影響水性涂料漆膜附著力的因素與漆膜附著機(jī)理

1、影響水性涂料漆膜附著力的因素與漆膜附著機(jī)理附著力, 涂料, 機(jī)理, 配方, 漆膜正確掌握水性涂料漆膜附著力是水性漆配方的基礎(chǔ)。本文摘自清華大學(xué)材料系博士，華潤涂料水性涂料高級研發(fā)主管陳小文的論文 “影響水性玻璃涂料漆膜附著力的因素與漆膜附著機(jī)理”。文章探討了涂料配方、涂裝施工工藝與漆膜養(yǎng)護(hù)環(huán)境等因素對漆膜附著力的影響，并從漆膜的附著類型與附著性、漆膜與被涂表面的極性、漆膜的內(nèi)聚力與熱膨脹系數(shù)、漆液對基材的潤濕性等方面，分析了漆膜附著的內(nèi)在機(jī)理。此文著重的是水性玻璃漆，但其中對漆膜附著機(jī)理的討論對其他水性漆， 包括水性木器漆，水性塑膠漆和水性金屬漆的配方都有很好的借鑒性。漆膜在基材上的附著類型與

2、附著性漆膜在基材上的附著分為機(jī)械附著和化學(xué)附著2種類型。機(jī)械附著取決于被涂板材的性質(zhì)(粗糙度，多孔性)以及所形成的漆膜強(qiáng)度；化學(xué)附著是指漆膜和板材界面處漆膜分子和板材分子的相互吸引力，它取決于漆膜和板材的理化性質(zhì)。2種類型相比，通常認(rèn)為化學(xué)附著的說法更切合實(shí)際，是最主要的漆膜附著類型。考察漆膜對被涂物體表面的附著性，需要關(guān)注3個(gè)方面的問題：1.液態(tài)成膜物質(zhì)對板材的潤濕程度；2.基材表面上定向吸附層的形成；3.成膜物與基材界面形成雙電子層。漆膜的附著性取決于成膜物質(zhì)中聚合物(或分子量更低的預(yù)聚物)的極性基，如-oh、-cooh，與被涂物表面的極性基之間的相互結(jié)合。為了使這種極性基良好結(jié)合，要求聚

3、合物分子具有一定的流動(dòng)性，讓聚合物分子更好地濕潤基材表面，使聚合物的極性基接近于被涂表面的極性基；當(dāng)兩者分子之間的距離變得非常小時(shí)(達(dá)到1a以內(nèi))，極性基之間由于范德華力、化學(xué)親和力、氫鍵等內(nèi)聚力的綜合作用達(dá)到附著平衡。漆膜與被涂表面的極性從分子結(jié)構(gòu)、分子的極性及分子相互作用力的觀點(diǎn)來看，漆膜的附著力產(chǎn)生于涂料中聚合物分子的極性基定向，及其與被涂物表面極性分子的極性基之間的相互吸引力。只有兩者之間極性基相適應(yīng)，才能得到附著力好的漆膜；反之，極性好的涂料涂在非極性的板材上，或者非極性涂料涂在極性的板材上，都不會得到附著力良好的漆膜。漆膜與被涂表面任何一方的極性基減少，都將導(dǎo)致漆膜附著力的下降：1

4、.基材板面存在污物、油脂、灰塵等，降低了基材表面的極性，會引起附著力的降低。2.漆膜中極性點(diǎn)的減少，也會降低附著力。例如氨基醇酸漆烘干成膜時(shí)醇酸樹脂的-oh與氨基樹脂中的-ch2oh進(jìn)一步交聯(lián)而不斷被消耗了，造成了附著極性點(diǎn)的不斷減少，這是氨基醇酸漆烘干后附著力降低的一個(gè)重要原因。漆膜中極性點(diǎn)的減少，既可能緣于涂料中不同組分之間的交聯(lián)反應(yīng)，也可能因?yàn)榫酆衔锓肿觾?nèi)的極性基自行結(jié)合而引起。漆膜的內(nèi)聚力與熱膨脹系數(shù)同類物質(zhì)分子之間的內(nèi)聚所引起的力，稱為內(nèi)聚力。涂層內(nèi)聚力越大，附著力越差。涂料在干燥過程中，隨著溶劑的揮發(fā)、交聯(lián)程度的增大，成膜物質(zhì)分子之間的內(nèi)聚力增大，漆膜產(chǎn)生收縮現(xiàn)象，最終導(dǎo)致漆膜附著

5、力的降低。因此，可以通過采取降低漆膜內(nèi)聚力的方法來達(dá)到提高附著力的目的，常用的辦法有：1.降低涂層的厚度，減小內(nèi)聚力，提高漆膜對基材的粘附強(qiáng)度。2.往涂料中添加適當(dāng)顏料，降低漆膜內(nèi)聚力，改善漆膜在底材上的附著性。這是色漆比清漆的附著力普遍要好的重要原因。漆膜與基材熱膨脹系數(shù)的差異，也影響著漆膜的附著性能。眾所周知，隨著溫度條件的變化，一切材料均會發(fā)生不同程度的體積收縮和膨脹。當(dāng)涂料涂布于基材表面時(shí)，由于熱脹冷縮的影響，涂料與被涂表面之間的粘結(jié)點(diǎn)將遭到不同程度的破壞。從總體上看，漆膜的熱膨脹系數(shù)要明顯大于基材的熱膨脹系數(shù)，所以在溫度變動(dòng)時(shí)，漆膜的膨脹或收縮程度都比板材大，從而引起漆膜的相應(yīng)變形，

6、產(chǎn)生皺紋、龜紋等，降低了漆膜的附著力。涂料的熱膨脹系數(shù)越小，涂膜的附著力越好，例如環(huán)氧樹脂熱膨脹系數(shù)比其他樹脂小，所以環(huán)氧樹脂漆膜的附著性好。漆液對基材的潤濕性漆膜的附著力產(chǎn)生于涂料與被涂基材表面極性基之間的相互引力，而這種極性基之間的相互引力的產(chǎn)生是以涂料對被涂基材表面的良好濕潤為前提的。由于涂料對被涂基材表面的濕潤狀況取決于漆液的表面張力，因此，降低涂料的表面張力，才能提高濕潤效率，增強(qiáng)漆膜對基材表面的附著力。涂料對基材的潤濕是通過涂料的流動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。漆液在應(yīng)用中必須呈很好的流動(dòng)態(tài)，即使粉末涂料也必須達(dá)到流動(dòng)態(tài)；只能通過漆液的流動(dòng)來濕潤被涂表面，才能達(dá)到漆膜對基材良好附著的目的。一般而言，

7、涂料濕潤得不好，界面接觸就小，附著力就差；反之，涂料濕潤得好，界面接觸就大，附著力就好。涂料中有低分子量的物質(zhì)或者助劑(如硬脂酸鹽、增塑劑等)存在時(shí)，它們會在涂層和被涂物之間產(chǎn)生弱的界面層，影響漆液對基材的潤濕性，降低附著力。此外，基材表面粘附有水、灰塵、酸、堿等雜質(zhì)時(shí)，也會引起漆膜與基材間弱界面層的出現(xiàn)，防礙漆液對基材的潤濕作用，減少極性點(diǎn)，導(dǎo)致漆膜附著力的下降。結(jié)論透明基料配方中添加一定種類與劑量的基材潤濕劑與附著力促進(jìn)劑，有助于提高漆膜的附著力；色漿的類型與質(zhì)量，不僅關(guān)系到色漿與透明基料的相容性，也對漆膜附著力產(chǎn)生一定的影響。漆膜厚度、漆膜干燥時(shí)間、以及涂裝養(yǎng)護(hù)環(huán)境的溫度與濕度，都是影響

8、水性玻璃漆膜附著力的重要因素。從漆膜在基材上的附著機(jī)理來看，漆膜與被涂表面的極性、漆膜的內(nèi)聚力與熱膨脹系數(shù)、以及漆液對基材的潤濕性等，從理論上決定了漆膜附著性能的優(yōu)劣。pvc&cpvc在涂料配方設(shè)計(jì)中的應(yīng)用作者：內(nèi)詳 文章來源：網(wǎng)絡(luò)搜集 點(diǎn)擊數(shù)： 更新時(shí)間：2007-3-14 0:54:23    摘要：介紹了涂料研制中顏料及臨界顏料體積濃度 (pvc&cpvc) 概念的基本使用方法及在 excel 中的應(yīng)用。     關(guān)鍵詞：顏料體積濃度 (pvc ）；臨界顏料體積濃度（ cpvc ）； excel

9、60;   1 前 言     色漆的配方設(shè)計(jì)，一般可以分為以下幾個(gè)步驟：根據(jù)色漆的應(yīng)用性能選定主要成膜物質(zhì)；選定顏、填料，以及它們和成膜物質(zhì)的比例；選用溶劑、助劑及它們的使用配比。     其中和色漆實(shí)驗(yàn)直接相關(guān)的是第步，即選用顏料及制訂出顏料和成膜物質(zhì)的比例，它是決定涂膜的最終性能的關(guān)鍵步驟之一。     2 顏料及臨界顏料體積濃度（ pvc&cpvc ）在配方設(shè)計(jì)中的應(yīng)用     顏、填料和成膜物質(zhì)比例的確定這一步驟相當(dāng)重要，在涂料的使用性能

10、確定后，其中樹脂、填料的品種也基本確定，此時(shí)顏、填料和成膜物質(zhì)比例會大大影響到涂料性能。通過使用顏料及臨界顏料體積濃度（ pvc&cpvc ）的概念擬訂配方會更準(zhǔn)確、簡便，所設(shè)計(jì)出來的配方與涂料的期望性能很接近，因而會大大減少實(shí)驗(yàn)量。    2.1 顏料體積濃度（ pvc ）概念     顏料體積濃度（ pvc ）是指涂料中顏料和填料的體積與配方中所有非揮發(fā)分（包括樹脂、乳液的固體組分和顏料、填料等）的總體積之比 , 可用如下公式計(jì)算：式中， m i ：顏填料質(zhì)量； m j ：漆基（樹脂）質(zhì)量； r i ：顏填料密度； r j ：漆基（

11、樹脂）密度 。 i=1 n, 表示不同顏填料的品種； j=1 m, 表示不同漆基的品種。 其中：漆基（樹脂）質(zhì)量和密度均指的是固體樹脂的數(shù)值（若是乳液，其密度是指干漆膜密度，此時(shí)漆基體積 = 乳液質(zhì)量×固含量 / 乳液干膜密度）。得到 pvc 值后，在 0 100% 變化，值的大小可以影響到涂膜的性能。從 0 到 100% 時(shí)，涂膜從一個(gè)極端狀態(tài)到另一個(gè)極端狀態(tài)（從完全漆基到完全顏、填料），在此過程中，涂膜性能一般如下變化： 耐磨性、耐濕性、防腐蝕性、光澤度從高到低； 抗起泡性、滲透性、粘稠性、對比率從低到高。     2.2 臨界顏料體積濃度（ 單純的

12、 pvc 值對涂料的影響并不直觀，因此又引入了臨界顏料體積濃度（ cpvc ）的概念，它指的是在 pvc 值增加過程中，當(dāng)漆基樹脂恰好能潤濕所有顏料粒子時(shí)的 pvc 值，所代表的漆基樹脂是指臨界狀態(tài)下的樹脂含量。通過 pvc 和 cpvc 的比值能更直觀地推算出涂料的性能。臨界顏料體積濃度（ cpvc ）可以使用如下公式計(jì)算：                        式中

13、， m i ：顏填料質(zhì)量； n i ：顏填料吸油量克數(shù)，以 100g 顏填料所需亞麻仁油的克數(shù)來表示； r i ：顏填料密度； 0.93 ：亞麻仁油的密度。     一般對于高性能外用色漆配方， p v c cpvc ，即 =pvc/cpvc 1 ，此時(shí)涂膜中漆基過量，處于低 pvc 狀態(tài)，漆基能完全潤濕顏填料。     內(nèi)用涂料或底漆， pvc cpvc ，即 =pvc/cpvc 1 ，此時(shí)漆基量太少，不足以潤濕顏料，處于高 pvc 狀態(tài)。     p v c = c p v c ，即 = p v c

14、/ c p v c = 1 時(shí)，密度、拉伸強(qiáng)度、附著力達(dá)到最高點(diǎn)，遮蓋力效率和掠角光澤（ 85 °）達(dá)到最低點(diǎn)。     涂料品種和 pvc/cpvc 的一般對應(yīng)關(guān)系如圖 1涂料品種和 pvc/cpvc 的一般對應(yīng)關(guān)系如圖 1 所示。  3 具體應(yīng)用     在 excel pvc 工作簿中建立數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫源文件，即工作表 sheet1 、 sheet2 。     3.1 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)    位于 pvc 工作簿中工作表 sheet1 ，以某一配方含有 7

15、 種顏、填料及 6 種成膜物為例，建立如下頁所示工作區(qū)： 工作區(qū) (1) 公式輸入：分別從“一”到“十八”處輸入如下公式： 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="

16、;"),"",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="","",vl

17、ookup(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)

18、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) 公式復(fù)制：     從一、二、三、四、五、六、十、十一、十二處輸入公式后，單擊該單元格，用 excel 拖拽復(fù)制法

19、分別拖拽復(fù)制至 e7 、 f7 、 g7 、 h7 、 i14 、 j14 、 d14 、 e14 、 g14 （其中 i8 、 j8 處的公式應(yīng)刪除）即可完成公式復(fù)制。     公式輸入及復(fù)制完成后，僅在 a 、 b 兩欄人工輸入原材料編碼與配方量，則其他輸入公式處自動(dòng)顯示數(shù)值，不需要顯示的列，可將其隱藏。同時(shí)可根據(jù)顯示出的 pvc 和 cpvc 值及比值，用試差法調(diào)整配方量，獲得理想的配方。 3.2 源文件     文件位于 pvc 工作簿中工作表 sheet2 ，建立如下工作區(qū)： 工作區(qū)  

20、0;  據(jù)庫系統(tǒng)，即輸入樹脂、填料、顏料的性能指標(biāo)（如樹脂是乳液，則須輸入其干膜密度）。      3.3 應(yīng)用     (1) 首先根據(jù)產(chǎn)品用途確定樹脂種類及顏、填料類型（此時(shí)各種原材料的性能數(shù)據(jù)已輸入到數(shù)據(jù)庫中）。      (2) 把原材料編碼、假定的添加量輸入數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，即會得到 p v c 、 c p v c 、 p v c / c p v c 的值。     (3) 通過調(diào)整樹脂及顏、填料的加入量可以得到合適的 p v c /cp

21、vc 的值及產(chǎn)品的大約成本。     4 結(jié) 語     本系統(tǒng)的應(yīng)用，主要是以方便快捷為目的，特別適用于配方調(diào)整及新配方設(shè)計(jì)，在擬定實(shí)驗(yàn)計(jì)劃時(shí)，通過首先計(jì)算 pvc/cpvc 的值來推測實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以大大降低實(shí)驗(yàn)量，可以用于水性及溶劑型配方體系。     用于光澤涂料的配方設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù) pvc/cpvc 的值準(zhǔn)確地判斷出光澤的數(shù)值；用于平光涂料配方的設(shè)計(jì)時(shí)，可以根據(jù) pvc/cpvc 的值較準(zhǔn)確地判斷出耐擦洗性的數(shù)值；用于特種涂料，比如導(dǎo)靜電涂料，由于其導(dǎo)電率可以準(zhǔn)涂料附著力基本原理分析 一

22、、附著力理論和機(jī)理當(dāng)兩物體被放在一起達(dá)到緊密的界面分子接觸,以至生成新的界面層,就生成了附著力。附著力是一種復(fù)雜的現(xiàn)象,涉及到“界面”的物理效應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)。因?yàn)橥ǔＣ恳豢捎^察到的表面都與好幾層物理或化學(xué)吸附的分子有關(guān),真實(shí)的界面數(shù)目并不確切知道,問題是在兩表面的何處劃界及附著真正發(fā)生在哪里。當(dāng)涂料施工于底材上,并在干燥和固化的過程中附著力就生成了。這些力的大小取決于表面和粘結(jié)料(樹脂、聚合物、基料)的性質(zhì)。廣義上這些力可分為二類:主價(jià)力和次價(jià)力(表1)。化學(xué)鍵即為主價(jià)力,具有比次價(jià)力高得多的附著力,次價(jià)力基于以氫鍵為代表的弱得多的物理作用力。這些作用力在具有極性基團(tuán)(如羧基)的底材上更常見,而

23、在非極性表面如聚乙烯上則較少。表1:鍵的強(qiáng)度和鍵能強(qiáng)度/類型/能量(千卡/摩爾)/實(shí)例共價(jià)鍵主價(jià)力 15170絕大多數(shù)有機(jī)物 氫鍵 次價(jià)力 <12水 色散力 次價(jià)力 <10絕大多數(shù)分子 偶極力 次價(jià)力 <5極性有機(jī)物 誘導(dǎo)力 次價(jià)力 <0.5非極性有機(jī)物 涂料附著的確切機(jī)理人們尚未完全了解。不過,使兩個(gè)物體連接到一起的力可能由于底材和涂料通過涂料擴(kuò)散生成機(jī)械連接、靜電吸引或化學(xué)鍵合。根據(jù)底材表面和所用涂料的物理化學(xué)性質(zhì)的不同,附著可

24、采取上述機(jī)理的一種或幾種。一些提出的理論討論如下。1.機(jī)械連接理論這種涂層作用機(jī)制適用于當(dāng)涂料施工于含有孔、洞、裂隙或空穴的底材上時(shí),涂料能夠滲透進(jìn)去。在這種情況下,涂料的作用很象木材拼合時(shí)的釘子,起機(jī)械鉚定作用。當(dāng)?shù)撞挠邪疾鄄⑻顫M固化的涂料時(shí),由于機(jī)械作用,去掉涂層更加困難,這與把兩塊榫結(jié)的木塊拼在一起類似。對各種表面的儀器分析和繪圖(外形圖)表明,涂料確實(shí)可滲透到復(fù)雜“隧道”形狀的凹槽或裂紋中,在固化硬化時(shí),可提供機(jī)械附著。各種涂料對老的或已風(fēng)化的涂層的附著,以及對噴砂底材的附著就屬于這種機(jī)理。磷酸鋅或鐵與涂料具有較大的接觸面積,因而能提高附著和耐蝕性。圖2展示了假定的底材表面 形狀和涂料的滲透。表面的粗糙程度影響涂料和底材的界面面積。因?yàn)槿コ繉铀璧牧εc幾