表面工程學--涂裝技術

1、1第九章第九章 涂裝技術涂裝技術2 本章主要內容 第一節(jié) 涂裝技術的概述 第二節(jié) 涂料的基本組成及其作用 第三節(jié) 涂料成膜機理 第四節(jié) 涂裝材料 第五節(jié) 涂裝工藝與設備 第六節(jié) 幾種典型產品涂裝 第七節(jié) 涂膜質量評價及涂裝技術發(fā)展趨勢3第一節(jié) 涂裝技術概述u1.1 定義 將有機涂料覆于物體表面并干燥成膜的過程稱之 涂裝。有機涂料又簡稱為“涂料”或稱“油漆”。u1.2 發(fā)展主要階段（涂料的種類和涂裝方式） 第一階段：利用天然油料、樹漿、瀝青、礦石顏料等，以手工涂刷進行施工。如桐油、蟲膠、生漆、紅丹礦調制成油漆。 第二階段：以人工合成制成具有各種用途的涂料（合成樹脂、合成溶劑、合成顏料），并以機械

2、涂裝施工和計算機人工智能涂裝施工。4 而近十年來，雷達吸收反射涂料聲吶吸收涂料高溫涂料，瞬間光固化涂裝技術，人工智能機械人噴涂技術等高新技術研究發(fā)展并部分進入實用階段，使得這門傳統(tǒng)的涂裝表面技術進入了高新技術時代。u1.3 涂裝技術的應用 涂裝技術在世界范圍內都有著比較廣泛的應用。比如，民用領域：汽車業(yè)、電器、鋼制家具、辦公用具等的表面裝飾防護；工業(yè)領域：采礦業(yè)、艦船、采油設備、海洋設備、飛機、軍事裝備等的防腐、裝飾、偽裝、隔熱、防火、防污等等，幾乎每個領域都離不開涂裝技術。5u1.4 涂裝技術的功能概括一下，涂裝技術有以下幾種功能作用： 涂裝技術裝飾作用保護作用標志作用特殊功能作用6l 裝飾

3、作用功能 涂裝可使物體具有色彩、光澤、平滑和立體性等，可以給人以美的，舒適的感覺。比如房屋的裝修，汽車和手機外觀等。l 保護使用功能 在物體表面覆蓋一層具有耐水性、耐候性、耐油性、耐化學腐蝕性的涂膜，可以大幅度延長物體的使用壽命。比如汽車車身，經涂裝后，使用10-15年還基本完好，否則1-2年就會蝕銹穿孔。l 標志作用功能 利用色彩的明度和反差強烈的特性，引起人們警覺，避免危險事故發(fā)生，保障人們的安全。有些公共設施，如醫(yī)院、消防車、救護車、郵局等，也常用色彩來標示，方便人們辨別。l 特殊作用功能 涂裝能使物體獲得力學性能（耐磨、潤滑）、熱功能（耐高溫、阻燃）電磁學功能（導電、防靜電涂料）、聲波

4、、雷達波的反射和吸收、夜光作用等。7第二節(jié) 涂料的基本組成及其作用u2.1 涂料的組成 一般涂料的主要組成是由成膜物質、顏料、溶劑、助劑四部分組成。l 2.1.1 成膜物質 a) a) 定義：具有粘接涂料中其它組分形成涂膜功能，并對涂料和涂膜的性質起決定作用的連續(xù)基體相。 比如原始的成膜物質是油脂，主要是植物油。后來使用的是一類未經加工的，以無定形狀態(tài)存在的有機高分子聚合物樹脂。而現(xiàn)在大多數(shù)使用的是具有熱塑性和熱固性的合成樹脂。8b)b) 現(xiàn)代成膜物質的分類 第一類：非轉化型成膜物質：在涂料成膜過程中組成結構不發(fā)生變化。即成膜物質與涂膜的組成結構相同，在涂膜中可以檢查出成膜物質的原有結構。 特

5、點：特點：這類成膜物質及其組成的涂膜具有熱塑性，受熱軟化，冷卻后又變硬，多具有可溶和可熔性。比如天然樹脂，蟲膠，天然高聚物的加工產品硝基纖維素，熱塑性氯乙烯樹脂等。 第二類：轉化型成膜物質：在涂料成膜過程中組織結構發(fā)生變化，形成與其原來組成結構完全不同的涂膜。 特點：特點：由于轉化成膜物質具有能起化學反應的官能團，在熱氧或其他物質作用下能夠聚合成與原有結構不同的不溶，不熔的網狀高聚物，即熱固性高聚物，因而形成的涂膜是熱固性的，通常具有網狀結構。比如干性油和半干型油，漆酚，多異氰酸酯的加成物和聚合物。9現(xiàn)代涂料很少使用單一品作為成膜物質，經常采用幾種樹脂品種，互相補充或互相改性，以適應多方面性能

6、要求。隨著科學技術的進步，將會有更多的合成材料應用為涂料的成膜物質。我國通常涂料的分類如表 9-1。表9-1 涂料類別，代號和主要成膜物質10l 2.1.2 顏料a) a) 作用：一般為微細的粉末狀有色物質，是有色涂料的一個主要組成，它使涂膜呈現(xiàn)色彩，并具有一定遮蓋被涂物件表觀的能力，以發(fā)揮其裝飾和保護作用的物質。b)b) 特點： 顏料還能增強涂膜的力學性能和耐蝕性能，或者為涂膜提供某一種特定功能，如防腐蝕、導電、防延燃等。 比如色漆（將顏料均勻分散在成膜物質或其溶液及其分散體中即形成色漆），成膜之后，顏料是均勻散布在涂膜中。c) c) 顏料的分類： 著色顏料 天然顏料 有機顏料 體質顏料來源

7、 化學成分 作用 防銹顏料 合成染料 無機顏料 特種顏料11l 2.1.3 助劑 a) a) 作用：是指涂料的一個組成部分，不能單獨成膜，只可作為一個組分存在于涂膜中，以對涂料或涂膜某一特定方面的性能起改進作用。也稱輔助材料組分。 b) b) 特點：涂料品種不同，需要的助劑也不同。即使同一類型的涂料，由于其使用目的、方法和性能要求的不同，需要使用不同的助劑。 c) c) 助劑的分類：（按對涂料和涂膜起的作用不同） 涂料生產過程使用的助劑：消泡劑、濕潤劑、 分散劑、乳化劑等。 涂料貯存過程使用的助劑：如防結皮劑、防沉 現(xiàn)代涂料助劑 淀劑等。 涂料施工成膜過程中使用的助劑：如催干劑、 固化劑、流平

8、劑、防流掛劑等。 改善涂膜性能助劑：如增塑劑、平光劑、防霉 劑、阻燃劑、防靜電劑、紫外光吸收劑等。 助劑在涂料中使用量很少，但作用顯著。 12l 2.1.4 溶劑a) a) 作用：溶劑的作用是將涂料的成膜物質溶解或者分散為液態(tài)，以便于施工，施工后又能從薄膜中揮發(fā)至大氣中，從而使液態(tài)膜形成固態(tài)的涂膜。b)b) 特點：溶劑是除無溶劑涂料以外的各種液態(tài)涂料所必需的，原則上不構成涂膜，也不應存留在涂膜之中。 有的溶劑在涂料制造時加入，有的在涂料施工時加入。c) c) 分類:(溶劑組分) 揮發(fā)性溶劑 ：組分通常是可揮發(fā)性液體，包括能溶 解成膜物質的溶劑和稀釋成膜物質的稀釋劑。 溶劑組分 反應性溶劑：能夠

9、分散成膜物質為液態(tài)，并在施工 中，與成膜物質發(fā)生化學反應形成新的物質而存留 與涂膜中的化合物。 現(xiàn)代涂料中常用的有機溶劑：脂肪烴、芳香烴、醇、酯、醚、酮等。在涂料中，溶劑的組分所占比例高達50%（體積分數(shù)）。 13u 2.2 涂料的分類和命名 經過長期的發(fā)展，涂料的品種特別復雜。多年來根據(jù)習慣形成了各種不同的涂料命名和分類方法，他們各有特點，形成了各種特殊的稱謂。l 2.2.1 現(xiàn)代通用的涂料分類 a) a) 按涂料的形態(tài)l 固態(tài)涂料 固態(tài)涂料即粉末涂料（類似于熱噴涂時所用的金屬粉末） 溶劑性涂料（溶劑溶解型） 有溶劑 溶劑分散型涂料 水性涂料l 液態(tài)涂料 液態(tài)涂料 無溶劑 無溶劑 增塑劑分散

10、涂料 水稀釋水乳膠水溶性14b)b) 按涂料的成膜機理分類 非轉化型涂料：揮發(fā)型涂料、熱熔型涂料，水乳膠型涂料、 塑性溶膠。 轉化型涂料：氧化聚合型涂料、熱固化涂料、化學交聯(lián)型涂料、輻射固化型涂料。c) c) 按涂料施工方法分類 按施工方法可以分為刷涂涂料、輥涂涂料、噴涂涂料、浸涂涂料、淋涂涂料、和電泳涂料（陰極、陽極）。d) d) 按使用層次分類 按使用層次分為底漆（包括封閉漆）、膩子、二道底漆、 面漆（調和漆、磁漆、罩光漆等）e) e) 按涂膜的外觀分類（不在介紹） 15l 2.2.2 涂料的命名 涂料名一般由顏色或顏料名稱+成膜物質名稱+基本名稱。在涂料命名時除了粉末涂料外任采用漆一詞，

11、 例如：白色丙烯酸磁漆、鐵紅環(huán)氧底漆。對于某些有專業(yè)用途及特性的產品，必要時在成膜物質后邊加以說明。例如:紅醇酸導電磁漆，白硝基外用磁漆。 涂料編號時采用的型號由三部分組成:第一部分是成膜物質， 用漢語拼音字母表示；第二部分是基本名稱，用兩位數(shù)字表示；第三部分是序號，用以表示同類品種間的組成、配比或者用途的不同。 例如： C 04 2 序號 基本名稱（磁漆） 成膜物質（醇酸樹脂）16第三節(jié) 涂料的成膜機理u涂裝就是涂料在物體表面涂覆并成膜的過程，涂料成膜是涂裝技術的基礎。各種涂料所采用的成膜樹脂不同，其成膜機理也不一樣。u3.1 物理成膜方式（非轉化型成膜物質） 物理成膜包括溶劑的揮發(fā)成膜和聚

12、合物粒子凝聚成膜。l 溶劑或分散介質的揮發(fā)成膜是液態(tài)涂料在成膜過程中必須經歷的一種形式。液態(tài)涂料-涂在物體上（濕膜）-溶劑或分散劑揮發(fā)-涂膜粘度增大（一定程度）-固態(tài)涂膜。這時涂料中的成膜物質是非轉化的，即完成了成膜全過程；如果是轉化的，再揮發(fā)的同時，化學反應也在進行。例如：硝酸纖維素漆、熱塑性乙烯樹脂漆等。17l 聚合物粒子凝聚成膜是涂料中高聚物粒子在一定的條件下互相凝聚成為連續(xù)的固態(tài)涂膜。比如：a)含有可揮發(fā)性分散介質的分散性涂料（水乳膠涂料）；b)無揮發(fā)性分散介質的涂料（塑性溶膠）；c)固體粉末涂料。 成膜過程：a) 介質揮發(fā)的同時，高聚物粒子因彼此接觸，擠壓變形而聚集起來，并有粒子狀態(tài)

13、的聚集變?yōu)榉肿訝顟B(tài)的聚集而形成連續(xù)的涂膜；b)高聚物粒子溶脹、凝聚而成膜；c) 固態(tài)粉末在受熱的條件下，高聚物粒子熱熔、凝聚而成膜。u3.2 化學反應成膜方式（轉化型成膜物質） 涂料中的成膜物質在薄膜狀態(tài)下聚合成高聚物涂膜的過程，是一種特殊形式的高聚物合成方式，它完全遵循高分子合成反應機理。因此，涂料的化學成膜方式可以按照高分子聚合機理分為鏈鎖聚合反應成膜和逐步聚合反應成膜兩種形式。單體之間通過一定官能團作用，使得分子量增加過程（聚合反應）。18l 鏈鎖聚合反應(加聚反應)成膜：有三種形式 a) 氧化聚合形式：以天然油脂為成膜物質的油脂涂料以及含有油脂組分的天然樹脂涂料、酚醛樹脂涂料、醇酸樹脂

14、涂料和環(huán)氧酯涂料等都是依靠環(huán)氧聚合成膜的。 b) 引發(fā)劑引發(fā)聚合形式：不飽和聚酯涂料是典型的依靠引發(fā)劑引發(fā)聚合成膜的。 c) 能量引發(fā)聚合形式：一些以含共價鍵的化合物或聚合物為成膜物質的涂料可以通過能量引發(fā)聚合形式而成膜。l 逐步聚合反應（縮聚反應）成膜：依據(jù)逐步聚合反應機理成膜的涂料，他們的成膜物質多為分子鍵上含有可反應官能團的低聚物或預聚物，其成膜形式有縮聚反應、氫轉移聚合（含有大量元素氫的官能團）和外加交聯(lián)劑固化（外加少量交聯(lián)劑和催化劑，發(fā)生交聯(lián)反應）三種形式。 交聯(lián)反應：2個或者更多的分子（一般為線型分子）相互鍵合交聯(lián)成網絡結構的較穩(wěn)定分子（體型分子）反應。19u 3.3 涂膜防護原理

15、涂膜金屬與腐蝕介質隔離，阻礙電化學腐蝕的發(fā)生阻礙陽極與溶液間離子的移動，減小了腐蝕速率涂料中的顏料對金屬表面起鈍化作用，減緩了腐蝕速度涂膜對金屬的保護作用主要體現(xiàn)在：20第四節(jié) 涂裝材料涂裝用材料主要包括：預處理材料、涂料、后處理材料。u4.1 預處理材料 涂裝要求物體表面清潔并具有一定的物理化學特性，如表面粗糙度等。預處理的目的是除凈物體表面油脂、油污、腐蝕物、粘附物等，形成清潔表面并形成一層具有一定特性的表面膜層。 脫脂劑：除掉表面油脂、油污及附著物。 浸蝕劑：除掉物體表面的腐蝕物、氧化物。 磷化劑: 形成一層磷酸鹽轉化膜，提高表 粗糙度、有機涂膜的附著力、耐蝕性。 表調劑：表面調整、表面

16、活化作用。 鈍化膜：形成一層氧化膜或絡酸鹽化學轉 化膜，提高有機涂膜附著力、耐蝕性。 預處理材料21u4.2 常用涂料品種l 1. 自干涂料 自干涂料是靠溶劑揮發(fā)后，樹脂、顏料等成膜物質殘留 在物體表面形成涂膜。應用十分廣泛，民用方面幾乎全部是自干型涂料。幾種主要自干涂料 a) a) 硝基漆 硝基漆(硝酸纖維素漆)是以硝酸纖維素(硝化棉)為主要成 膜物、并加入不干性醇酸樹脂和改性松香甘油酯以及增韌劑、溶劑、顏料等混合調配而成。 優(yōu)點優(yōu)點:硝基漆具有揮發(fā)干燥快、施工簡單、成本低、耐磨、光亮、打磨拋光性好等 缺點缺點：稀釋劑用量大、易燃、附著力、耐候性、耐水性較差、潮濕氣候施工易泛白。 應用：應用

17、：由于硝基漆具有其它涂料產品難以替代的特殊優(yōu)點,目前仍被廣泛地應用于木器家具、室內裝修的涂飾,受到市場及廣大消費者的青睞。22b) b) 醇酸樹脂漆（涂料） 醇酸樹脂漆是以醇酸樹脂為成膜物質的一類涂料。醇酸樹脂是由多元醇、多元酸與一元酸經酯化縮聚反應制得的涂料用樹脂。 優(yōu)點：優(yōu)點：醇酸樹脂漆涂膜的附著力強，光亮，力學性能好， 耐候性較好，并以中油度醇酸樹脂漆綜合性最佳,民用及工業(yè)上用途很廣。 缺點：缺點：與空氣中氧交鏈聚合成膜，耐堿性差，不耐酸。采用相容性硬樹脂改性，如松香、純酚醛樹脂，能提高漆膜硬度及耐水、耐化學性，也進一步提高了涂膜的附著力和防腐蝕性能。c) c) 聚氨酯漆 聚氨酯涂料由于

18、樹脂分子鏈含有氨基甲酸酯基，分子間存在很強的氫鍵作用力，涂膜的堅韌和耐磨性特別優(yōu)異，并有良好的附著力、耐熱性、耐溶劑性、耐化學性，漆膜豐滿光亮，是一類各方面性能都很優(yōu)異的涂料。 23l 2. 烘烤型涂料 屬于熱固性涂料類。一般意義，必須經過烘烤到達規(guī)定溫度，成膜樹脂分子之間的反應性基團或者活性官能團,才能發(fā)生交聯(lián)反應而成膜。此膜特點:經過烘烤，分子結構更為致密、硬度、機械強度、耐久性、耐酸耐堿及耐各種化學介質均優(yōu)于自然干燥的涂膜。主要有溶劑型的氨基涂料、丙烯酸涂料、水性型電泳涂料、水性環(huán)氧、粉末型涂料等。 a) a) 氨基樹脂漆 通常是指用氨基樹脂作為交聯(lián)劑，與其他基體樹脂配合，在一定溫度下經

19、烘烤形成堅韌的三維結構涂層的涂料。 優(yōu)點：優(yōu)點：涂膜光澤高、外觀豐滿、色彩鮮艷、附著力好、力學性能好、較好的耐藥品性、耐水及耐侯性。 缺點：缺點：需烘烤才能成膜，且溫度較高，能源耗費較大。 應用：應用：以氨基樹脂作交聯(lián)劑的涂料廣泛地應用與汽車、工農業(yè)機械、剛制家具、家用電器和金屬預涂等工業(yè)涂料。 24l 3. 水性涂料 凡是用水作溶劑或者作分散介質的涂料，都可稱為水性涂 料。由于樹脂分子量及水性化途徑不同，水性涂料有水溶性、膠束分散型、乳液型三種。 優(yōu)點：優(yōu)點：以水作溶劑，節(jié)約資源；消除了施工時的火災危險性；降低了對環(huán)境的污染；可在濕表面和潮濕環(huán)境中直接涂覆施工；電泳涂膜均勻、平整、內腔、焊縫

20、、棱角部位均能涂上一定厚度的涂膜。 缺點：缺點：水性涂料的顏料分散性差；表面張力大，易產生縮孔；蒸發(fā)潛熱大，即其受溫度及濕度影響大；分散安定性不好，抗剪切力性能差；導電性好，腐蝕性高。 應用：應用：用量最大的是建筑乳膠涂料；汽車閃光涂層中的底色漆；電泳涂裝材料等。25l 4. 粉末材料 粉末涂料是一種含有100%固體分， 以粉末狀進行涂裝并形成涂膜。 具有無溶劑、無污染、可回收、 環(huán)保、節(jié)省能源和資源、減輕勞 動強度和涂膜機械強度高等特點。 它有兩大類：熱塑性粉末涂料和熱固性粉末涂料。 a) 熱塑性粉末涂料 合成樹脂遇熱軟化，冷卻恢復原來樹脂特性。 優(yōu)點：優(yōu)點：防腐蝕、耐磨、絕緣等。缺點：缺點

21、：光澤性和流平性差， 機械強度不夠，與金屬結合力差，故一般需要涂底漆。 b) 熱固性粉末涂料 以熱固性樹脂作為成膜物質，加入起交聯(lián)反應的固化劑經 加熱后能形成不溶不熔的質地堅硬涂層。溫度再高該涂層也不會像熱塑性涂層那樣軟化，而只能發(fā)生分解。26熱塑性粉末熱固性粉末27l 5.特殊涂料 具有普通涂料的防護和裝飾作用外，還具有特殊功能的專用性涂料。像潤滑、示溫、電磁波吸收、防污染、發(fā)光涂料等。u4.3 涂裝后處理材料 為了提高涂層的裝飾性，保護性，防腐蝕性等，涂膜干燥后在進行拋光、噴蠟、封存等后處理工序時所需要的材料。 拋光可以消除涂膜表面缺陷，如顆粒、虛煙、桔皮等，主要適用于涂膜硬度較高的轎車行

22、業(yè)。將防銹蠟灌注在空腔結構部分，起防銹作用。為了防止整車或整個物體在運輸貯存中涂膜受損，對整個物體進行噴蠟封存處理。 28第五節(jié) 涂裝工藝與裝備u5.1 涂裝預處理 為了把物體表面所附著的各種異物（如油污、銹蝕、灰塵、舊漆 膜等）去除，提供適合于涂裝要求的良好基底，以保證涂膜具有良好的防腐蝕性能、裝飾性能及某些特種功能，在涂裝之前必須對物體表面進行預處理。人們把進行這種處理所做的工作，統(tǒng)稱為涂裝前（表 面）處理或（表面）預處理。 1. 涂裝預處理工藝 表面處理的選擇視被處理物表面的情況和要求的涂裝水平而定，一般如下： 1）普通裝飾性涂料：采用常規(guī)脫脂和浸蝕處理。 2）普通防護裝飾性涂裝: 脫脂

23、、浸蝕、磷化處理。 3）高級涂裝：脫脂、浸蝕、表面調整、磷化、鈍化。29 表面與處理工藝方式：（常溫和中溫條件下） 1）噴淋式: 形狀簡單沒有內腔覆層結構的工件。 2) 噴浸結合式：表面污染較嚴重的。 3） 浸泡式： 比較干凈且有復層結構的工件。 為了節(jié)省資源，常常將三者結合使用。2. 2. 涂裝預處理設備 圖9-1通過式浸漬設備 圖9-2通道式噴淋設備 30u5.2 涂料涂覆 涂料涂覆工藝的選擇原則主要根據(jù)被涂物對涂層的質量要求、生產量、及被涂物體的形狀來定，主要考慮涂層組合和涂漆方式。 涂覆方式如表31u5.3 涂膜干燥l 涂料涂敷在被涂物上，在常溫下考溶劑揮發(fā)，經自行聚合及催化聚合，又液

24、態(tài)化為固態(tài)形成漆膜的過程成為干燥。 優(yōu)點優(yōu)點: 節(jié)省資金能源，廣泛用于小批量生產的產品，汽車修補，大型笨重及不能移動的產品等，如輪船、飛機、機床及橋梁等。 缺點：缺點：自然干燥時間較長、受環(huán)境影響因素大、質量不穩(wěn)定、在一些產品上的應用受限制。為此采用人工干燥。l 人工干燥又分為加熱烘干和輻射固化兩種。 根據(jù)加熱固化的方式，烘干又可分為熱風對流，遠紅外線輻射和熱風對流加輻射烘干三種方式。32 熱風對流烘干。此法是利用風機將熱源產生的燃燒氣體或加熱后的高溫空氣引入烘干室，并在烘干室內循環(huán)，從而使被涂物對流受熱。運用高質量涂層，不受工件形狀和結構復雜程度影響，加熱溫度范圍寬，所以該方式應用很廣泛。 遠紅外線輻射烘干。遠紅外線輻射烘干。遠紅外線輻射電加熱器件又遠紅外加熱板、遠紅外電加熱帶和遠紅外加熱燈等，安裝方便，調試簡單，易于維修管理。適用于形狀簡單的工件。 熱風對流加輻射烘干。熱風對流加熱與遠紅外線輻射加熱各有特點，為充分發(fā)揮各自的優(yōu)點，在烘干室設計時可將兩者結合起來，一般先輻射后對流，利用輻射升溫快的優(yōu)點，使工件升溫并使溶劑揮發(fā)，再利用熱風對流保溫，保證烘干質量。33第六節(jié) 幾種典型的產