涂料化学第章涂料中的流变学与表面化学.ppt

第第五章五章 涂料中的流变学与表面化学涂料中的流变学与表面化学本章要求：本章要求：1、了解乳胶型涂料和溶剂型涂料、了解乳胶型涂料和溶剂型涂料2种分散体系的黏度；种分散体系的黏度； 2、掌握涂料中的表面化学；、掌握涂料中的表面化学；3、了解涂料施工过程中的流平和流挂；、了解涂料施工过程中的流平和流挂；4、了解涂料施工时的各种表面现象；、了解涂料施工时的各种表面现象；5、了解表面活性剂性质及应用了解表面活性剂性质及应用本章重点：本章重点： 牛顿流体和非牛顿流体；润湿和接触角；润湿动力学和牛顿流体和非牛顿流体；润湿和接触角；润湿动力学和毛细管力毛细管力 本章难点：本章难点： 涂料表面化学的基本要点涂料表面化学的基本要点 5.1 5.1 涂料中流变学问题涂料中流变学问题 涂料流变学，是研究涂料的流变特性，目的是改善涂料生涂料流变学，是研究涂料的流变特性，目的是改善涂料生产、运输和包装稳定性，可施工性，良好流平性和成膜性等涂产、运输和包装稳定性，可施工性，良好流平性和成膜性等涂料质量和性能可以通过旋转流变仪来进行研究，测量涂料的料质量和性能可以通过旋转流变仪来进行研究，测量涂料的粘度、粘度在动态剪切下的变化（剪切变稀或增稠），粘度随粘度、粘度在动态剪切下的变化（剪切变稀或增稠），粘度随温度和频率的变化等等。

这些测试数据可以分析样品涂料的流温度和频率的变化等等这些测试数据可以分析样品涂料的流变特性，以便指导配方的改进，提高涂料的质量变特性，以便指导配方的改进，提高涂料的质量流变在涂料工业中的应用主要涉及以下三个方面流变在涂料工业中的应用主要涉及以下三个方面：5.1 5.1 涂料中流变学问题涂料中流变学问题所谓所谓粘度粘度就是抗拒液体流动的就是抗拒液体流动的一种量度一种量度使液体流动的力有使液体流动的力有剪切力和拉伸力剪切力和拉伸力绝对粘度绝对粘度剪切粘度的单位是剪切粘度的单位是Pa.s，常用的单位是，常用的单位是P(dyn.s/cm2) 20水的绝对粘度为水的绝对粘度为0.001Pas亚麻油的粘度约为亚麻油的粘度约为0.05Pas，蓖麻油，蓖麻油的粘度为的粘度为1Pas粘度为0.050.5Pas的液体能按经验用眼辨别当液体的液体能按经验用眼辨别当液体粘度低于粘度低于0.01Pas或高于或高于2Pas就很难判断了，它们流动得太快或太慢就很难判断了，它们流动得太快或太慢5.1 5.1 涂料中流变学问题涂料中流变学问题 通常用和重力下落有关的粘度计测量的粘度都通常用和重力下落有关的粘度计测量的粘度都是动力学粘度是动力学粘度。

用锥板粘度计可测得绝对粘度用锥板粘度计可测得绝对粘度若用于涂布的涂料的粘度为若用于涂布的涂料的粘度为0.2Pas，是不是在所有条件下都是，是不是在所有条件下都是0.2Pas呢呢? ? 改变改变温度、剪切力、剪切率温度、剪切力、剪切率甚至改变甚至改变时间时间都有可能改变其粘都有可能改变其粘度值度值只有所谓只有所谓牛顿型的液体牛顿型的液体能够在一定温度下保持一定的粘度，能够在一定温度下保持一定的粘度，这是一种理想的液体，它这是一种理想的液体，它在剪切速率变化时，粘度保持恒定在剪切速率变化时，粘度保持恒定涂涂料的许多原材料如水、溶剂、矿物油和某些树脂料的许多原材料如水、溶剂、矿物油和某些树脂( (低分子量低分子量) )的溶的溶液都是牛顿型液体，然而最终的涂料产品很少是牛顿型液体液都是牛顿型液体，然而最终的涂料产品很少是牛顿型液体5.1 5.1 涂料中流变学问题涂料中流变学问题 宾汉流体宾汉流体与与屈服值屈服值：在一定的：在一定的剪切力之上剪切力之上才能才能发生流动发生流动，这种，这种流体称为流体称为宾汉宾汉流体，这个最小的流体，这个最小的剪切力剪切力叫做叫做屈服值屈服值，在此值以下，在此值以下其性质好象是其性质好象是弹性体弹性体。

假塑性流体假塑性流体：流体的：流体的粘度粘度随随剪切率剪切率的的增加增加而而减少减少( (剪切稀释剪切稀释) )时称为假塑时称为假塑性流体 膨胀性流体膨胀性流体：当流体的：当流体的粘度粘度随随剪剪切率切率的的增加而增加增加而增加( (剪切增稠剪切增稠) )时，称时，称为膨胀性流体为膨胀性流体5.1 5.1 涂料中流变学问题涂料中流变学问题 触变性触变性流体：当流体：当假塑性流体假塑性流体的的流动流动行为和其行为和其历史历史有关，也就是有关，也就是对时间有对时间有依赖时依赖时，称其为，称其为触变性触变性流体 触变性流体的触变性流体的特征特征：当从低剪切：当从低剪切率逐步增加至高剪切率得到的各点的率逐步增加至高剪切率得到的各点的粘度，然后由高剪切率逐渐减少至低粘度，然后由高剪切率逐渐减少至低剪切率，测得各点的剪切率，测得各点的粘度是不重合粘度是不重合的触变性产生的原因触变性产生的原因：静止时体系内有某种很弱的：静止时体系内有某种很弱的网状结构网状结构形成，形成，如通过氢键形成的聚合物间的物理交联和颜料为桥由极性吸附形如通过氢键形成的聚合物间的物理交联和颜料为桥由极性吸附形成聚合物间的成聚合物间的“交联交联”，这种网状结构在剪切力作用下被破坏。

这种网状结构在剪切力作用下被破坏一旦撤去剪切力，网状结构又慢慢恢复一旦撤去剪切力，网状结构又慢慢恢复5.1 5.1 涂料中流变学问题涂料中流变学问题 乳胶是一个分散体系，其粘度与分子量是无关的，可用乳胶是一个分散体系，其粘度与分子量是无关的，可用Mooney公式表示：公式表示：5.1 5.1 涂料中流变学问题涂料中流变学问题 一般涂料中的颜料外面都吸附有一层树脂，像一个弹性体，一般涂料中的颜料外面都吸附有一层树脂，像一个弹性体，在剪切力作用下可以变形，使粘度有所下降，当外力撤去时，又在剪切力作用下可以变形，使粘度有所下降，当外力撤去时，又可恢复原状，体系粘度恢复可恢复原状，体系粘度恢复 颜料外层吸附的树脂，不仅提供了变形的可能性，而且增颜料外层吸附的树脂，不仅提供了变形的可能性，而且增加了内相的体积加了内相的体积粒子愈细，所吸附的量愈多粒子愈细，所吸附的量愈多如果将一个大如果将一个大的粒子分成数个小的粒子，的粒子分成数个小的粒子，Vi便要大大增加便要大大增加VP为粒子本身体积，为粒子本身体积，VA为吸附层体积对为吸附层体积对Vi的献的献在体积相同时粒子愈细，粘度愈大在体积相同时粒子愈细，粘度愈大。

5.1 5.1 涂料中流变学问题涂料中流变学问题 当乳胶或涂料发生絮凝时，粘度可以大大上升，其原因也是当乳胶或涂料发生絮凝时，粘度可以大大上升，其原因也是因内相因内相Vi增加的结果增加的结果在一个絮凝的大粒子中，含有很多小粒子在一个絮凝的大粒子中，含有很多小粒子小粒子之间为外相液体所填满，这些外相的液体成为内相体积的小粒子之间为外相液体所填满，这些外相的液体成为内相体积的一部分 VT为截留在絮凝粒子内的外相液体体积，为截留在絮凝粒子内的外相液体体积，VT增加了，于是体系粘增加了，于是体系粘度上升，当用搅拌破坏絮凝粒子使重新分散时，粘度又可下降度上升，当用搅拌破坏絮凝粒子使重新分散时，粘度又可下降5.5.2 2 表面化学表面化学 物质气、液、固二相相互间的分界面即为界面，因此有物质气、液、固二相相互间的分界面即为界面，因此有气气- -液、气液、气- -固、液固、液- -液、固液、固- -固界面，一般把有气体组成的界固界面，一般把有气体组成的界面称为表面面称为表面 表面张力是液体的基本物理性质，一般都在表面张力是液体的基本物理性质，一般都在0.1N/m以下表面张力随温度的上升而降低表面张力随温度的上升而降低。

产生新表面每单位面积所需之功，单位为产生新表面每单位面积所需之功，单位为J/m2垂直通过液体表面上任一单位长度与液体表面垂直通过液体表面上任一单位长度与液体表面相切的收缩表面的力相切的收缩表面的力表面张力系数通常简称表面张力系数通常简称为表面张力为表面张力5.5.2 2 表面化学表面化学 润湿作用指表面上一种流体被另一种流体所代替，如固体润湿作用指表面上一种流体被另一种流体所代替，如固体表面上的气体被液体所代替表面上的气体被液体所代替润湿作用分为三类，即润湿作用分为三类，即沾湿、浸沾湿、浸湿和铺展湿和铺展5.5.2 2 表面化学表面化学固相固相液相液相气相气相s-gs-ll-g接触角接触角接触角接触角是液体表面的一个参是液体表面的一个参数，定义为三相交界处在液数，定义为三相交界处在液体中量得的角体中量得的角 接触角以接触角以表示当液滴在固体表面上平衡时，平衡接触表示当液滴在固体表面上平衡时，平衡接触角与固气、固液、液气界面自由能有如下关系：角与固气、固液、液气界面自由能有如下关系：杨氏方程杨氏方程 涂料应用过程中不仅涉及液体在固体表面的铺展，有时也涂料应用过程中不仅涉及液体在固体表面的铺展，有时也涉及液体在液体表面上的铺展涉及液体在液体表面上的铺展。

5.5.2 2 表面化学表面化学5.5.2 2 表面化学表面化学 毛细管力促使乳胶粒子紧密接触，最后导致胶粒间的融合毛细管力促使乳胶粒子紧密接触，最后导致胶粒间的融合毛细管力也会导致颜料粒子间紧密聚结，当粉状粒子被液体浸毛细管力也会导致颜料粒子间紧密聚结，当粉状粒子被液体浸湿或大气中的水气凝结于粉体时，这些液体可聚在粒子间的缝湿或大气中的水气凝结于粉体时，这些液体可聚在粒子间的缝隙中，从而形成很大的聚集力隙中，从而形成很大的聚集力 在液体中分散颜料时，毛细管力也会带来困难，如加料过快，成在液体中分散颜料时，毛细管力也会带来困难，如加料过快，成团的颜料外层被润湿，在毛细管力作用下，这一层成了一层紧密的外团的颜料外层被润湿，在毛细管力作用下，这一层成了一层紧密的外壳，封闭了干燥的颜料，使之不能进一步与液体接触，核内的气体也壳，封闭了干燥的颜料，使之不能进一步与液体接触，核内的气体也不能排出并成为液体进入干核的另一阻力不能排出并成为液体进入干核的另一阻力因此在分散固体粉末时必因此在分散固体粉末时必须遵守混合时的操作规程，以免发生须遵守混合时的操作规程，以免发生表面润湿，内部干粉表面润湿，内部干粉的现象的现象。

5.5.3 3 流平与流挂流平与流挂 涂料施工后能否达到平整光滑的特性，称为流平性涂料施工后能否达到平整光滑的特性，称为流平性当涂料涂刷在基材上时，将留下刷痕，此刷痕可因涂料当涂料涂刷在基材上时，将留下刷痕，此刷痕可因涂料未干燥前的流动而减轻未干燥前的流动而减轻漆膜由不平流向平滑的推动力不是重力，漆膜由不平流向平滑的推动力不是重力，而是表面张力而是表面张力在天花板上的涂层同样可在天花板上的涂层同样可以流平以流平流平用流平用Orchard公式评价：公式评价：5.5.3 3 流平与流挂流平与流挂 在低剪切力情况下粘度高，当涂刷于多孔基材时，由于在低剪切力情况下粘度高，当涂刷于多孔基材时，由于毛细管力外相可以迅速进入孔隙中，而乳胶粒子不能进入小毛细管力外相可以迅速进入孔隙中，而乳胶粒子不能进入小孔，此时体系粘度会更高，流平更差孔，此时体系粘度会更高，流平更差溶剂型漆的溶剂挥发溶剂型漆的溶剂挥发是逐步的，粘度逐步增加，可以较好的流平是逐步的，粘度逐步增加，可以较好的流平乳胶漆当水挥乳胶漆当水挥发到一定程度，乳胶粒子碰到一起时立刻成半硬的结构，因发到一定程度，乳胶粒子碰到一起时立刻成半硬的结构，因此也有害于流平此也有害于流平。

5.5.3 3 流平与流挂流平与流挂 当涂料涂布于一个垂直面时，由于重力，涂料有向下当涂料涂布于一个垂直面时，由于重力，涂料有向下流动的倾向，流挂便是由重力引起的流动，流挂的速度公流动的倾向，流挂便是由重力引起的流动，流挂的速度公式表示如下：式表示如下：式中式中为涂料的密度，为涂料的密度，g为重力加速度常数，为重力加速度常数，x为涂层厚度为涂层厚度因此粘因此粘度大，流挂速度小，涂层薄，流挂速度也小度大，流挂速度小，涂层薄，流挂速度也小。