第11章 涂裝技術

第11章涂裝技術教材：

《材料表面工程技術》李慕勤化學工業(yè)出版社11.1涂料與涂裝涂料：油漆涂裝：涂料的施工涂料油漆桐油大漆蟲膠漆硝基漆大漆亞麻仁油蘇籽油桐油合成樹脂的出現(xiàn)有機涂料

11.1.1涂料的組成涂料是一種有機混合物，對基體進行保護、裝飾以及防腐、絕緣等。其物質(zhì)組成一般分為成膜物質(zhì)、顏料、溶劑、助劑四個部分。涂料成膜物質(zhì)顏料（著色顏料、防銹顏料等）溶劑（有機物或水）助劑（固化劑、催干劑等）天然樹脂天然油脂合成樹脂11.1涂料與涂裝1、成膜物質(zhì)是構(gòu)成涂料的基礎，能夠粘結(jié)涂料中的其它組分，在基體上形成牢固連續(xù)附著的涂膜，決定著涂料的基本性能。在儲存期間相當穩(wěn)定，涂敷工件表面后在一定條件下固化成膜。包括油脂、油脂加工產(chǎn)品、纖維素衍生物、天然樹脂和合成樹脂11.1.1涂料的組成2、顏料是不溶于溶劑的微細粉狀有色物質(zhì)，通常為極小的結(jié)晶，能夠均勻分散在介質(zhì)中?？梢哉谏w和賦予涂層一定的色彩?？筛纳仆磕さ牧W性能、耐久性及流變性，增強涂膜的保護、裝飾和防銹作用，同時可以降低涂料的成本。主要用于產(chǎn)生所需的色彩和遮蓋力，增強涂膜的耐久性和耐磨性分類著色顏料，常見的鈦白粉，鉻黃等體質(zhì)顏料，也就是常說的填料，如碳酸鈣，滑石粉11.1.1涂料的組成3、溶劑有機溶劑或水等分散介質(zhì)，用來分散或溶解成膜物質(zhì)，調(diào)節(jié)涂料的粘度和流變性能。施工后能夠從涂膜中揮發(fā)，使涂料形成固態(tài)涂膜。包括烴類溶劑（礦物油精、煤油、汽油、苯、甲苯、二甲苯等）、醇類、醚類、酮類、酯類物質(zhì)應用中，一般要根據(jù)成膜物質(zhì)的特性、粘度和干燥實際選擇適當?shù)娜軇?。溶劑的揮發(fā)速度必須要適中，和涂膜的形成速度相適應。不能太快也不能太慢。如，油脂漆，天然樹脂漆可用200號溶劑汽油或松節(jié)油所謂溶劑，氨基醇酸烘漆則須用二甲苯為溶劑，并需要按照產(chǎn)品說明書調(diào)節(jié)涂料。11.1.1涂料的組成4、助劑指潤濕劑、催干劑、整流劑、防結(jié)皮劑、固化劑、增塑劑等提高涂料產(chǎn)品和涂膜的性能是組成涂料的輔助成份。助劑加入量一般不超過5％，也不能單獨成膜。但對涂料的儲存性。施工性及涂膜的物理和化學性質(zhì)卻有著重要的影響。11.1.1涂料的組成1、根據(jù)成膜干燥機理分類：溶劑揮發(fā)類涂料在成膜過程中不發(fā)生化學反應，只是溶劑揮發(fā)使涂料干燥成膜。這類涂料一般為自然干燥型涂料，容易重新涂裝。固化干燥類其成膜物質(zhì)一般是相對分子質(zhì)量較低的線性聚合物，可溶解于特定的溶劑中，經(jīng)涂裝、溶劑揮發(fā)后，就可通過化學反應交聯(lián)固化成膜。由于以及轉(zhuǎn)化為體性網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，以后不再溶解于溶劑中。11.1.2涂料的分類固化干燥類，還可細分為：氣干型涂料它與空氣中的氧或潮氣反應而交聯(lián)固化成膜。這類涂料可在常溫下干燥成膜。若要保持儲存穩(wěn)定性，必須緊閉儲存罐，隔絕空氣。烘烤型涂料由兩種或兩種以上成膜物質(zhì)相互其化學反應而交聯(lián)固化成膜。如氨基醇酸油漆，主要成膜物質(zhì)是氨基甲酸脂和氨基樹脂，這兩個組分在常溫下不會發(fā)生明顯的化學反應，而晶硅涂敷后加熱到一定溫度才能固化成膜。兩罐裝涂料兩種成膜物質(zhì)互起化學反應而交聯(lián)固化成膜兩組分在使用前應分罐包裝。11.1.2涂料的分類輻射固化涂料通過輻射能引起漆膜內(nèi)的含乙烯基成膜物質(zhì)和活性溶劑進行自由基或陽離子聚合，從而固化成膜。電子束能量高，用150～300KeV的加速電壓已足夠產(chǎn)生自由基紫外線能量約為電子束的1/10000，不足以產(chǎn)生自由基，因此在（紫外）固化涂料中必須加入光敏劑，然后在紫外線能量的輻照下可用離解而形成自由基或路易斯酸，從而發(fā)生自由基或陽離子聚合而固化成膜。11.1.2涂料的分類2、以主要成膜物質(zhì)為基礎分類：按照國家規(guī)定，目前我國涂料產(chǎn)品以涂料中主要物質(zhì)為基礎來分類的。如果主要成膜物質(zhì)是由兩種以上的樹脂混合組成的，則按成膜物質(zhì)中其決定作用的作為分類的依據(jù)。11.1.2涂料的分類1、酚醛樹脂涂料：改性酚醛樹脂涂料：以松香改性樹脂涂料為主，特點是干的快、耐水、耐久，價格低廉，廣泛用于建筑和家用涂料。純酚醛樹脂涂料：由純酚醛樹脂和植物油熬制而成，涂層的耐水性、耐化學腐蝕性、耐候性、絕緣性能都非常優(yōu)異、多用于船舶、機電產(chǎn)品等。11.1.3常用涂料的性能11.1.3常用涂料的性能2、醇酸樹脂涂料：有多元醇、多元酸和脂肪酸經(jīng)縮聚而得到的一種特殊的聚酯樹脂。此涂料成膜后具有良好的柔韌性、高的附著力和強度、顏料與填料能均勻分散、顏色均勻、遮蓋力好等優(yōu)點缺點是耐水性差這類涂料的產(chǎn)量在我國涂料中居首位，使用面極廣。3、氨基樹脂涂料：氨基醇酸烘漆：目前最廣泛的工業(yè)用漆。其成膜溫度低，時間短，具有良好的耐化學藥品性，不易燃燒，絕緣好。酸固化型氨基樹脂涂料：常溫下能固化成膜，光澤好，外觀豐滿，但是耐溫度和耐水性較差，主要用于木材、家具的涂裝。氨基樹脂改性的硝化纖維素涂料：氨基樹脂增強了硝基透明涂料的耐候、保光等性能，提高了固體組分含量。水溶性氨基樹脂涂料：其物化性能（物理化學性能）優(yōu)于溶劑型氨基醇酸樹脂，但耐候性不及溶劑型的好。11.1.3常用涂料的性能4、丙烯酸樹脂涂料：是由丙烯酸或其它脂類或（和）甲基丙烯酸單體經(jīng)加聚反應而成，有時還用其它乙烯系單體共聚而成這類涂料可分為熱塑性和熱固性兩類共同點是：涂膜高光澤，耐紫外線照射，長期保持色澤和光亮，耐化學藥品和耐污性比較好廣泛，主要用于轎車、冰箱、儀器儀表等。11.1.3常用涂料的性能11.1.3常用涂料的性能5、聚氨基甲酸酯涂料這類涂料成膜后堅固耐磨，附著力好，防腐性能特別好它廣泛用于化工、石油、航空、機車、木器和建筑等，兼做防護和裝飾之用。涂料成膜機理：涂料首先是一層流動的液體，在基材表面涂布完之后形成一層堅韌的薄膜，這個過程是玻璃化溫度不斷提高的過程。不同形態(tài)和組成的涂料有不同的成膜機理，這由涂料中成膜物質(zhì)性質(zhì)決定。根據(jù)涂料成膜物質(zhì)的性質(zhì)，涂料成膜方式可以分為兩大類：有非轉(zhuǎn)化型成膜物質(zhì)組成的涂料以物理方式成膜；有轉(zhuǎn)化型成膜物質(zhì)組成的涂料以化學方式成膜11.1.3涂膜成膜機理1、物理方式成膜依靠涂料內(nèi)的溶劑或分散劑的直接揮發(fā)或聚合物粒子凝聚得到的涂膜的過程，稱為物理成膜方式。溶劑揮發(fā)成膜方式：溶劑揮發(fā)后，涂膜粘度增大到一定程度形成固態(tài)涂膜的過程。溶劑的選擇很重要。假如溶劑揮發(fā)太快，濃度升高很快，表面涂料因粘度過高而失去流動性，是涂膜不平整；另外，溶劑蒸發(fā)時散熱很快，表面可能降至霧點，使水凝結(jié)在涂膜中，此時涂膜失去透明性而發(fā)白或者涂膜的強度降低。聚合物凝聚成膜方式：指依靠涂料中成膜物質(zhì)的高聚物粒子在一定條件下相互凝聚稱為連續(xù)的固態(tài)涂膜的過程。如水乳膠涂料、非水分散型涂料和有機溶膠等。這是分散型涂料的主要成膜方式。在分散介質(zhì)的同時，高聚物粒子接近、接觸、擠壓變形而聚集起來，最后由粒子狀態(tài)聚變?yōu)榉肿訝顟B(tài)聚集而形成連續(xù)的涂膜。粉末涂料是用靜電或熱的方法將其附在基材表面，在受熱條件下高聚物熱熔、凝聚成膜，在此過程中還常伴隨高聚物的交聯(lián)反應。11.1.3涂膜成膜機理2、化學方式成膜化學成膜是指在加熱或其它條件下，是涂敷在基材表面的低分子量成膜物質(zhì)發(fā)生交聯(lián)反應，生成高聚物，獲得堅韌涂膜的過程。根據(jù)不同的過程將化學成膜機理分成兩類：漆膜的直接氧化聚合，涂料在空氣中的氧化交聯(lián)或與水蒸氣反應；涂料組分之間之間發(fā)生化學反應的交聯(lián)固化。11.1.3涂膜成膜機理氧化聚合型：一般指油脂或油脂改性涂料。油脂組分大多為干性油，即混合的不飽和脂肪酸的甘油酯。天然油脂、以及含該成份的涂料與空氣中的氧發(fā)生反應，產(chǎn)生游離基并引發(fā)聚合，最終形成網(wǎng)狀高分子結(jié)構(gòu)。異氰酸酯能夠與空氣中的水分發(fā)生聚合反應。聚合反應完成后，涂膜不溶于原來的溶劑，甚至一些涂膜不溶于任何溶劑。分子量大的涂膜干的快，空氣必須透入到整個涂膜中才能充分固化。在整個使用過程中，涂膜與空氣反應仍慢慢進行，因此在室溫下該反應是比較緩慢的。油脂的氧化速度與所含的亞甲基集團數(shù)量、位置、和氧的傳遞速度有關。利用鈷、錳、鉛等金屬可促進氧的傳遞，加速含有干性油組分涂料的成膜。11.1.3涂膜成膜機理交聯(lián)固化型反應發(fā)生的基本條件是涂料中所用樹脂要有能反應的官能團，而固化劑要有活性元素或活性基團，把一般為線性結(jié)構(gòu)的樹脂交聯(lián)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)涂膜而完成固化反應。影響因素主要是溫度、催化劑及引發(fā)劑等。環(huán)氧樹脂漆是典型的以固化劑固化成膜的涂料，氨基樹脂可以作為熱固化漆的典型例子。11.1.3涂膜成膜機理涂料防護機理：1、屏蔽機理金屬表面涂覆涂料之后，使金屬表面與外界環(huán)境隔離，這種對金屬的保護作用稱為屏蔽作用。實際上由于高聚物都具有一定的透氣性，結(jié)構(gòu)氣孔的平均直徑都在10-4~10-6mm，而水和氧氣分子直徑都在10-5~10-11mm，當涂層較薄時很容易通過，這種涂層并不能起到保護金屬的作用。涂層的屏蔽作用與成膜物質(zhì)性質(zhì)、溶劑用量與揮發(fā)性能、填料種類、涂裝工藝及膜厚等因素有關。為提高涂膜的屏蔽作用，應選擇透氣性小的成膜物質(zhì)和屏蔽性大的固體填料，以及通過增加涂料層數(shù)等手段是涂膜致密無孔。11.1.4涂膜防護機理涂料防護機理：2、防腐機理利用涂料中防腐性的顏料和金屬反應，使金屬表面鈍化或生成保護性物質(zhì)，從而提高涂膜的保護作用。一些油料在金屬皂的作用下生成降解產(chǎn)物，也能起到金屬緩蝕劑的作用。具有防腐性的顏料包括堿性顏料、可溶性顏料和金屬粉末顏料。堿性顏料包括紅丹、一氧化二鉛等鉛化合物以及一些不含鉛的顏料。當水和酸性物質(zhì)通過涂膜滲透時，堿性顏料會跟這些物質(zhì)發(fā)生中和，使金屬和涂膜的界面保持微堿性，從而發(fā)揮防腐作用?？扇苄灶伭弦糟t酸鋅等鉻酸鹽應用最多。由于可溶性鉻酸根離子具有強氧化作用，可以使金屬表面鈍化，起到防腐作用。金屬粉末顏料主要是鋅粉。11.1.4涂膜防護機理涂料防護機理：3、滲透機理電解質(zhì)對涂膜的滲透機理認為有兩種：一是電解質(zhì)通過涂膜的毛細血管結(jié)構(gòu)進入二是電解質(zhì)通過涂膜本身內(nèi)部擴散滲透。（更為人們接受）水分子首先由外部滲入，聚集于羧基等親水基團存在的地方；離子由外部向水分子擴散，然后發(fā)生離子交換；離子從水滴轉(zhuǎn)移到另一個水滴，在涂膜內(nèi)擴散。擴散過程中離子穿透聚合物外壁使離子擴散的控制步驟。為提高涂膜性能，需要增大顏料濃度，滲透性將逐漸減少。然而，當顏料濃度超過臨界顏料體積濃度時，涂膜的透氣性卻急劇增加。11.1.4涂膜防護機理涂料防護機理：4、涂膜的綜合防蝕作用防蝕機理大概有二：其一是防止涂膜外的腐蝕介質(zhì)穿透涂膜腐蝕材料；二是防銹顏料起到對腐蝕的抑制作用。實踐中二者相輔相成，但會有不同側(cè)重。11.1.4涂膜防護機理使涂料在被涂表面形成涂膜的全部工藝過程稱為涂裝工藝。一般步驟為：涂前表面預處理

涂布

干燥固化11.2涂裝工藝1、涂前表面預處理清除表面各種污垢對清洗過的工件進行各種化學處理，以提高涂層的附著力和耐蝕性。若前道切削加工未能消除工件表面的加工缺陷和得到合適的表面粗糙度，則在涂前要用機械方法進行處理。11.2涂裝工藝其設備有間歇步進式和連續(xù)通過式，或分為噴射式、噴浸結(jié)合式。連續(xù)通過噴淋式前處理設備連續(xù)通過式噴浸結(jié)合前處理設備外部

連續(xù)通過式噴浸結(jié)合前處理設備內(nèi)部汽車零部件噴淋式前處理線2、涂布手工涂布法靜電涂布法：以接地工件為陽極，涂料霧化器或電柵為陰極，兩極接高壓而形成高壓靜電場，在陰極產(chǎn)生電暈放電，使噴出的漆滴帶電而進一步霧化，帶電漆滴受靜電場作用沿電力線方向被高效的吸附在工件上。電泳涂布法：將工件浸漬在水溶性涂料中作為陽極（或陰極），另設一與其對應的為陰極（陽極），直接通直流電，通過電流產(chǎn)生的物理化學作用，使涂料涂覆在工件表面。11.2涂裝工藝3、干燥固化

涂料主要依靠溶劑揮發(fā)及熔融、縮合、聚合等物理或化學作用而成膜。大致非常以下三種成膜類型：非轉(zhuǎn)化型：溶劑揮發(fā)類和熔融冷卻類轉(zhuǎn)化型：主要有縮合反應類、氧化聚合反應類。聚合反應類、電子束聚合類和光聚合類混合型：成膜過程兼有物理和化學作用。11.2涂裝工藝11.2.2涂裝方法（1）一般涂裝方法刷涂法浸涂法淋涂法空氣噴涂法高壓無氣噴涂（2）靜電噴涂-粉末涂裝靜電噴涂是利用高壓靜電電場使帶負電的涂料微粒沿著電場相反的方向定向運動，并將涂料微粒吸附在工件表面的一種噴涂方法。靜電噴涂工作原理工作時靜電噴涂的噴槍或噴盤、噴杯，涂料微粒部分接負極，工件接正極并接地，在高壓電源的高電壓作用下，噴槍（或噴盤、噴杯）的端部與工件之間就形成一個靜電場。涂料微粒所受到的電場力與靜電場的電壓和涂料微粒的帶電量成正比，而與噴槍和工件間的距離成反比，當電壓足夠高時，噴槍端部附近區(qū)域形成空氣電離區(qū)，空氣激烈地離子化和發(fā)熱，使噴槍端部銳邊或極針周圍形成一個暗紅色的暈圈，即空氣產(chǎn)生強烈的電暈放電。

涂料經(jīng)噴嘴霧化后噴出，被霧化的涂料微粒通過槍口的極針或噴盤、噴杯的邊緣時因接觸而帶電，當經(jīng)過電暈放電所產(chǎn)生的氣體電離區(qū)時，將再一次增加其表面電荷密度。這些帶負電荷的涂料微粒的靜電場作用下，向?qū)O性的工件表面運動，并被沉積在工件表面上形成均勻的涂膜。

粉末涂裝是近幾十年迅速發(fā)展起來的一種新型涂裝工藝，所使用的原料是塑料粉末。早在四十年代有些國家便開始研究實驗，但進展緩慢。1954年德國的詹姆將聚乙烯用流化床法涂覆成功，1962年法國的塞姆斯公司發(fā)明粉靜電噴涂后，粉末涂裝才開始在生產(chǎn)上正式采用，近幾年來由于各國對環(huán)境保護的重視，對水和大氣沒有污染的粉末涂料，得到了迅猛發(fā)展。

粉末涂裝突出優(yōu)點及應用1、一次涂裝可以得到較厚的涂層，例如涂覆100～300μm的涂層，用一般普通的溶劑涂料，約需涂覆4～6次，而用粉末涂料則一次就可以達到該厚度。涂層的耐腐性能很好。2、粉末涂料不含溶劑，無三廢公害，改善了勞動衛(wèi)生條件。3、采用粉末靜電噴涂等新工藝，效率高，適用于自動流水線涂裝，粉末利用率高，可回收使用。4、除熱固性的環(huán)氧、聚酯、丙烯酸外，尚有大量的熱塑性耐脂可作為粉末涂料，如聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、氟化聚醚、尼龍、聚碳酸脂以及各類含氟樹脂等。粉末涂料開始用于防護和電氣緣方面，隨著科技的發(fā)展，已廣泛使用于汽車工業(yè)、電氣絕緣、耐腐蝕化學泵、閥門、汽缸、管道、屋外鋼制構(gòu)件、鋼制家具、鑄件等表面的涂裝。

粉末涂裝工藝方法目前最普遍使用的是靜電粉末噴涂法，其次是流化床浸涂法，還有空氣噴涂法、真空吸引法、火焰噴涂法等靜電粉末噴涂法是粉末涂裝中目前發(fā)展最快的一種重要施工工藝。粉末靜電噴涂設備主要包括：噴粉室、高壓靜電發(fā)生器、靜電噴涂槍、供粉器、粉末回收裝置、工件旋轉(zhuǎn)機構(gòu)等。靜電噴涂法1）基本原理在噴槍與工件之間形成一個高壓電暈放電電場，當粉末粒子由噴槍口噴出經(jīng)過放電區(qū)時，便補集了大量的電子，成為帶負電的微粒，在靜電吸引的作用下，被吸附到帶正電荷的工件上去。當粉末附著到一定厚度時，則會發(fā)生“同性相斥”的作用，不能再吸附粉末，從而使各部分的粉層厚度均勻，然后經(jīng)加溫烘烤固化后粉層流平成為均勻的膜層。2）粉末靜電噴涂工藝流程典型的粉末靜電噴涂工藝流程如下：上件→脫脂→清洗→去銹→清洗→磷化→清洗→鈍化→粉末靜電噴涂→固化→冷卻→下件3）影響粉末靜電噴涂質(zhì)量的主要因素除了工件表面前處理質(zhì)量的好壞以外，還有噴涂時間、噴槍的形式、噴涂電壓、噴粉量、粉末導電率、粉末粒度、粉末粒度、粉末和空氣混合物的速度梯度等。流化床浸涂法流化床是由多孔隔板和容器組成，多孔隔板將容器分為上下兩個部分。其工作過程：向隔板以下的容器部分通入壓縮空氣，壓縮空氣通過多孔隔板使上面粉末未受空氣流的作用懸浮起來，并在上部容器內(nèi)滾翻，呈現(xiàn)“沸騰”狀態(tài)。經(jīng)預熱的工件通過“沸騰”的粉末區(qū)達到涂覆的效果。工件的預熱溫度可稍高于粉末的熔融溫度。要使涂層獲得較好的效果，應注意以下幾個方面：1）流化床的結(jié)構(gòu)形式要求簡單，內(nèi)部光滑避免死角，最好設有震動裝置。2）流化床中的多孔隔板，應有一定的孔徑和空密度分布。3）粉末粒子的大小以50~150目為好，形狀接近球形較為理想。4）粉末涂料的含水量要盡量低，以避免流化不良和涂層氣泡。5）壓縮空氣的流速和流量必須調(diào)整至粉末涂料穩(wěn)定地流化，不致溢出，同時壓縮空氣應凈化、干燥。（3）電泳涂裝電泳涂裝(electro-coating)是利用外加電場使懸浮于電泳液中的顏料和樹脂等微粒定向遷移并沉積于電極之一的基底表面的涂裝方法。電泳涂裝按沉積性能可分為陽極電泳（工件是陽極，涂料是陰離子型）和陰極電泳（工件是陰極，涂料是陽離子型）；按電源可分為直流電泳和交流電泳；

電泳涂裝是近30年來發(fā)展起來的一種特殊涂膜形成方法，是對水性涂料最具有實際意義的施工工藝。具有水溶性、無毒、易于自動化控制等特點，迅速在汽車、建材、五金、家電等行業(yè)得到廣泛的應用。

電泳涂裝基本原理陰極電泳涂料所含的樹脂帶有堿性基團，經(jīng)酸中和后成鹽而溶于水。通直流電后，酸根負離子向陽極移動，樹脂離子及其包裹的顏料粒子帶正電荷向陰極移動，并沉積在陰極上，這就是電泳涂裝的基本原理（俗稱鍍漆）。電泳涂裝是一個很復雜的電化學反應，一般認為至少有電解、電泳、電沉積、電滲這四種作用同時發(fā)生。

電泳四個過程：1）電解（分解）導電液體在通電時產(chǎn)生分解的現(xiàn)象，如水的電解能分解成H2和O2。

2）電泳在導電介質(zhì)中，帶電荷的膠體粒子在電場的作用下向相反電極移動的現(xiàn)象，如陰極電泳中帶正電荷的膠體粒子夾帶和