在胶黏剂中添加无机填料。 在黏接不同材料时，会遇到胶黏剂只对某一种被黏物有较好的黏附性能，而对另一种则很差，此时可选用一种底胶，其对难粘的一种被黏物和胶黏剂层有好的黏附性。 溶剂也可作为塑料的胶黏剂，是塑料黏接最简单、最经济的方法。,（三）

11、胶接工艺,胶接过程包括： 对胶接表面进行处理，使表面平整无油并具有一定的粗糙度。 胶黏剂的准备 涂胶(喷涂、刷涂、辊涂、刮涂、浸涂，注射和层压法等) 晾置 叠合固化 修整(去掉被挤出黏接接头外的多余的边角),第二节 涂料配制及涂层形成原理,涂料是一种流动状态或粉末状态的物质，能够均匀地覆盖和良好地附着在物体表面形成固体薄膜。它是具有防护、装饰或特殊功能的材料。经过物理化学作用已干燥固化的涂料膜叫涂层（也叫漆膜、涂膜)。,(一)涂料的组成,涂料的主要成分： 树脂基料（包括所添加的增塑剂） 颜料（及填料） 溶剂（或分散介质） 各种助剂：增稠剂、催干剂、抗结皮剂 表面活性剂、杀菌（虫剂） 防霉剂等。

12、,一、概述,1. 树脂基料 树脂基料是涂料配方中的成膜成份，可分为转化型和非转化型。 转化型：将未聚合或部分聚合的聚合物基料施涂在底材上，经聚合反应形成固体涂膜。 非转化型：将分散或溶解在介质中的聚合物基料，施涂在底材表面上，当分散或溶解介质挥发后，在底材表面留下牢固附着的涂膜。 部分非转化型：以固体粉末的形式存在，通过喷涂或沸腾床（或流化床）使粉末黏附于热工件上，再经加热塑化形成连续膜。,2. 颜料 颜料：能分散在基料中，并赋予涂料某些特性的固体粉料。 特性：色彩，不透明性、耐久性、机械强度和对金属被涂物的防腐性。 3.填料 填料：在涂料基料和溶剂中是不溶的，对涂膜几乎没有遮盖能力或着色效果

13、，加入填料可改进液体涂料的流动性及涂膜的机械性能、渗透性、光泽和流平性。 涂料中所用的填料：重晶石（硫酸钡）、陶土、云母粉、滑石粉和重质碳酸钙。,4. 溶剂 溶剂：用于溶解树脂组分和改善涂料黏度的挥发性液体。 溶剂不仅必须能溶解树脂，而且所形成的溶液应具有一定的黏度；溶剂还必须有适当的挥发速度；此外，理想的溶剂应当是无毒、价廉，以及具有可以接受的气味。 5. 增塑剂 可增加涂膜的柔韧性。 主要用于一些刚性或脆性涂膜。,6. 催干剂 催干剂：有机酸的油溶性金属盐，主要用于加速醇酸树脂涂料的固化速度。 机理：催化基料中不饱和油组分的氧化交联。 最有效的催干剂是铅盐和钴盐。,7. 生物活性添加剂 （

14、1）防污毒剂 作用：含有海洋污损物的毒剂，同时以一定速度逐渐释放出毒剂，并足以阻止海洋生物的附着和繁殖。 最常用的防污毒剂有氧化汞、三丁基氧化物、金属铜和氧化亚铜。 （2）杀菌剂 作用：干扰细菌的新陈代谢，因而阻止了酶的合成。 常用的杀菌剂是酚或醛的复杂化合物。,8.黏度调节剂和抗沉降剂 （1）增稠剂 作用：使涂料的黏度提高，但并不引起触变现象。 （2）触变剂 作用：使涂料在零或低剪切速率下具有类似凝胶的结构，只有高剪切 速率下发生流动。只要剪切应力被减少到零时，凝胶状态便立即恢复。 触变性是一个有用的特性，它可以防止流挂的产生，也能将贮存过程 中的沉降减少，甚至完全消除。 例如：纤维素醚、微

15、粉化二氧化硅、膨润土等,9.颜料分散剂 颜料分散剂：即表面活性剂。 当颜料、填料在介质中润湿性差或根本不润湿时，常加入表面活性剂来促进颜料和填料的分散。 加入量一般为涂料固体量的0.1%0.5%或为颜料量的1%。,（二）涂料的品质指标,1.透明度 对于不含颜料的涂料产品，如清漆、清油和漆料等，透明度是一项重要的技术指标。 测试方法： （1）将试样倒入内径为115mm的干燥洁净的无色玻璃试管内，于天然散色光线下观察其内部是否有机械杂质和浑浊物等。 （2）采用光电式浊度计。,2.贮存稳定性 表征涂料在密闭桶内贮存过程中质量是否有变化的性能指标。 测定： 在不同的阶段测定其黏度、干燥时间和光泽等。

16、还需要重点进行产品的沉降试验。,3.平流性 指涂料刷涂或喷涂在物体表面上，经一定的时间后，观察涂膜是否能平行流展成平滑表面的性能。 测试方法： 将试样调至施工黏度，涂刷在已有底漆的样板上，使之平滑均匀，然后在涂膜中部用刷子纵向抹一刷痕，测定刷痕消失的时间来评级：不超过10min的为良好，1015min为合格，经15min后试样表面尚未均匀者为不合格。,4.遮盖力 指色漆涂成均匀的薄膜，可使涂装表面的底色不再呈现的能力。 表示方法: （1）遮盖单位面积所需要的最小用漆量，以g/m2表示； （2）遮盖住底面所需要的最小湿膜厚度，以m来表示。 测试方法： 采用单位面积重量法,X-遮盖力，g/m2；m

17、-黑白格板完全遮盖时涂料用量，g；A-黑白格板涂装面积，cm2。,5.干燥时间 由于涂料的完全干燥需要时间较长，一般只测定涂料的表面干燥时间和实际干燥时间。 (1)表面干燥：将棉球放在漆膜上，在距棉球1015cm处，用嘴沿水平方向轻吹棉球，如能吹走，膜面不留棉丝，即认为达到了表面干燥。 (2)实际干燥：在漆膜上放一片滤纸或一个棉球，在上面轻轻放一个底面面积为1cm2、重200g的干燥试验器，经30s，移去仪器，将涂漆样板翻转（漆膜向下）。若滤纸能自由落下，并且纤维不被黏在漆膜上，即认为达到了实际干燥。,6.漆膜的硬度 漆膜的硬度是是测试漆膜表面对作用其上的另一个硬度较大的物体所表观的阻力。 测

18、定：采用克列曼硬度测试法。 用仪器的刀尖刮破漆膜前，漆膜所承受的最大负荷来表示。,7.漆膜附着力 表征漆膜与被涂物体表面通过物理和化学作用结合在一起的坚固程度的指标。 测试方法： （1） 用保险刀片在漆膜上切几道平行的切痕，应该切穿漆膜整个深度，然后再切同样的几道切痕，与前者垂直，形成许多小方格，用手指轻轻触摸，漆不从小方格中脱落，仍与底版牢固结合者为合格。,画图法附着力的分级,测试方法： （2）画圈法 采用附着力测定仪,画图法附着力测定仪,二、 涂料配方设计原理,（一） 颜料加入量,颜料(包括填料)的加入量表示方法： （1）质量分数： 以配合涂料总量为100%，计算各类加入物所占的质量分数。

19、可用颜料和不挥发基料之间的重量关系表示，称为颜-基比。 （2）颜料体积浓度： P.V.C.= 颜料和填料的体积/（颜料和填料的体积+固体基料的体积）100(%),临界颜料体积浓度(C.P.V.C.) ： 当涂膜中颜料体积超过某一特定值时，许多涂膜性能突然发生显著的变化的颜料体积浓度。,颜料体积浓度(P.V.C.)对色漆性能的影响,任何涂料的C.P.V.C.都表示这样一点：P.V.C.增加到这一点时，基料恰好能润湿所有的颜料粒子。,（二）溶剂相,重要作用：控制液态涂料的黏度；控制和改善干燥速度及流动特性；影响非转化型涂料的成膜过程及涂膜的最终使用性能。,产生问题： 漆膜“发白” “干喷” 涂膜中产生气泡,三、涂料的配制,涂料的生产过程包括成膜物的合成、配合剂的选择、调配等工序。 涂料的成膜物是各类高分子化合物。 制成一种能够满足使用对象要求的涂料，还需与其它材料相配合。,（一）清漆的配制 清漆是不带颜料、填料的涂料，由成膜树脂与分散介质和添加剂混合而成。 1.分散介质的选择 要注意溶解能力、挥发速度， 还应有高的闪点、低毒性、无色、透明、无杂质、价格低廉。 2清漆的精制 原材料中可能含有的不溶物质在清漆包装前应予除去。 方法有筛网法、机械法、自动化法。,（二）色漆的配制,在清漆中加入颜料得到的涂料称为色漆。 色漆的生产步骤: 混合 研磨 调漆 调色 性能测试 过滤 包装