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涂料一般為粘稠液體或粉狀物質,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、具有一定的強度、連續的固態漆膜,賦予被涂物以保護、美化和其它預期的效果。由于涂料在涂裝的過程中,一定要經過流體這個階段,所以流變性能是涂料的一項重要性能。流變學即是研究物質變形和流動規律的科學。流變實際上是一個內涵更為廣泛的術語,它不僅包括粘度,而且包括粘彈性和塑性。當僅討論流體流動規律時,可以近似地用粘度來理解流變學。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間依存型。剪切速率依存型是指流體的流動行為隨剪切速率的變化而變化,包括假塑型、脹流型和塑型。時間依存型是指一定剪切速率下流體隨時間而變化的流動特性,包括觸變型和震凝型。實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間依存型,但偏重程度是有判別的。
在實際生產中涂料最主要的流變參數之一是粘度。在涂料的生產、貯存、施工和成膜過程中 , 所受到的力可以分為純剪切、拉伸剪切和簡單剪切等。涂料中側重于簡單剪切,當涂料受到簡單剪切做單向層流,層間有速度差,若剪切應力為τ,剪切速率為D ,則粘度η =τ /D ,稱為動力粘度,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該達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間達到較高粘度 , 以免涂膜產生流掛和流淌現象。流變性對涂料的質量影響如下:
1 、流變性與開罐質量
涂料從生產到使用必然有一段時間間隔。色漆在這段儲存期內發生顏料沉底,開罐質量就降低了。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,則必然影響干膜應有的質量,如色澤等。
涂料在靜置時,由于重力作用于顏料而使其下沉。由此下沉而產生的剪切應力約為 1Pa ,剪切速率約為 10 - 3 - 10 - 4 S - 1 。按此估計,當粘度約為 10 3 Pa.s 時,則沉降速度可以減慢到度過一定的儲存期。當然如果使色漆有這么高一個粘度,在施工的時候又要降低到較低的粘度,那就必須有一個足夠高的屈服值或者一定程度的觸變性。但這對某些裝飾性涂料是不合適的。實際上,以流變性防止顏料的沉底,只是從流變性角度出發的措施,防止顏料沉底的主要措施是顏料分散穩定化。
2 、流變性與施工質量
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單剪切為主,出噴嘴后主要以拉伸為主。表 2 是按照簡單剪切估計的一些施工方法以及流平流掛的剪切速率,以便用來估計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量的重要影響因素之一,外觀質量不僅是為了裝飾,與性能有非常密切的關系。其他因素如溶劑和表面張力對外觀也有影響,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,一個步驟是將顏料的聚集體分離成為初級粒子。這種分離的方法是對研磨料施加剪切力,使研磨料內產生的剪切應力作用于顏料聚集體,迫使初級粒子分離開來。剪切應力越大,則分離效果越好。從η =τ /D 來看,對一定的機械來說, 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,就會呈現膨脹流動行為。這時在剪切下發生異常流動減少了對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極限。
4 、融熔粘度與粉末涂料的流動
粉末涂料只有它的熔融體有足夠低的粘度時才有足夠的流平,對熱固型粉末涂料來說還受膠化時間的約制。
當聚合物的鏈長超過了臨界鏈纏繞長度,那么分子鏈間的相互纏繞會使熔融體的粘度增大;所以聚合物的分子鏈要盡量短,但這受儲存穩定性的限制。
顏料的體積濃度對粉末涂料熔融體的流變性影響很大,較高的體積濃度會使之具有屈服值,又成為限制流動的一個因素。當然,顏料的分散程度對流變性也很有影響,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屈服值呈現的影響。所以良好的顏料分散對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,轉而可以提高流動性。
如前所述,涂料主要有三部分組成:成膜物質、溶劑和填料。這幾種物質對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,所有結構已經被破壞,所呈現的粘度接近樹脂溶液本身和分散顆粒對粘度的影響,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,所形成的結構使粘度變化很大。高低剪切速率下的粘度配合,使涂料有一個符合儲存和施工所需的流變性能。