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涂料一般由三個組分組成,分別是成膜物、顏料和溶劑,有時需要加一些功能助劑來提高其特殊功能,如添加BETTERSOL 7442?來增加成膜的附著力。涂料會在基材表面形成一層薄膜。這種膜除了具有一定的機械性能外,一些裝飾性能等特殊的功能也越來越多的受到人們的追求。例如:夜光、變色、保溫、特殊的觸感等。除粉末涂料外,一般常見的涂料初始狀態(tài)都是一種流動的液體,在涂布完成之后形成固化成膜。
涂料成膜的方式主要有下列幾種。
溶劑揮發(fā)和熱熔的成膜方式
一般聚合物只在較高的分子量下才表現(xiàn)出較好的物理性質,但分子量高,通常玻璃化溫度也高。為了使它們可以涂布,必須用足夠的溶劑將體系的玻璃化溫度降低,使T—Tg的數(shù)值大到足夠使溶液可以流動和涂布。當溶液在室溫下接近0.1Pa·s左右的粘度時可以用于噴涂。在涂布以后溶劑揮發(fā),于是形成固體薄膜,這便是一般熱塑性涂料的成膜形式。為了使漆膜平整光滑,需要選擇好溶劑。
如果溶劑揮發(fā)太快,濃度很快升高,表面的涂料可因粘度過高失去流動性,結果漆膜不平整;另外,揮發(fā)太快,由于溶劑蒸發(fā)時失熱過多,表面溫度有可能降至零點,會使水凝結在膜中,導致漆膜失去透明性而發(fā)白或使漆膜強度下降;溶劑不同會影響漆膜中聚合物分子的形態(tài)。在不良溶劑中的聚合物分子是卷曲成團的,而在良溶劑中的聚合物分子則是舒展松弛的。溶劑不同,最后形成的漆膜的微觀結構也有很大差異,前者分子之間較少纏繞而后者是緊密纏繞的,前者往往有高得多的強度。這種成膜方式可以用罐頭內壁氯乙烯漆來說明,將聚氯乙烯溶于丁酮和甲苯混合溶劑中,使所得聚氯乙烯溶液25℃時粘度達到0.1Pa·s左右。涂布以后溶劑逐漸揮發(fā),Tg不斷上升。三天以后,Tg可達室溫左右,即T-Tg=0,這意味著自由體積已達,不能充分提供分子運動的孔穴,溶劑不易再從膜內逸出,但此時大約還有3-4%的溶劑束縛在膜內,這些溶劑必須在180℃加熱(亦即增加T-Tg數(shù)值)2min以上才能被除去。
為了使聚合物成膜,除了加溶劑降低體系的Tg外,也可用升高溫度的辦法來增加T-Tg(即增加自由體積),使聚合物達到可流動的程度,亦即加熱使聚合物熔融。流動的聚合物在基材表面成膜后予以冷卻,便可得到固體漆膜,這也是熱塑性涂料成膜的另一種形式,即熱熔成膜,例如涂在牛奶紙瓶上的聚乙烯就是用這種方法成膜的。粉末涂料也是熱熔成膜的。聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯酸酯等熱塑性聚合物都可被粉碎成粉末,然后用靜電或熱的辦法將其附在基材表面上,并被加熱至熔融溫度以上,熔融的聚合物粘流體流平后,冷卻即得固體漆膜。粉末涂料中主要是熱固性粉碎末涂料,它在加熱熔融成膜過程中還伴有交聯(lián)反應。
化學成膜方式。
成膜樹脂涂覆在基材表面以后,在加溫或其它條件下,分子間發(fā)生反應而使分子量增加或發(fā)生交聯(lián)而成堅韌的薄膜。這種成膜方式屬于熱固性涂料,包括光敏涂料、粉末涂料、電泳漆等。如:1、干性油和醇酸樹脂通過和氧氣的作用成膜;2、氨基樹酯與含羥基的醇酸樹脂;聚酯和丙烯酸樹脂通過醚交換反應成膜;3、環(huán)氧樹酯與多元胺交聯(lián)成膜;4、多異氰酸酯與含羥基低聚物間反應生成聚氨酯成膜;5、光敏涂料通過自由基聚合或陽離子聚合成膜等。在體系發(fā)生化學反應之前或同時,一般也包含一個溶劑的揮發(fā)過程。
乳膠的成膜在討論乳膠成膜之前要明確區(qū)分一下乳膠與乳液之不同,乳膠是固體微粒分散在連續(xù)相水中,而乳液則是液體分散在水中。一般乳膠是通過乳液聚合劑制備的。乳膠的特點是其粘度和聚合物的分子量無關,因此當固含量高達50%以上時,即使分子量很高也有較低的粘度。乳膠在涂布以后,隨著水分的蒸發(fā),膠粒互相靠近,最后可形成透明的、堅韌的、連續(xù)的薄膜,但是也有的乳膠干燥后只得到粉末而得不到堅韌的薄膜。乳膠是否能成膜和乳膠本身的性質特別是它的玻璃化溫度有關,也和干燥的條件有關。由于乳膠在涂料和其它方面用途極廣,而且大都需要乳膠成膜,因此了解乳膠成膜機理是非常重要的。乳膠成膜的過程比較復雜,目前的看法也不甚相同,這里僅作簡單介紹。
乳膠在涂布以后,乳膠粒子仍可以以布朗運動形式自由運動,當水分蒸發(fā)時,它們運動逐漸受到限制,最終達到乳膠粒子相互靠近成緊密的堆積。由于乳膠粒子表面的雙電層的保護,乳膠中的聚合物之間不能直接接觸,但此時乳膠粒子之間可形成曲率半徑很小的空隙,相當于很小的"毛細管",毛細管中為水所充滿。由水的表面張力引起的毛細管力可對乳膠粒子施加很大的壓力,其壓力(P)的大小可由Laplace公式估計:
P=τ(1/r1+1/r2) 式中τ為表面張力(或界面張力),r1和r2分別為曲面的主曲率半徑。
水分再進一步揮發(fā),表面壓力隨之不斷增加最終導致克服雙電層的阻力,使乳膠內的聚合物間直接接觸。聚合物間的接觸又形成了聚合物-水的界面,界面張力引起新的壓力,此種壓力大小也各曲率半徑有關,同樣可用Laplace公式計算。毛細管力加上聚合物和水的界面張力互相補充,這個綜合的力可使聚合物粒子變形并導致膜的形成。壓力的大小和粒子的大小相關,粒子越小,壓力愈大。