表面工程学--涂装技术

第九章涂装技术2本章主要内容•第一节涂装技术的概述•第二节涂料的基本组成及其作用•第三节涂料成膜机理•第四节涂装材料•第五节涂装工艺与设备•第六节几种典型产品涂装•第七节涂膜质量评价及涂装技术发展趋势3第一节涂装技术概述1.1定义将有机涂料覆于物体表面并干燥成膜的过程称之涂装。有机涂料又简称为“涂料”或称“油漆”。1.2发展主要阶段（涂料的种类和涂装方式）第一阶段：利用天然油料、树浆、沥青、矿石颜料等，以手工涂刷进行施工。如桐油、虫胶、生漆、红丹矿调制成油漆。第二阶段：以人工合成制成具有各种用途的涂料（合成树脂、合成溶剂、合成颜料），并以机械涂装施工和计算机人工智能涂装施工。4而近十年来，雷达吸收反射涂料声呐吸收涂料高温涂料，瞬间光固化涂装技术，人工智能机械人喷涂技术等高新技术研究发展并部分进入实用阶段，使得这门传统的涂装表面技术进入了高新技术时代。1.3涂装技术的应用涂装技术在世界范围内都有着比较广泛的应用。比如，民用领域：汽车业、电器、钢制家具、办公用具等的表面装饰防护；工业领域：采矿业、舰船、采油设备、海洋设备、飞机、军事装备等的防腐、装饰、伪装、隔热、防火、防污等等，几乎每个领域都离不开涂装技术。51.4涂装技术的功能概括一下，涂装技术有以下几种功能作用：涂装技术装饰作用保护作用标志作用特殊功能作用6装饰作用功能涂装可使物体具有色彩、光泽、平滑和立体性等，可以给人以美的，舒适的感觉。比如房屋的装修，汽车和手机外观等。保护使用功能在物体表面覆盖一层具有耐水性、耐候性、耐油性、耐化学腐蚀性的涂膜，可以大幅度延长物体的使用寿命。比如汽车车身，经涂装后，使用10--15年还基本完好，否则1--2年就会蚀锈穿孔。标志作用功能利用色彩的明度和反差强烈的特性，引起人们警觉，避免危险事故发生，保障人们的安全。有些公共设施，如医院、消防车、救护车、邮局等，也常用色彩来标示，方便人们辨别。特殊作用功能涂装能使物体获得力学性能（耐磨、润滑）、热功能（耐高温、阻燃）电磁学功能（导电、防静电涂料）、声波、雷达波的反射和吸收、夜光作用等。7第二节涂料的基本组成及其作用2.1涂料的组成一般涂料的主要组成是由成膜物质、颜料、溶剂、助剂四部分组成。2.1.1成膜物质a)定义：具有粘接涂料中其它组分形成涂膜功能，并对涂料和涂膜的性质起决定作用的连续基体相。比如原始的成膜物质是油脂，主要是植物油。后来使用的是一类未经加工的，以无定形状态存在的有机高分子聚合物树脂。而现在大多数使用的是具有热塑性和热固性的合成树脂。8b)现代成膜物质的分类第一类：非转化型成膜物质：在涂料成膜过程中组成结构不发生变化。即成膜物质与涂膜的组成结构相同，在涂膜中可以检查出成膜物质的原有结构。特点：这类成膜物质及其组成的涂膜具有热塑性，受热软化，冷却后又变硬，多具有可溶和可熔性。比如天然树脂，虫胶，天然高聚物的加工产品硝基纤维素，热塑性氯乙烯树脂等。第二类：转化型成膜物质：在涂料成膜过程中组织结构发生变化，形成与其原来组成结构完全不同的涂膜。特点：由于转化成膜物质具有能起化学反应的官能团，在热氧或其他物质作用下能够聚合成与原有结构不同的不溶，不熔的网状高聚物，即热固性高聚物，因而形成的涂膜是热固性的，通常具有网状结构。比如干性油和半干型油，漆酚，多异氰酸酯的加成物和聚合物。9现代涂料很少使用单一品作为成膜物质，经常采用几种树脂品种，互相补充或互相改性，以适应多方面性能要求。随着科学技术的进步，将会有更多的合成材料应用为涂料的成膜物质。我国通常涂料的分类如表9-1。表9--1涂料类别，代号和主要成膜物质102.1.2颜料a)作用：一般为微细的粉末状有色物质，是有色涂料的一个主要组成，它使涂膜呈现色彩，并具有一定遮盖被涂物件表观的能力，以发挥其装饰和保护作用的物质。b)特点：颜料还能增强涂膜的力学性能和耐蚀性能，或者为涂膜提供某一种特定功能，如防腐蚀、导电、防延燃等。比如色漆（将颜料均匀分散在成膜物质或其溶液及其分散体中即形成色漆），成膜之后，颜料是均匀散布在涂膜中。c)颜料的分类：着色颜料天然颜料有机颜料体质颜料来源化学成分作用防锈颜料合成染料无机颜料特种颜料112.1.3助剂a)作用：是指涂料的一个组成部分，不能单独成膜，只可作为一个组分存在于涂膜中，以对涂料或涂膜某一特定方面的性能起改进作用。也称辅助材料组分。b)特点：涂料品种不同，需要的助剂也不同。即使同一类型的涂料，由于其使用目的、方法和性能要求的不同，需要使用不同的助剂。c)助剂的分类：（按对涂料和涂膜起的作用不同）涂料生产过程使用的助剂：消泡剂、湿润剂、分散剂、乳化剂等。涂料贮存过程使用的助剂：如防结皮剂、防沉现代涂料助剂淀剂等。涂料施工成膜过程中使用的助剂：如催干剂、固化剂、流平剂、防流挂剂等。改善涂膜性能助剂：如增塑剂、平光剂、防霉剂、阻燃剂、防静电剂、紫外光吸收剂等。助剂在涂料中使用量很少，但作用显著。122.1.4溶剂a)作用：溶剂的作用是将涂料的成膜物质溶解或者分散为液态，以便于施工，施工后又能从薄膜中挥发至大气中，从而使液态膜形成固态的涂膜。b)特点：溶剂是除无溶剂涂料以外的各种液态涂料所必需的，原则上不构成涂膜，也不应存留在涂膜之中。有的溶剂在涂料制造时加入，有的在涂料施工时加入。c)分类:(溶剂组分)挥发性溶剂：组分通常是可挥发性液体，包括能溶解成膜物质的溶剂和稀释成膜物质的稀释剂。溶剂组分反应性溶剂：能够分散成膜物质为液态，并在施工中，与成膜物质发生化学反应形成新的物质而存留与涂膜中的化合物。现代涂料中常用的有机溶剂：脂肪烃、芳香烃、醇、酯、醚、酮等。在涂料中，溶剂的组分所占比例高达50%（体积分数）。132.2涂料的分类和命名经过长期的发展，涂料的品种特别复杂。多年来根据习惯形成了各种不同的涂料命名和分类方法，他们各有特点，形成了各种特殊的称谓。2.2.1现代通用的涂料分类a)按涂料的形态固态涂料固态涂料即粉末涂料（类似于热喷涂时所用的金属粉末）溶剂性涂料（溶剂溶解型）有溶剂溶剂分散型涂料水性涂料液态涂料液态涂料无溶剂无溶剂增塑剂分散涂料水稀释水乳胶水溶性14b)按涂料的成膜机理分类非转化型涂料：挥发型涂料、热熔型涂料，水乳胶型涂料、塑性溶胶。转化型涂料：氧化聚合型涂料、热固化涂料、化学交联型涂料、辐射固化型涂料。c)按涂料施工方法分类按施工方法可以分为刷涂涂料、辊涂涂料、喷涂涂料、浸涂涂料、淋涂涂料、和电泳涂料（阴极、阳极）。d)按使用层次分类按使用层次分为底漆（包括封闭漆）、腻子、二道底漆、面漆（调和漆、磁漆、罩光漆等）e)按涂膜的外观分类（不在介绍）152.2.2涂料的命名涂料名一般由颜色或颜料名称+成膜物质名称+基本名称。在涂料命名时除了粉末涂料外任采用漆一词，例如：白色丙烯酸磁漆、铁红环氧底漆。对于某些有专业用途及特性的产品，必要时在成膜物质后边加以说明。例如:红醇酸导电磁漆，白硝基外用磁漆。涂料编号时采用的型号由三部分组成:第一部分是成膜物质，用汉语拼音字母表示；第二部分是基本名称，用两位数字表示；第三部分是序号，用以表示同类品种间的组成、配比或者用途的不同。例如：C042序号基本名称（磁漆）成膜物质（醇酸树脂）16第三节涂料的成膜机理涂装就是涂料在物体表面涂覆并成膜的过程，涂料成膜是涂装技术的基础。各种涂料所采用的成膜树脂不同，其成膜机理也不一样。3.1物理成膜方式（非转化型成膜物质）物理成膜包括溶剂的挥发成膜和聚合物粒子凝聚成膜。溶剂或分散介质的挥发成膜是液态涂料在成膜过程中必须经历的一种形式。液态涂料---涂在物体上（湿膜）---溶剂或分散剂挥发---涂膜粘度增大（一定程度）---固态涂膜。这时涂料中的成膜物质是非转化的，即完成了成膜全过程；如果是转化的，再挥发的同时，化学反应也在进行。例如：硝酸纤维素漆、热塑性乙烯树脂漆等。17聚合物粒子凝聚成膜是涂料中高聚物粒子在一定的条件下互相凝聚成为连续的固态涂膜。比如：a)含有可挥发性分散介质的分散性涂料（水乳胶涂料）；b)无挥发性分散介质的涂料（塑性溶胶）；c)固体粉末涂料。成膜过程：a)介质挥发的同时，高聚物粒子因彼此接触，挤压变形而聚集起来，并有粒子状态的聚集变为分子状态的聚集而形成连续的涂膜；b)高聚物粒子溶胀、凝聚而成膜；c)固态粉末在受热的条件下，高聚物粒子热熔、凝聚而成膜。3.2化学反应成膜方式（转化型成膜物质）涂料中的成膜物质在薄膜状态下聚合成高聚物涂膜的过程，是一种特殊形式的高聚物合成方式，它完全遵循高分子合成反应机理。因此，涂料的化学成膜方式可以按照高分子聚合机理分为链锁聚合反应成膜和逐步聚合反应成膜两种形式。单体之间通过一定官能团作用，使得分子量增加过程（聚合反应）。18链锁聚合反应(加聚反应)成膜：有三种形式a)氧化聚合形式：以天然油脂为成膜物质的油脂涂料以及含有油脂组分的天然树脂涂料、酚醛树脂涂料、醇酸树脂涂料和环氧酯涂料等都是依靠环氧聚合成膜的。b)引发剂引发聚合形式：不饱和聚酯涂料是典型的依靠引发剂引发聚合成膜的。c)能量引发聚合形式：一些以含共价键的化合物或聚合物为成膜物质的涂料可以通过能量引发聚合形式而成膜。逐步聚合反应（缩聚反应）成膜：依据逐步聚合反应机理成膜的涂料，他们的成膜物质多为分子键上含有可反应官能团的低聚物或预聚物，其成膜形式有缩聚反应、氢转移聚合（含有大量元素氢的官能团）和外加交联剂固化（外加少量交联剂和催化剂，发生交联反应）三种形式。交联反应：2个或者更多的分子（一般为线型分子）相互键合交联成网络结构的较稳定分子（体型分子）反应。193.3涂膜防护原理涂膜金属与腐蚀介质隔离，阻碍电化学腐蚀的发生阻碍阳极与溶液间离子的移动，减小了腐蚀速率涂料中的颜料对金属表面起钝化作用，减缓了腐蚀速度涂膜对金属的保护作用主要体现在：20第四节涂装材料涂装用材料主要包括：预处理材料、涂料、后处理材料。4.1预处理材料涂装要求物体表面清洁并具有一定的物理化学特性，如表面粗糙度等。预处理的目的是除净物体表面油脂、油污、腐蚀物、粘附物等，形成清洁表面并形成一层具有一定特性的表面膜层。脱脂剂：除掉表面油脂、油污及附着物。浸蚀剂：除掉物体表面的腐蚀物、氧化物。磷化剂:形成一层磷酸盐转化膜，提高表粗糙度、有机涂膜的附着力、耐蚀性。表调剂：表面调整、表面活化作用。钝化膜：形成一层氧化膜或络酸盐化学转化膜，提高有机涂膜附着力、耐蚀性。预处理材料214.2常用涂料品种1.自干涂料自干涂料是靠溶剂挥发后，树脂、颜料等成膜物质残留在物体表面形成涂膜。应用十分广泛，民用方面几乎全部是自干型涂料。几种主要自干涂料a)硝基漆硝基漆(硝酸纤维素漆)是以硝酸纤维素(硝化棉)为主要成膜物、并加入不干性醇酸树脂和改性松香甘油酯以及增韧剂、溶剂、颜料等混合调配而成。优点:硝基漆具有挥发干燥快、施工简单、成本低、耐磨、光亮、打磨抛光性好等缺点：稀释剂用量大、易燃、附着力、耐候性、耐水性较差、潮湿气候施工易泛白。应用：由于硝基漆具有其它涂料产品难以替代的特殊优点,目前仍被广泛地应用于木器家具、室内装修的涂饰,受到市场及广大消费者的青睐。22b)醇酸树脂漆（涂料）醇酸树脂漆是以醇酸树脂为成膜物质的一类涂料。醇酸树脂是由多元醇、多元酸与一元酸经酯化缩聚反应制得的涂料用树脂。优点：醇酸树脂漆涂膜的附着力强，光亮，力学性能好，耐候性较好，并以中油度醇酸树脂漆综合性最佳,民用及工业上用途很广。缺点：与空气中氧交链聚合成膜，耐碱性差，不耐酸。采用相容性硬树脂改性，如松香、纯酚醛树脂，能提高漆膜硬度及耐水、耐化学性，也进一步提高了涂膜的附着力和防腐蚀性能。c)聚氨酯漆聚氨酯涂料由于树脂分子链含有氨基甲酸酯基，分子间存在很强的氢键作用力，涂膜的坚韧和耐磨性特别优异，并有良好的附着力、耐热性、耐溶剂性、耐化学性，漆膜丰满光亮，是一类各方面性能都很优异的涂料。232.烘烤型涂料属于热固性涂料类。一般意义，必须经过烘烤到达规定温度，成膜树脂分子之间的反应性基团或者活性官能团,才能发生交