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《涂料技术》PPT电子课件,涂料技术,涂料,技术,PPT,电子,课件 第四章 涂料配方基本原理2 第四章 涂料配方基本原理 4.1 涂料的基本组成 4.2 涂料配方的基本原理3 4.1 涂料的基本组成44.1 涂料的基本组成 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、漆料和漆基。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、填料和功能性材料添加剂。辅助成膜物质包括溶剂、稀释剂和助剂。54.1 涂料的基本组成几个名词：清漆：涂料中不含颜料和体质颜料的透明体。色漆：涂料中含颜料和体质颜料的不透明体，又称为磁漆、调和漆和底漆。腻子：加有大量体质颜料的稠厚浆状体。无溶剂漆：不含挥发性稀释剂的涂料。粉末涂料：呈粉末状的涂料。溶剂型漆：以一般有机溶剂作稀释剂的涂料。水性漆：水作稀释剂的涂料(包括乳胶漆)。64.1.1 颜料和体质颜料 作用：着色、遮盖、增加漆膜耐久性和力学强度，降涂料成本。影响因素：颜料的分子结构、粒径、结晶形态。存在状态：在涂料中保持悬浮状或沉降后容被分散的状态（利用研磨或高速分散方法）。一、着色颜料 主要是无机化合物，有机颜料主要作着色助剂。74.1.1 颜料和体质颜料1、白色颜料（1）钛白粉，即二氧化钛；无毒，白度高，遮盖力强；金红石型晶型，较高的稳定性和耐久性，户外涂料；锐钛型晶型，光照易粉化，室内涂料。（2）锌钡白（BaSO4 ZnS），俗称立德粉；耐碱，遮盖力强；遇酸分解，遇光易变暗；用于制备耐碱涂料。82、黄色颜料 铬酸铅（PbCrO4），俗称铅铬黄；着色力高，色坚牢度好，有毒；用于装饰性和工业涂料的二道漆和面漆。3、绿色颜料 氧化铬（Cr2O3），俗称铬绿；耐酸碱，遮盖力低；用于防腐涂料。94、蓝色颜料 铁氰化铁钾，KFeFe(CN)6，俗称铁蓝；着色力高，色坚牢度好，耐酸碱，遮盖力差。5、红色颜料 氧化铁红（Fe2O3）；也称铁红。着色力高，耐碱，耐有机酸，耐光性好。6、黑色颜料 碳黑：主要成分是碳，由碳氢化合物经高度炭化而制成。是最细、着色力与遮盖力最好的颜料。吸油量大，色纯，遮盖力强，耐酸碱，耐光。107、有机颜料 与无机颜料相比：颜色齐全，色泽鲜艳，着色力强，遮盖力差。二、防腐颜料1、无机盐类（有毒性）含铅、铬的盐类，如碱式硅铬酸铅（PbO CrO3 SiO2），碱式硫酸铅（2PbSO4 PbO）等。防腐机理：与水作用产生阴离子，钝化金属表面。2、金属类 铅、锌等；防腐机理：通过这些金属的先蚀性阳极作用。11三、体质颜料1、品种 重晶石（硫酸钡），瓷土或高岭土（Al2O3 2SiO2 H2O），云母（K2O 2Al2O3 6SiO2 2H2O），滑石粉（3MgO 4SiO2 H2O），碳酸钙等。2、性质 不溶于溶剂和基体树脂，遮盖力和着色力很弱，但能提高漆膜的厚度，改进液体涂料的流动性以及漆膜的机械性、渗透性、光泽性和流平性。3、作用 提高漆膜厚度；改善涂料流平性；增强漆膜力学性能。124.1.2 溶剂 涂料用溶剂主要有各种醇类、酮类、酯类，以及脂肪烃类、芳香烃类等有机溶剂。作用：溶解涂料树脂；帮助成膜物质流平；调节干燥时间和固化反应，获得满足 要求的漆膜。13一、溶剂对涂料树脂的溶解性溶解度参数相近原则：根据希尔德布兰德（Hildebrand）理论，非极性高分子树脂和非极性溶剂的混合热正比于它们的溶解度参数差的平方：14讨论：1.1.如两种物质的溶解度参数分别为如两种物质的溶解度参数分别为1 1和和2 2，当，当1 1=2 2时，时，H=0H=0，表明两者混合时并，表明两者混合时并不吸收热量，相不吸收热量，相容性很好容性很好；2.2.当当1 1-2 2值很大时，值很大时，H H必然很大，必然很大，若令二者相容，就要吸收很大热量，只有温度若令二者相容，就要吸收很大热量，只有温度T T在很高时才有可能；在很高时才有可能；3.3.按照经验，当高聚物和溶剂的溶解度参数按照经验，当高聚物和溶剂的溶解度参数相差小于相差小于 0 0 1.8 1.8 时，估计可以溶解。时，估计可以溶解。15二、溶剂的相对蒸发速率（挥发性）E E 为试验溶剂的相对蒸发速率；为试验溶剂的相对蒸发速率；t90 t90 为规定条件下，溶剂蒸发为规定条件下，溶剂蒸发 9090 所需要的时间。所需要的时间。规定：醋酸正丁酯的相对蒸发速率为规定：醋酸正丁酯的相对蒸发速率为 1 1。三、混合溶剂的蒸发速率（ET）C 为浓度，为浓度，为活度系数为活度系数结论：1、蒸发过程中，混合溶剂组成是变化的；2、蒸发过程中，蒸发速率大的溶剂蒸发较快；3、混合溶剂的蒸发速率大于各纯溶剂的蒸发速率；16常见溶剂1、烃类溶剂 200 号溶剂汽油（低级烷烃混合物）、苯、甲苯、二甲苯、三甲苯、卤代芳烃等。芳烃溶剂溶解性比脂肪烃大。苯的闪点低，挥发快，安全性差，使用较少。甲苯和二甲苯广泛用作合成树脂漆的稀释剂，甲苯的溶解力、挥发性及毒性均大于二甲苯。在挥发性涂料中，要求有较快的挥发性和较好的溶解力，甲苯用量较多；在热喷涂用热塑性漆和烘漆中，多选用挥发速度适中的二甲苯。17常见溶剂2、醇类和醚类溶剂 乙醇、丙醇、正丁醇、乙二醇一乙醚等。乙醇多用作乙基纤维素、聚乙烯醇缩丁醛及醇溶性酚醛树脂的溶剂。丁醇挥发性较慢，溶解力不如乙醇，是氨基树脂的良溶剂。醇类溶剂对含有亲核基团的树脂有溶剂化作用，即氢键作用。它们对大多数合成树脂没有单独溶解性，但具有潜在溶解力，称为助溶剂。3、酯类和酮类溶剂（强溶剂）丙酮、甲乙酮、乙酸乙酯、乙酸丁酯、DBE、碳酸酯、草酸酯等。18 DBE：高沸点溶剂混合二元酸酯（杜邦称DBE），也称二价酸酯。是一种低毒、低味、能生物降解的环保型高沸点溶剂，是涂料万能溶剂。4、酰胺类溶剂 N，N二甲基甲酰胺，N，N二甲基乙酰胺等。5、酚类溶剂 苯酚、甲酚、二甲酚等。19五、溶剂选用原则（1）赋予涂料适当的黏度；（2）有一定的挥发速度，与涂膜的干燥性相适宜；（3）能增加涂料对物体表面的润湿性，赋予涂膜良好的附着力；（4）考虑安全性和经济性。204.1.3 涂料助剂 特点：用量小，作用大，品种多，功能强。涂料的次要成膜物质。一、催干剂 催干剂也称干燥促进剂，俗称干料。在氧化干燥型涂料体系中，能显著提高漆膜的固化速度。品种很多，使用效果和场合不同。1、钴催干剂 如：环烷酸钴 特性：表面干燥快。单独使用易发生表面很快结膜封闭而内层长期不干的现象。常与铅催干剂配合使用。212、锰催干剂 如：环烷酸锰 特性：表面催干，催干速度慢，因此不会出现外干内嫩的情况。但颜色深，漆膜有黄变倾向。3、铅催干剂 如：环烷酸铅 特性：内层催干，有毒性。常与钴催干剂和锰催干剂配合使用。22二、增塑剂 增塑作用：降低树脂的玻璃化温度，提高漆膜的韧性、延伸率和附着力。内增塑：在分子链上引入具有增塑作用的结构。外增塑：在树脂中加入相容性好的不易挥发、萃出的增塑剂或柔性高分子树脂。231、氯化石蜡 C10-C30 正构烷烃不同氯化深度的产物。常作为乙烯基涂料的增塑剂。2、邻苯二甲酸二丁酯（DBP）能与多种树脂互溶，但易挥发。常用于硝基纤维素漆和聚醋酸乙烯酯乳胶漆。3、邻苯二甲酸二辛酯（DOP）比邻苯二甲酸二丁酯挥发性低，用途较广。24三、生物活性添加剂1、用于船舶防污涂料 防止船体浸入水中部分及水下构件的表面受到海洋生物的污损，导致航速降低。常用添加剂有：氧化汞、三丁基锡氧化物、金属铜和氧化亚铜等。2、用于水性乳胶漆和防霉涂料 防止涂料受到霉菌、细菌等微生物的侵蚀，而使涂料变质或漆膜霉变。常用添加剂有：邻苯基苯酚；2，4，5，6四氯代间苯二氰等。25四、流变性改进剂 流变性改进剂也称粘度改进剂，主要作用是改进涂料的流动性。1、用于溶剂型涂料 触变剂；常用的有：二氧化硅粉末、膨润土等。2、用于乳胶漆 增稠剂；常用的有：纤维素醚类。26五、颜料分散剂1、作用 颜料分散剂属于表面活性剂，作用机理为分子中的亲水或亲油基团被吸附在固体颜料粒子的表面，产生离子间的排斥效应和空间位阻效应，以防止颜料粒子的结块或絮凝。2、品种（1）聚电解质 聚丙烯酸钠、苯乙烯马来酸酐共聚物的铵盐等。能溶于水。常用于水性涂料。27（2）磷酸盐类分散剂 正磷酸钾（K3PO4）、焦磷酸钾（K4P2O7）、三聚磷酸钾（K5P3O10）、偏磷酸钠（NaPO3）等。多用于乳胶漆无机颜料的分散剂。易水解，易遭受微生物侵害。（3）多胺类及醇胺类分散剂 乙二胺、丙二胺、丁二胺、2氨基2甲基丙醇1 等；多用于无机颜料的分散剂。284.2 涂料配方的基本原理 颜料及体质颜料是涂料的重要组成部分。4.2.1 颜粘比、颜料体积浓度、临界颜料体积浓度一、颜粘比1、颜粘比 涂料配方中颜料及体质颜料与胶粘剂（树脂）的质量比。2、不同涂料的颜粘比 面漆:(0.25-0.9):1.0 底漆：(2.0 4.0):1.0 室外用乳胶漆：(2.0 4.0):1.0 室内用乳胶漆：(4.0 7.0):1.029二、颜料体积浓度和临界颜料体积浓度（一）颜料堆砌系数（一）颜料堆砌系数（）Vp Vp 颜料及体质颜料的体积；颜料及体质颜料的体积；Va Va 颜料粒子间空隙的体积。颜料粒子间空隙的体积。一般近似认为颜料粒子为球形粒子；一般近似认为颜料粒子为球形粒子；粒径范围：粒径范围：0.01 0.01 m -100 m -100 m m；颜料粒子粒径越小，越难紧密堆砌，堆砌系数越小。颜料粒子粒径越小，越难紧密堆砌，堆砌系数越小。30（二）颜料体积浓度（PVC）与临界颜料体积浓度（CPVC）Vb Vb 为胶粘剂体积（不含挥发性组分）为胶粘剂体积（不含挥发性组分）VpVp 为颜料的体积。为颜料的体积。临界颜料体积浓度（临界颜料体积浓度（CPVCCPVC）:当胶粘剂逐渐加入到颜料体系中，颜料粒子堆砌空当胶粘剂逐渐加入到颜料体系中，颜料粒子堆砌空隙中的空气将逐步被胶粘剂所取代。当胶粘剂加到恰好隙中的空气将逐步被胶粘剂所取代。当胶粘剂加到恰好填满全部空隙时的颜料体积浓度定义为临界颜料体积浓填满全部空隙时的颜料体积浓度定义为临界颜料体积浓度（度（CPVCCPVC）。）。31（三）（三）与与 PVCPVC、CPVC CPVC 之间的关系之间的关系对于含有颜料、胶粘剂及其空气空隙的体系，颜料堆砌系数可定义为：1 1、PVC=CPVCPVC=CPVC 则则Va=0Va=0，PVC=CPVC PVC=CPVC ，此时颜料粒子间的空隙恰，此时颜料粒子间的空隙恰好被胶粘剂填满，颜料粒子间好被胶粘剂填满，颜料粒子间以相互接触的立方体方式堆砌，以相互接触的立方体方式堆砌，此时堆砌系数定义为此时堆砌系数定义为 d d。322、PVC CPVC 则，Va 0，PVC ，此时颜料粒子间的空隙没有被胶粘剂全部填满。注意：在实际涂料体系中，颜料粒子表面总有一层薄的胶粘剂，因此实际上的颜料粒子堆砌系数比理论计算的小。空隙胶粘剂三、颜料体积浓度对涂料性质的影响1、漆膜密度及 CPVC 的求算 设 p、b、f 分别为颜料、胶粘剂、漆膜的密度。对于单位质量的漆膜，设 w 为其中颜料的质量分数，（1-w）为胶粘剂的质量分数。（1）PVC CPVC 忽略颜料间空气的密度：联立两式求得 CPVC：注：此式适用于溶剂性涂料。354.2 涂料配方的基本原理（3）实验方法求 CPVC 以漆膜的密度、拉伸强度、粘结强度对 PVC 作图，可求 CPVC 的值。362、PVC 与漆膜的孔率的关系漆膜孔率直接影响漆膜渗透漆膜孔率直接影响漆膜渗透性，进而影响漆膜的一些重性，进而影响漆膜的一些重要性质，例如：要性质，例如：（1）生锈：涂装过的黑色金属表面出现锈迹，导致金属腐蚀。（2）起泡：底材表面产生的气体在涂层下产生的气泡。（3）抗湿擦性：漆膜忍受水清洗的擦洗次数。（4）抗污性：抵抗外界污染引起漆膜表面消光或变色的能力。（5）光维持性：干燥后未达应有光泽，或光泽短时消退的性质。37孔率对漆膜耐腐蚀、起泡、耐湿擦、反射率性质的影响孔率对漆膜耐腐蚀、起泡、耐湿擦、反射率性质的影响38孔率对漆膜光泽维持率性质的影响孔率对漆膜光泽维持率性质的影响结论：1、颜料体积浓度（PVC）在 CPVC 附近变化时，漆膜的性质将发生突变，如物理力学性质、渗透性、光学性质等。2、进行配方设计时要根据 PVC 的影响规律和涂料的实际使用要求确定颜料的加入量。394.2.2 颜料的吸油值一、概念1、吸油值（OA）100 克的干颜料形成颜料糊时所需要的精亚麻仁油的质量（g）称为颜料的吸油值。该值是颜料湿润特性的一种量度。2、吸油值的测定方法 标准刮刀混合法：将称取一定质量的颜料放在玻璃板或大理石板上，逐滴加入亚麻仁油，用标准刮刀调和成连续的糊状物，计量所用去亚麻仁油的量。3、吸油值与颜料的品种、颗粒形态、粒径等有关。40二、颜料吸油值（OA）和临界颜料体积浓度（CPVC）的 关系：0.935 0.935 是亚麻仁油的密度；是亚麻仁油的密度；颜料的密度。颜料的密度。上式适用于溶剂性涂料体系，不适用乳液体系。用刮刀法测得颜料的吸油值，依照上式可求颜料的临界颜料体积浓度。414.2.3 乳胶漆临界颜料体积浓度（LCPVC）乳胶漆是聚合物乳胶粒、颜料在水连续相中的分散体系。成膜机理与溶剂性涂料不同。一、乳胶漆的成膜过程1 1、首先发生涂料的流动，水分的不断逸出，乳胶粒成、首先发生涂料的流动，水分的不断逸出，乳胶粒成为粘性粒子而彼此接近，发生乳胶粒粒子的塑性形变和为粘性粒子而彼此接近，发生乳胶粒粒子的塑性形变和凝聚作用。凝聚作用。2 2、同时颜料粒子进入聚合物链的网络中。、同时颜料粒子进入聚合物链的网络中。3 3、当湿漆膜收缩成干漆膜时，颜料粒子周围的乳胶粒、当湿漆膜收缩成干漆膜时，颜料粒子周围的乳胶粒因凝聚和形变作用而产生紧密排列，从而形成连续的漆因凝聚和形变作用而产生紧密排列，从而形成连续的漆膜。膜。42不同 PVC 值的溶剂性涂料和乳胶漆的干燥过程示意图：43二、影响乳胶漆临界颜料体积浓度的因素1、聚合物的玻璃化温度粒径 0.2m粒径 0.8m 玻璃化温度低的乳胶漆有较高的 LCPVC 值。原因是玻璃化温度低的乳胶粒子容易发生形变和凝聚，使颜料堆砌的较紧密。玻璃化温度低的乳胶漆具有较低的成膜温度。含碳酸钙体质颜料的丙烯酸乳液442、乳胶粒子的大小 乳胶粒粒径小的乳胶漆具有较高的 LCPVC 值，原因是粒径较小的乳胶粒容易运动进入颜料粒子之间，趋向于颜料粒子的较紧密接触。3、助成膜剂 一种挥发性增塑剂；促进乳胶粒子的塑性流动和弹性形变，改进乳胶漆的成膜性能；玻璃化温度较高的乳胶漆中常需加助成膜剂。助成膜剂一般为二元醇类化合物，如乙二醇、丙二醇等。助成膜剂的用量存在一个最佳值，需要在实践中试验确定。45三、乳胶漆胶粘剂指数（e）和临界颜料体积浓度（LCPVC）1、乳胶漆胶粘剂指数（e）临界颜料体积浓度时粘结一定量的颜料，所需的乳胶漆胶粘剂体积和溶剂型涂料胶粘剂体积之比定义为乳胶漆胶粘剂指数，或称胶粘剂效率。胶粘剂指数反映了聚合物乳液对颜料的粘结能力；一般胶粘剂指数小于 1，越接近 1，说明粘结力越好；胶粘剂指数与吸油值（OA）、临界颜料体积浓度（LCPVC）之间存在一定的数量关系。462、乳胶漆临界颜料体积浓度（LCPVC）（1）对于溶剂型涂料，在临界颜料体积浓度处（CPVC），单位体积颜料所需的胶粘剂体积为：（2）若采用同种颜料做乳胶漆，在临界颜料体积浓度（LCPVC）处，单位体积颜料所需的胶粘剂体积为：47（3 3）两式相比，得到）两式相比，得到 e e 和和 LCPVC LCPVC：484.2.4 涂料配色一、物体的颜色特性1、漆膜颜色的产生 当光线照射到色漆的漆膜表面时，用于漆膜中颜料发生光的吸收、折射和反射作用，使其具有不同的颜色。2、白色、黑色、彩色的概念 在白光照射下，全部反射光波的物体呈白色；在白光照射下，全部吸收光波的物体呈黑色；在白光照射下，选择性吸收光波后反射光波的物体呈彩色。493、彩色图及颜色的互补特性彩色图 彩色图中对应的颜色互为补色，当白光的一部分光波被选择性吸收后，则呈现出补色，也称余色。例如：当颜料结构中的电子振动频率与绿色光波的频率相同时，便吸收该光波而呈现红色。504、标准色彩表示法及 Munsell 颜色系统（1）色彩的标准化 为了得到稳定的颜色，有利于颜色的重现，同时便于学术交流和颜料产品的生产、销售和使用，必须对色彩进行标准化管理。51（2）Munsell 颜色系统 1905 年，美国艺术家 Munsell 提出的一种表示色彩的方法，后称为 Munsell 颜色系统。用色相、亮度、彩度三个参数表示颜色的特性和区分不同颜色。色相(H)：颜色在光谱中的位置；亮度(V)：颜色的明暗程度；彩度(C)：颜色接近或离开中灰色的程度，彩度高鲜明。524.2 涂料配方的基本原理（3）Munsell 颜色系统的三维球体模型 中央轴代表黑灰白的亮度等级；色相用垂直于中央轴的圆周表示，分为红、黄红、黄、绿黄、绿、蓝绿、蓝、紫蓝、紫、红紫 10 种色相，每种色相分为不同等级；同心圆表示彩度，进一步分为不同等级。任何颜色表示为 HV/C，如 8.5R5.67/8.2。53二、配色原则 总的原则：颜色的色相、亮度、彩度三个参数，只要有一个存在差异，则可确定为不同的颜色。因此新颜色的获得只需要调整三个参数中的任何一个便可。1、调节色相 将红、黄、蓝三色按不同比例混合，得到各种不同中间色，再用不同中间色混合，就可以得到很多种不同色相的颜料。542、调节彩度 在某色相的基础上，加入白色颜料混合，就可得到不同彩度的颜料。3、调节亮度 在某色相的基础上，加入黑色颜料混合，就可得到不同亮度的颜料。55色彩的调色演示