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涂料一般為粘稠液體或粉狀物質(zhì),可以用不同的施工工藝涂覆在物體表面,干燥后能形成粘附牢固、具有一定的強(qiáng)度、連續(xù)的固態(tài)漆膜,賦予被涂物以保護(hù)、美化和其它預(yù)期的效果。由于涂料在涂裝的過程中,一定要經(jīng)過流體這個(gè)階段,所以流變性能是涂料的一項(xiàng)重要性能。流變學(xué)即是研究物質(zhì)變形和流動(dòng)規(guī)律的科學(xué)。流變實(shí)際上是一個(gè)內(nèi)涵更為廣泛的術(shù)語(yǔ),它不僅包括粘度,而且包括粘彈性和塑性。當(dāng)僅討論流體流動(dòng)規(guī)律時(shí),可以近似地用粘度來理解流變學(xué)。按大類可以把流體分為牛頓型和非牛頓型。非牛頓型流體又分為剪切速率依存型和時(shí)間依存型。剪切速率依存型是指流體的流動(dòng)行為隨剪切速率的變化而變化,包括假塑型、脹流型和塑型。時(shí)間依存型是指一定剪切速率下流體隨時(shí)間而變化的流動(dòng)特性,包括觸變型和震凝型。實(shí)際中的涂料都是非牛頓型的。涂料很難明確地分為剪切速率依存型和時(shí)間依存型,但偏重程度是有判別的。
在實(shí)際生產(chǎn)中涂料最主要的流變參數(shù)之一是粘度。在涂料的生產(chǎn)、貯存、施工和成膜過程中 , 所受到的力可以分為純剪切、拉伸剪切和簡(jiǎn)單剪切等。涂料中側(cè)重于簡(jiǎn)單剪切,當(dāng)涂料受到簡(jiǎn)單剪切做單向?qū)恿,層間有速度差,若剪切應(yīng)力為τ,剪切速率為D ,則粘度η =τ /D ,稱為動(dòng)力粘度,單位為Pa.s ,常用單位為mPa.s。純剪切和拉伸剪切的研究并不是很多。 在各種剪切條件下都應(yīng)該達(dá)到工藝所要求的粘度。如在貯存中 , 希望體系有較高的粘度 , 防止顏料和填料的沉淀; 在施工時(shí)開始要求體系粘度較低 , 有利于涂膜流平 , 但要求涂膜粘度在一定時(shí)間達(dá)到較高粘度 , 以免涂膜產(chǎn)生流掛和流淌現(xiàn)象。流變性對(duì)涂料的質(zhì)量影響如下:
1 、流變性與開罐質(zhì)量
涂料從生產(chǎn)到使用必然有一段時(shí)間間隔。色漆在這段儲(chǔ)存期內(nèi)發(fā)生顏料沉底,開罐質(zhì)量就降低了。顏料是干膜中的重要組成部分,如果沉底的顏料重新攪拌后未能均勻,或者不能攪起,則必然影響干膜應(yīng)有的質(zhì)量,如色澤等。
涂料在靜置時(shí),由于重力作用于顏料而使其下沉。由此下沉而產(chǎn)生的剪切應(yīng)力約為 1Pa ,剪切速率約為 10 - 3 - 10 - 4 S - 1 。按此估計(jì),當(dāng)粘度約為 10 3 Pa.s 時(shí),則沉降速度可以減慢到度過一定的儲(chǔ)存期。當(dāng)然如果使色漆有這么高一個(gè)粘度,在施工的時(shí)候又要降低到較低的粘度,那就必須有一個(gè)足夠高的屈服值或者一定程度的觸變性。但這對(duì)某些裝飾性涂料是不合適的。實(shí)際上,以流變性防止顏料的沉底,只是從流變性角度出發(fā)的措施,防止顏料沉底的主要措施是顏料分散穩(wěn)定化。
2 、流變性與施工質(zhì)量
涂料的施工方法較多,不同的施工方法,涂料所受的力不同。例如:刷涂是以簡(jiǎn)單剪切為主,輥涂是以純剪切為主,噴涂在未出噴嘴以前是以簡(jiǎn)單剪切為主,出噴嘴后主要以拉伸為主。表 2 是按照簡(jiǎn)單剪切估計(jì)的一些施工方法以及流平流掛的剪切速率,以便用來估計(jì)在各種施工方法下的合適施工粘度和流平流掛之間的平衡。
涂料流變性是干膜外觀質(zhì)量的重要影響因素之一,外觀質(zhì)量不僅是為了裝飾,與性能有非常密切的關(guān)系。其他因素如溶劑和表面張力對(duì)外觀也有影響,但是在配合施工上,流變性最重要。
3 、流變性與顏料分散
顏料的分散過程中,一個(gè)步驟是將顏料的聚集體分離成為初級(jí)粒子。這種分離的方法是對(duì)研磨料施加剪切力,使研磨料內(nèi)產(chǎn)生的剪切應(yīng)力作用于顏料聚集體,迫使初級(jí)粒子分離開來。剪切應(yīng)力越大,則分離效果越好。從η =τ /D 來看,對(duì)一定的機(jī)械來說, D 是一定的,要提高τ,只有提高η ,即研磨料的粘度。從提高研磨生產(chǎn)率來看,提高研磨料的粘度最好是提高顏料的含量,但提高到臨界堆砌值,就會(huì)呈現(xiàn)膨脹流動(dòng)行為。這時(shí)在剪切下發(fā)生異常流動(dòng)減少了對(duì)顏料聚集體的的剪切幾率,使研磨效率下降,所以提高顏料含量來提高研磨料的粘度也有一個(gè)極限。
4 、融熔粘度與粉末涂料的流動(dòng)
粉末涂料只有它的熔融體有足夠低的粘度時(shí)才有足夠的流平,對(duì)熱固型粉末涂料來說還受膠化時(shí)間的約制。
當(dāng)聚合物的鏈長(zhǎng)超過了臨界鏈纏繞長(zhǎng)度,那么分子鏈間的相互纏繞會(huì)使熔融體的粘度增大;所以聚合物的分子鏈要盡量短,但這受儲(chǔ)存穩(wěn)定性的限制。
顏料的體積濃度對(duì)粉末涂料熔融體的流變性影響很大,較高的體積濃度會(huì)使之具有屈服值,又成為限制流動(dòng)的一個(gè)因素。當(dāng)然,顏料的分散程度對(duì)流變性也很有影響,在同一顏料體積濃度下,分散良好的比分散差的有更低的粘度和更少的對(duì)屈服值呈現(xiàn)的影響。所以良好的顏料分散對(duì)粉末涂料熔融體的流變性非常重要。良好的分散性可以降低顏料含量,轉(zhuǎn)而可以提高流動(dòng)性。
如前所述,涂料主要有三部分組成:成膜物質(zhì)、溶劑和填料。這幾種物質(zhì)對(duì)涂料流變性的影響主要在低剪切速率方面,在高剪切速率下,所有結(jié)構(gòu)已經(jīng)被破壞,所呈現(xiàn)的粘度接近樹脂溶液本身和分散顆粒對(duì)粘度的影響,樹脂溶液是接近牛頓流體的,它的粘度是樹脂在溶液中的形態(tài)和濃度所形成的。在低剪切速率方面,顏料的絮凝,各種助劑的存在,所形成的結(jié)構(gòu)使粘度變化很大。高低剪切速率下的粘度配合,使涂料有一個(gè)符合儲(chǔ)存和施工所需的流變性能。