涂料配方設(shè)計課件

Chapter6DesignForACoatingsComposites本章重要內(nèi)容FFF第六章涂料配方設(shè)計顏料加入量涂料流變學(xué)配色

怎樣進(jìn)行涂料配方設(shè)計？Chapter6DesignForACoatingsComposites概述CoatingsFormationProperty:

(Sorts)

Binder

Sorts

Solubility(δ),Volatility

Solvent/Thinner

Sorts

Pigment

SortsCoatings

Quality

（Quantity）ThePrimersAndThePrimerSurfacers

CPVCThePigmentedPaintsSingleColorPigmentedPaint

HidingPower

P/BRatioMultiplexColorPigmentedPaint

ColorPower

Pig.RatioViscosity/SolidsContent

Solvent/Thinner

QuantityAdditives

Sorts/Quantity第一節(jié)顏料加入量ThePigmentContentInAPigmentedCoatingsComposites

一、顏基比：涂料配方中顏填料與固體基料的質(zhì)量比稱之顏基比。(P/B:pigment-binderratio)面漆的P/B約在0.25～0.9︰1之間底漆多數(shù)在2.0～4.0︰1之間。建筑乳膠漆：外用乳膠漆P/B為2.0～4.0︰1，內(nèi)用乳膠漆在4.0～7.0︰1之間。Chapter6DesignForACoatingsComposites§1.1顏料用量二、顏料體積濃度(PVC)和CPVCPigmentVolumeConcentrationCriticalPigmentVolumeConcentrationPVC：指涂料固體總體積中，顏料所占體積份數(shù)：臨界顏料體積濃度(CPVC)：

顏料粒子間空隙正好被基料充滿而顏料粒子仍保持彼此接觸狀態(tài)時的PVC。Chapter6DesignForACoatingsComposites§1.1顏料用量涂料達(dá)CPVC時涂膜相關(guān)性能會突然發(fā)生顯著變化！機(jī)械性能Chapter6DesignForACoatingsComposites§1.1顏料用量涂料達(dá)CPVC時涂膜相關(guān)性能會突然發(fā)生顯著變化！機(jī)械性能Chapter6DesignForACoatingsComposites§1.1顏料用量滲透性質(zhì)Chapter6DesignForACoatingsComposites§1.1顏料用量光學(xué)性質(zhì)Chapter6DesignForACoatingsComposites§1.1顏料用量Chapter6DesignForACoatingsComposites§1.1顏料用量(1)干膜密度對密實(shí)涂膜：含孔隙涂膜，即PVC＞CPVC時：

→

作二條1/ρF～W直線的交點(diǎn)，記作WC，則：Chapter6DesignForACoatingsComposites§1.1顏料用量(2)緊密堆積干顏料的堆積系數(shù)CPVC=Φ=ρ粉/ρ固(3)光學(xué)性質(zhì)------光散射、對比率、著色力、遮蓋率、光澤1)遮蓋力------基料折光指數(shù)nB≈1.5，顏料折光指數(shù)npig＞nB，在顏料和基料界面存在光散射，相對遮蓋力:空氣折光指數(shù)ng=1.00，在CPVC以上空氣導(dǎo)入涂膜使基料變成多孔性，孔隙率為P.I.。則：nB=1.0P.I.+1.5(1–P.I.)=1.5–0.5P.I.對于折光指數(shù)與基料相近的填料，孔隙率較大幅度地改變npig/nB之間相對值，遮蓋率隨孔隙率有大幅度地增加，可利用此特性變化測得CPVC。Chapter6DesignForACoatingsComposites§1.1顏料用量2)著色力用少量固定量的顏料著色系列PVC的不透明漆(如白漆)，不斷涂覆至涂膜厚度大到所測反射率不再變化，此反射率記作R∞。在這系列涂膜中，散射系數(shù)(S)主要來自白色顏料，而吸收系數(shù)(K)來自著色顏料，按Kubelka-Munk理論方程：

每一涂膜中著色顏料用量恒定，K為常數(shù)。對于規(guī)定的試驗(yàn)條件組，著色力(TS)與S成正比例，并任定某一漆膜的TS=100作為標(biāo)準(zhǔn)。則Chapter6DesignForACoatingsComposites§1.1顏料用量例某標(biāo)準(zhǔn)涂料樣品的反射率R∞=0.40，對比樣的反射率少10%。試比較其著色力。解：R∞(標(biāo)準(zhǔn))=0.40，R∞對比=0.40×(1–10%)=0.36設(shè)TS(標(biāo)準(zhǔn))=100則TS(對比)·(1–0.36)2/2×0.36=100×(1–0.4)2/2×0.4TS(對比)=79，對比樣著色力比標(biāo)準(zhǔn)低21%。Chapter6DesignForACoatingsComposites§1.1顏料用量顏料老粉氧化鋅沉淀BaSO4粉碎BaCO3堿式碳酸鉛硅藻土(SiO2)Φ0.700.570.630.630.640.43CPVC(由所得)0.680.500.490.530.530.18常用吸油量這一參數(shù)，快速簡便地獲取CPVC值吸油量所得CPVC與密實(shí)顏料填積系數(shù)對比Chapter6DesignForACoatingsComposites§1.1顏料用量例由36%TiO2、49%CaCO3、15%陶土組成的混合顏料，它的吸油量和CPVC各是多少?顏料重量組成/g密度體積/cm3吸油量/g·(100g)-1TiO2CaCO3陶土3649154.162.712.278.6518.086.6122.113.359.6合計100/33.3414.5實(shí)測

ρpig(混合)=100÷33.34=3.0g/cm3CPVC=1/(1+14.5×3.0/93.5)=68.2%

(算術(shù)平均)=0.221×36+0133×49+0596×15

=23.4g/100g油則CPVC=57.1%顯然，CPVC不能由算術(shù)平均值計算。

Chapter6DesignForACoatingsComposites§1.1顏料用量三、顏料加入量顏料加入量依所需涂料性能來決定，包括：遮蓋力、光澤、透水性、防銹性、耐候性、耐磨性及硬度等。著色顏料的最低加入量根據(jù)遮蓋力確定------一道涂膜正好能遮蓋底色即可(淺色漆為二道)；各色顏料的PVC示例

Chapter6DesignForACoatingsComposites§1.1顏料用量顏色醇酸樹脂漆氨基烘漆PVC/%PVC/%基料中氨基含量/%單色漆：鈦白粉12.314.323.2大紅粉11.212.721.6中黃16.019.317.6炭黑3.34.020.3鐵紅10.010.017.7復(fù)色漆：淺灰11.1%鈦白+1.2%炭黑=12.3%天藍(lán)11.1%鈦白+1.6%鐵藍(lán)=12.7%綠8%檸檬+1.4%中黃+2.4%鐵藍(lán)=12.5%顏料的總需求量（最大用量）則由色漆涂膜的光澤決定。例如不同光澤下的色漆PVC如下：高光漆光澤：100%PVC：＜20%有光漆

80%～100%20%～30%半光漆

30%～70%33%～52%蛋殼光漆

10%～20%52%～60%無光漆

0%～10%60%～72%高光漆，最好選用遮蓋力強(qiáng)的著色顏料；有光漆則采用一般的著色顏料；半光、無光漆按遮蓋力加足著色顏料后，補(bǔ)加體質(zhì)顏料至相宜的PVC。Chapter6DesignForACoatingsComposites§1.1顏料用量顏料的常規(guī)用量顏料PVC/%顏料PVC/%白色：鈦白氧化鋅銻白鉛白15～2015～2015～2015～20綠色：氧化鉻鉛鉻綠顏料綠B10～1510～155～10黃色：鉛鉻黃鋅鉻黃氧化鐵黃鎘黃漢沙黃聯(lián)苯胺黃5～105～1010～1510～1510～155～10藍(lán)色：普魯士藍(lán)群青酞菁藍(lán)5～1010～155～10Chapter6DesignForACoatingsComposites§1.1顏料用量顏料PVC/%顏料PVC/%紅色：氧化鐵紅甲苯胺紅芳酰胺紅黑色：氧化鐵黑炭黑10～1510～155～1010～151～5防銹顏料：堿式硅鉻酸鉛堿式硫酸鉛鉛酸鈣紅丹磷酸鋅四鹽基鋅黃鉻酸鋅金屬粉：不銹鋼鋁粉鋅粉鉛粉25～3515～2030～4030～3525～3020～2530～405～155～1560～7040～50Chapter6DesignForACoatingsComposites§1.1顏料用量涂料配方的重要參數(shù)不單是PVC，而是比顏料體積濃度(λ)例如，由于顏料顆粒的遮擋作用，PVC增加到接近CPVC時，涂膜抗透水性達(dá)到最大值。但一過CPVC，抗水透過性急劇下降。因此，涂料配方的擬定應(yīng)根據(jù)性能和用途，把握好PVC對CPVC的偏離程度。特別是在高PVC配方中，某些相對較小的組成或因素變化，可能使涂料的實(shí)際PVC大于CPVC。

Chapter6DesignForACoatingsComposites§1.1顏料用量例某涂料配方擬定的PVC為52%(按濕樹脂計算)，干漆膜CPVC為54%。如果干燥過程中基料收縮率為16%，求干漆膜的λ值。解：令S為收縮率，可推導(dǎo)得下式：由于基料干燥收縮，λ變動高達(dá)8%，結(jié)果使得擬定配方的λ從小于1變至實(shí)際的λ＞1，涂料的實(shí)際性能將發(fā)生顯著改變。Chapter6DesignForACoatingsComposites§1.1顏料用量提高顏料的分散能力(如采用高效分散設(shè)備或添加高效分散劑)、或延長分散加工時間，都將使顏料堆積更緊密，會得到更高的CPVC。如果一個PVC接近于CPVC的防銹底漆配方，配方判定所用CPVC為分散加工8h的數(shù)值，現(xiàn)對該擬定的高PVC配方只分散加工4h，則該底漆的實(shí)際CPVC變小，λ可能會大于1，防銹性會大大下降。Chapter6DesignForACoatingsComposites§1.1顏料用量CPVC(8h)＞

CPVC(4h)!CPVC(8h)＞

PVC(4h)＞CPVC(4h)!對于微細(xì)顏料粒子，由于表面能大而往往附聚成粒子團(tuán)，使顏料堆積不緊密，CPVC降低。采用表面活性劑可減小顏料附聚粒子團(tuán)尺寸(D)直至原始粒子直徑(d)。例如TiO2/礦物油體系，分別添加0.0、1.0和3.0%分散劑，D/d分別為13、3.4和1.0，CPVC從28%、36%、43%遞增。因此，分散劑的用量也顯著地影響CPVC。當(dāng)分散劑用量達(dá)一定值時，顏料以單個粒子分散，CPVC達(dá)極限臨界顏料體積濃度(UPVC)。CPVC與附聚粒子團(tuán)尺寸關(guān)系如下：Chapter6DesignForACoatingsComposites§1.1顏料用量顯然，配方中分散劑這一成分的微小變化，也使涂料實(shí)際CPVC發(fā)生顯著改變。因此，將λ用于涂料配方的涂膜性能判定會更準(zhǔn)確，由此可以更加精確地進(jìn)行涂料配方修正。各類涂料的適宜λ范圍表中平光乳膠漆的臨界顏料體積濃度偏低，故在λ值小于1.08以下，仍具有良好的不滲透性、抗污性和最佳的不透明性。涂料λ涂料λ面漆汽車面漆0.05～0.15底漆或二道漿木器底漆0.95～1.05高檔工業(yè)面漆0.20～0.30金屬底漆0.7～0.95醇酸磁漆0.35～0.55維護(hù)底漆0.75～0.90半光建筑面漆0.60～0.85金屬二道漿1.05～1.15平光外墻涂料0.95～0.98平光內(nèi)墻涂料0.98～1.08Chapter6DesignForACoatingsComposites§1.1顏料用量第二節(jié)涂料流變學(xué)一、粘度viscosity單位面積上的作用力定義為剪切應(yīng)力τ，則：τ=F/A(dyn/cm2)對該液體的任何部分來說，速度梯度dv/dx是個常數(shù)，稱之為剪切速度D，則：D=dv/dx(s-1)理想液體絕對粘度（粘度η）則為剪切應(yīng)力與剪切速率之比η=τ/D(P，泊)(1P=0.1Pa·S)絕對粘度除以液體密度，則稱之為運(yùn)動粘度：ν=η/ρ(St，沲)Chapter6DesignForACoatingsComposites§1.2

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牛頓流動是這樣一種理想液體的流動特性，它在任一給定溫度下，在很寬的剪切速率范圍內(nèi)，粘度值保持不變。具有理想液體的涂料品種很少，但接近理想狀態(tài)的液體，我們也都把它叫做牛頓流體，像水、礦物油、溶劑及某些樹脂的稀溶液。若一種液體的粘度隨著剪切速率變化而改變，則稱該液體為非牛頓流體，其流動行為稱這非牛頓流動。涂料產(chǎn)品基本上都屬非牛頓型液體。Chapter6DesignForACoatingsComposites§1.2

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若液體粘度隨著剪切速率增加而減少，該液體稱之假塑性流體，即施以切變力，液體會變稀。反之隨剪切速率增加，粘度增大的液體，稱之膨脹性流體，施加切變力會使液體變稠。這二種液體的流變行為見圖，其粘度按曲線或斜線變化。色漿研磨近似為膨脹性流動，而大多數(shù)涂料成品卻是假塑性液體。對于多相體系，像色漿、乳液、泡沫等，相間作用力使分散體系存在一種弱的剛性結(jié)構(gòu)，施加的切變力必須達(dá)到某個最小值才使體系開始流動。此最小值稱之屈服值。在屈服值以下，涂料像彈性固體一樣變形但不能流動。這種流體稱之賓漢流體。Chapter6DesignForACoatingsComposites§1.2

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幾種流變行為示意Chapter6DesignForACoatingsComposites§1.2

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由于非牛頓流體的粘度隨切變應(yīng)力變化，則定義τ/D的比值為表觀粘度ηa:ηa=τ/D此時不同剪切速率下的粘度是多個，所以最好用粘度分布圖表示這一特性。觸變性觸變性是涂料經(jīng)觸動而發(fā)生粘度下降的行為，更重要地，實(shí)際上這是一種與時間相關(guān)的流動行為，即在剪切力的持續(xù)作用下，粘度會隨時間不斷降低并趨于最小值的流變性。Chapter6DesignForACoatingsComposites§1.2

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在靜止?fàn)顟B(tài)下，觸變體有很好的防顏料沉降作用；在施工時的切變力作用下，粘度的降低有利于涂膜流平。由于觸變體的這一特殊優(yōu)點(diǎn)，在涂料中往往添加觸變劑來產(chǎn)生觸變效應(yīng)。觸變性的大小可用觸變環(huán)線面積來表征。觸變環(huán)面積與切變應(yīng)力作用時間有關(guān)，而且試驗(yàn)后靜置很長時間也不能完全回復(fù)到原來的締合結(jié)構(gòu)(或結(jié)構(gòu)粘度)。在某些膨脹性流體中，則可能會出現(xiàn)與觸變性相反的現(xiàn)象，在恒定剪切速率下，粘度增大并趨于最大值，此流變性稱之震凝現(xiàn)象。Chapter6DesignForACoatingsComposites§1.2

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二、影響粘度的因素1.溫度對粘度的影響按分子熱運(yùn)動的孔穴理論，低分子液體的粘溫關(guān)系可用Andrad方程表示：η(T)=A·exp(E/RT）（E—流動活化能）對某種液體，在適當(dāng)?shù)臏囟茸兓秶鷥?nèi)，E近似為定值

lgη(T)=lgA+B/T對于高分子的濃溶液，上式同樣適用。對于分子量不同的同種聚合物溶液，因E極其相近，有相似的粘溫關(guān)系。Chapter6DesignForACoatingsComposites§1.2

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2.基料濃度對溶液粘度的影響設(shè)溶液粘度為η，溶劑粘度為η0，溶質(zhì)體積分?jǐn)?shù)為Φ，并定義ηr=η/η0為溶液的相對粘度(或比粘度)。對于一個剛性球粒的稀溶液，粘度與溶質(zhì)的關(guān)系服從Einsten方程：ηr=η/η0=1+2.5Φ涂料體系往往是被溶劑化或溶脹了的非球形粒子的高濃度溶液，且現(xiàn)代涂料的固體分還在日益增高，經(jīng)過許多學(xué)者對該方程的擴(kuò)展應(yīng)用的研究，有一個簡便又適用的表達(dá)式如下：該式子適用于0～100%濃度范圍的低分子齊聚物或預(yù)聚物溶液。Chapter6DesignForACoatingsComposites§1.2

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例某聚酯的苯乙烯溶液，W1=50%時溶液粘度η1=0.531p；W2=80%時溶液粘度η2=24.7p。求W=60%時的η?(η0=0.0088p)解：由聯(lián)立方程解得：ηr=185.2η=1.63p。Chapter6DesignForACoatingsComposites§1.2

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在實(shí)際應(yīng)用中，可設(shè)kb=0,此時只需一對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)就能預(yù)測某質(zhì)量濃度下的粘度：lgηr=w/ka(kb=0)對于純聚合物，w=1,η=ηp，則ka=1/lgηr=1/lg(ηp/η0)因此lgηr=w·lg(ηp/η0)雖然該公式只能得到近似結(jié)果，但用于估算由兩個已知粘度的溶液調(diào)配預(yù)定粘度溶液的組成極為方便。Chapter6DesignForACoatingsComposites§1.2

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例已知w1=30%的醇酸樹脂汽油溶液的η1=0.658p,w2=50%的溶液η2=9.5p。如何用這兩種溶液調(diào)配η=2.5p的醇酸樹脂溶液?解：設(shè)調(diào)配成η=2.9p溶液，需w1溶液x份，則w2溶液為(1-x)份，數(shù)學(xué)推導(dǎo)得：即30%和50%的溶液按1︰1配合可得2.5p粘度的溶液。Chapter6DesignForACoatingsComposites§1.2

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以上粘度與濃度的關(guān)系式僅適用于有機(jī)溶液的溶液體系。對現(xiàn)代涂料，如水性漆，樹脂利用少量的離子化基團(tuán)并輔以助溶劑的溶脹作用，使之以膠束分散體形式分散于水相中，屬非牛頓流體。在稀釋過程中的粘度變化極為復(fù)雜，存在一稀釋峰。至少，降低基料分子量、增加離子基團(tuán)數(shù)量和助溶劑用量，都會減少膠束形成，增加水溶性（水溶液）。特別是采用兩種不同揮發(fā)性的助溶劑，對改善涂膜外觀很有益處。揮發(fā)快的助溶劑可減少流掛；揮發(fā)慢的助溶劑使之流平。但助溶劑的揮發(fā)性不能比水慢，否則濕膜產(chǎn)生“延遲流掛”現(xiàn)象。Chapter6DesignForACoatingsComposites§1.2

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三、涂料流變學(xué)1.涂料流動方程在涂料生產(chǎn)、施工和干燥成膜過程中，涂料必須經(jīng)受極端變化的剪切速率的作用。例如，在高速分散時，葉片附近的剪切速率(D)高達(dá)103～104s-1，而在器壁或液面處，近乎靜止(D=1～10s-1)；放入貯罐后，D又立即下降到10-3～0.5s-1，顏料易沉降；施工時，劇涂、噴涂或滾涂的D又上升到103s-1以上，某些滾涂施工甚至高達(dá)105s-1；施工以后，濕膜的D又下降到1s-1以下，對涂料的流平、流掛、滲透產(chǎn)生影響。在D大幅度變化時，粘度也從1.0至106P發(fā)生極端改變。Chapter6DesignForACoatingsComposites§1.2

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①配方不正確，施工時粘度太低，施工后粘度過高造成流平性差。③施工時粘度太高，涂刷造成拖帶；施工后粘度太低，造成流掛。②涂料配方正確，低剪節(jié)速率有涂料屈服值τ0=4～10dyn·cm-2，貯存時抗沉降、施工后抗流掛、流平性良好；高剪切速率下，粘度在1～3P之間，有良好施工性能。Chapter6DesignForACoatingsComposites§1.2

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配方各異的涂料的流變曲線由于D或η在極端范圍內(nèi)變化，用一個方程能表述全部范圍內(nèi)的粘度分布，唯一有效的是Casson方程：n——指數(shù)(一般為0.5)涂料在D＞104S-1時，顏料的絮凝、膠團(tuán)聚集或任何其它因素引起的結(jié)構(gòu)粘度都被破壞消失，此η可近似作為η∞(亦可用外推法獲得)。τ0值很難測定，一般以極低剪切速率下的粘度近似計算。即：則τ0≈ηD·DD極小

=τ(D極小)Chapter6DesignForACoatingsComposites§1.2

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也可以利用高、中、低剪切速率下的三組粘度數(shù)據(jù)來確定n、η∞和τ0三個常數(shù)。此時以極高D下的ηh作為η∞，而Dm對應(yīng)ηm，Dl對應(yīng)ηl，則：利用一系列在0.5附近的數(shù)值作為n值代入方程，使方程等于零的n就是所求的解。再求得τ0

：Chapter6DesignForACoatingsComposites§1.2

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涂料在高剪切速率下的粘度η∞和涂料屈服值τ0

，是涂料流變性的二個重要性質(zhì)。1)涂料在高剪切速率范圍內(nèi)流動特性，由涂料基本組成所決定；2)而涂料在低剪切速率范圍內(nèi)的流動特性，可添加少量的流變助劑來調(diào)整。另外，顏料的絮凝或基料的膠體性質(zhì)也影響低剪切范圍內(nèi)涂料流動性質(zhì)。溶劑性涂料，D=104s-1時的適宜刷涂粘度為1.0～3.0P；乳膠漆刷涂，在D=1400s-1時，施工粘度宜在2.5～5P；噴涂施工時D=2500s-1施工粘度宜在0.25～2.5P。流平性好的涂料，也用較高的施工粘度來獲得厚涂膜；反之造成施工困難。Chapter6DesignForACoatingsComposites§1.2

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3)溶劑性涂料，未受剪切作用過的涂料屈服值至少應(yīng)在4.0dyn·cm-2以上，防止顏料沉降。但屈服值在受剪切作用(如施工)后都有下降，希望這種下降是暫時的，它應(yīng)能立即回復(fù)到4dyn·cm-2以上，以防流掛。對于觸變體，下降明顯；對假塑性流體只有稍微下降。這種瞬間的屈服值低于4dyn·cm-2，有利于涂膜流平。乳膠漆的屈服值應(yīng)大于10dyn·cm-2，施工后屈服值應(yīng)瞬間下降到2.5dyn·cm-2，又能立即回復(fù)到5dyn·cm-2以上。Patton提出計算乳膠漆屈服值的經(jīng)驗(yàn)如下：η——為D=0.085S-1時的粘度值Chapter6DesignForACoatingsComposites§1.2

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例某乳膠漆涂刷后，漆膜豐滿度、流平性和流掛性良好，在D=0.085s-1測得未剪切和剪切后的粘度分別是245p和97p。試計算屈服值。解：未剪切時：τ0=9.4dyn·cm-2剪切后：τ0=2.7dyn·cm-2此計算結(jié)果說明了一配方合理的乳膠漆應(yīng)有的屈服值水平。Chapter6DesignForACoatingsComposites§1.2

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2.涂料流平方程涂料流平方程以按正弦波剖面理論推導(dǎo)的公式能較精確地反映實(shí)驗(yàn)結(jié)果。即：Chapter6DesignForACoatingsComposites§1.2

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或：涂料表面張力是涂膜流平的驅(qū)動力，一般在25～55dyn·cm-1。因范圍窄，可取35dyn·cm-1這一中間值。由于表面張力基本上可看作定值，這樣膜厚(x)和條痕波長(λ)成為流平時間的極大影響因素。在其它條件相同時，如果x增加一倍，流平時間縮短到1/8；λ增加一倍，流平時間為原來的16倍。例一典型的流平狀況如下：a0=0.0080cm，at=0.000050cm(流平終點(diǎn))，x=0.010cm，λ=0.10cm(10條痕/cm)，σ=35dyn·cm-1，若粘度恒定為10、100和1000P時，流平時間多長?解：按流平方程100p為2.8秒，1000p為28秒【3p為？秒】Chapter6DesignForACoatingsComposites§1.2

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實(shí)際上流平過程中粘度是不斷變大的，它由任一瞬間的剪切應(yīng)力(或D)所決定。結(jié)合Casson方程，可得到任一瞬間由σ所施加的最大剪切應(yīng)力為：由于流平過程中，σ、x、λ都基本保持不變，則τ正比于a變化。流平終點(diǎn)時，a=5×10-5cm，由圖6-8查得f(x/λ)值，然后求τ值。若涂料τ0≥τ，則無法流平。將τ0代入上式，可求得涂料流平過程能達(dá)到的最小振幅amin：Chapter6DesignForACoatingsComposites§1.2

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Chapter6DesignForACoatingsComposites§1.2

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f(x/λ)=cosh(2πx/λ)[(2πx/λ)2+cosh2(2πx/λ)]f(x/λ)與x/λ的關(guān)系圖上述流平方程不適合于觸變體。因觸變體在剪切后的η恢復(fù)受到時間的制約。另外，流平過程中，溶劑揮發(fā)也造成粘度的持續(xù)上升。在多孔性表面涂漆，溶劑通過毛細(xì)管作用吸收于孔隙中，會導(dǎo)致流平的突然終止。對乳膠漆，在水份初期揮發(fā)階段，乳膠粒子在剛接觸時，轉(zhuǎn)變成半剛性狀態(tài)，有礙涂膜流平。涂膜流平測定可在由低到高的膜厚方向上，用單位長度齒數(shù)不同但齒寬和齒間距相等的梳子劃痕，依溝痕確定流平時間。Chapter6DesignForACoatingsComposites§1.2

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3．涂料流掛方程

a.涂布初時b.流掛c.滑掛a.涂料初始以均勻厚度施工于垂直底材上的幾何形狀示意圖b.此涂層流掛之后的幾何形狀、及任選一水平面的體積增量示意圖c.當(dāng)涂料屈服值很高時出現(xiàn)滑掛的幾何形態(tài)示意圖Chapter6DesignForACoatingsComposites§1.2

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濕涂膜受重力驅(qū)動造成的流痕叫作流掛。涂膜中距離表面x位置單位面積薄層引起流掛的拉力(即剪切應(yīng)力τ

x)：τ

x=ρ

x

g橫穿這一薄層的剪切速率為-dv/dx(負(fù)號表示流掛速率v與x的變化方向相反)，有流掛條件：變換方程得：由于x=X時，v=0。積分得則表層(x=0)的流掛速率：Chapter6DesignForACoatingsComposites§1.2

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上述均為理想狀態(tài)下的流掛速率。此理想狀態(tài)指牛頓流動、無溶劑揮發(fā)和溫度變化。在底材界面上的薄層有最大剪切應(yīng)力：τ

x

(max)=ρ

xg按流掛體積模型圖：積分得：例某磁漆的施工粘度為30秒(1P)，假設(shè)施工后粘度沒有回升能力，垂直面濕膜厚度分別為50μm和100μm時，求10min時磁漆表面的流掛距離(ρ=1.1g·cm-2)。解：一般涂料的閃干時間最長為10min，若忽略溶劑揮發(fā)：h=v0t=ρ·g·X2·t/2ηX=50μm時，h=8.1cm；V=0.027cm3X=100μm時，h=32.4cm；V=0.216cm3Chapter6DesignForACoatingsComposites§1.2

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顯然，牛頓型涂料的抗流掛性很差，并隨著膜厚增加，流掛越趨嚴(yán)重。涂料實(shí)際都是假塑性的，且在閃干過程中溶劑揮發(fā)使溫度降低和濃度增加，導(dǎo)至粘度上升；同時也使涂膜減薄。所有這些因素都使流掛得到抑制。粘度作為流掛阻力，總是配方設(shè)計應(yīng)考慮的主要因素。通常是添加少量流變助劑于牛頓型涂料中，使低剪切速率下的粘度達(dá)到幾百～幾千泊或賦予涂料一抗流掛的屈服值。由于粘度對流平和流掛的影響作用是相反的，改變粘度只能使流平和流掛性調(diào)至適宜程度。流平與流掛這一對矛盾的徹底解決，只有利用觸變性賦予體系一適當(dāng)?shù)那?，才能獲得極佳的流平性和抗流掛性。有較大屈服值的涂料，有時觀察到坍落現(xiàn)象(圖d)。坍落層厚度x按τ=ρg

x

=τ0求得。即：x

=τ0/ρg若τ0足夠大，則x≥X，對X厚的涂膜，流掛被阻止。Chapter6DesignForACoatingsComposites§1.2

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高固體分涂料，因固體分高達(dá)70%w以上，噴涂過程溶劑揮發(fā)少(～5%w)。普通溶劑性涂料，施工固體分約30%w，噴涂過程溶劑揮發(fā)損失高達(dá)50%w左右。顯然，高固體分涂料不存在溶劑揮發(fā)產(chǎn)生的粘度上升和涂膜減薄諸抗流掛因素，流掛控制成為高固體分涂料配方的關(guān)鍵。最好的辦法是賦予一抗流掛屈服值。若涂膜厚度不均勻，在局部厚度大于x的區(qū)域，將產(chǎn)生流痕；若涂膜整體厚度大于x，將產(chǎn)生流淌，涂膜上端薄、下端厚，厚度分布按下式計算式中h——從頂點(diǎn)量起的距離X0——初始厚度t——流淌時間β——樣板傾角：Chapter6DesignForACoatingsComposites§1.2

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第三節(jié)涂料配方試驗(yàn)方法examinationofacoatingscomposites

Chapter6DesignForACoatingsComposites§1.3第四節(jié)配色一、顏色基本概念1.光與色的關(guān)系顏色是人眼視神經(jīng)受到光線刺激引起興奮，傳至大腦中樞神經(jīng)進(jìn)行信息處理后產(chǎn)生的視覺感。因此，有光才有色，無光便無色。由于E=hc/λ(h、c為常數(shù))

光子能量與波長成反比。不同波長的光能量不同，使人眼視覺感出現(xiàn)差別。用棱鏡分離可見光，可得彩虹樣色帶，各色帶波長范圍如下：Chapter6DesignForACoatingsComposites§1.4

Color-matchingChapter6DesignForACoatingsComposites§1.4

Color-matching紅色780～627nm橙色627～589nm黃色589～550nm綠色550～480nm藍(lán)色480～450nm紫色450～380nm不同波長的光線射入眼睛后，接受到的信息發(fā)生變化，觀察到不同光的相加混合色。若用顏色環(huán)中二個相對顏色的互補(bǔ)光等量混合，變成白色；用一對非互補(bǔ)的光混合，變成其它混合色；若用多種色光混合，則趨向于白色。若有三種色光以不同比例混合，能產(chǎn)生顏色環(huán)中的所有顏色的混合色，則該三種顏色稱之三原色。三原色中任意二種顏色的混合色必是另一色的補(bǔ)色。最好的三原色光是紅、綠、藍(lán)三色，由它們產(chǎn)生的白光，跟連續(xù)光譜產(chǎn)生的白光視覺效果一樣。雖然視覺感都是白色，但由于三原色混合成的白光不是連續(xù)光譜，此類現(xiàn)象稱之同色異譜現(xiàn)象。通常，只要兩種異譜色的顏色視覺感受相同，我們就認(rèn)為這兩種顏色已經(jīng)匹配，匹配所用的三原色數(shù)量，稱之三刺激值。Chapter6DesignForACoatingsComposites§1.4

Color-matching2.物體顏色的呈現(xiàn)當(dāng)可見光照射到物質(zhì)表面的時候，它會吸收一部分色光，反射、折射或透射其它波段的光，這樣物質(zhì)就呈現(xiàn)出未被吸收波長區(qū)域光的顏色。由于各類物質(zhì)對不同波長光的吸收能力、反射能力、折射能力都是不同的，所以各種物體都有其特定的色彩。

不透明物體吸收和反射的色光是互補(bǔ)的；透明物體吸收、反射與透射三部分色光互補(bǔ)；珠光顏料由于折射多種色光產(chǎn)生干涉色，具有豐富的色彩效果。微細(xì)的顏料顆粒由于散射（折射）和透射作用小，所以它的顏色主要是由反射決定的。反射分鏡面反射和漫反射，鏡面反射決定物體外表光澤，漫反射決定物體的外表色彩。Chapter6DesignForACoatingsComposites§1.4

Color-matching當(dāng)兩種顏色的顏料混合時，光譜中有兩種色光波段被吸收，只呈現(xiàn)剩余波段光顏色。因此，顏料配色是相減混合。當(dāng)兩種互補(bǔ)色混合，光譜全被吸收，呈黑色；若多種色顏料混合，使絕大部分光譜成分被吸收，顏色趨暗、甚至變成黑色。用非互補(bǔ)色顏料混合，呈現(xiàn)該兩色的中間色。因此，用三原色顏料也可配出各種色調(diào)。

顏色配色的三原色是紅、黃、藍(lán)。綠色顏料吸收的色光是紅色和紫色，因此綠色沒有互補(bǔ)的單色光。Chapter6DesignForACoatingsComposites§1.4

Color-matching3.顏色的特性與表示顏色有三個顯著的視覺特性，即色相、明度和純度，又稱顏色三屬性。

色相：亦即色調(diào)。它取決于物體表面對各種波長色光的反射比例，跟光源的光譜組成也有關(guān)系，是色彩視覺屬性。

明度：即色光的明暗程度。它取決于物體對光的反射能力，是光強(qiáng)度的視覺屬性。反射率達(dá)80%～90%時，對人眼刺激強(qiáng)烈，已感覺是白色；反射率低至4%時，吸光性很強(qiáng)，則感覺已是黑色。色光中，紅色、黃色光反射較強(qiáng)，對人眼刺激大，顯得較明亮。光源亮度增加，也能使色光的明度增加。Chapter6DesignForACoatingsComposites§1.4

Color-matching純度：又稱飽和度。它表示彩色的純正程度。色彩中，單色光是最飽和的色；而白色、黑色、灰色是飽和度最低的無彩色，又稱中性色。純色摻入中性色，飽和度下降，甚至?xí)谎谏w而只能感受到中性色。純度取決于物體表面對光反射的選擇性程度。若物體反射光波段很窄，則反射選擇性高，色的飽和度也高。Chapter6DesignForACoatingsComposites§1.4

Color-matching根據(jù)顏色的三屬性，可用Munsell顏色立體模型來表示各種顏色。

明度，分為10級(白為10、灰為5、黑色0)；以灰點(diǎn)作為中點(diǎn)，設(shè)一水平圓，以半徑方向表示純度(亦稱彩度)，數(shù)值為0～20；水平圓的不同位相，代表色調(diào)，共分10個色調(diào)：紅(R)、黃紅(YR)、黃(Y)、綠黃(GY)、綠(G)、藍(lán)綠(BG)、藍(lán)(B)、紫藍(lán)(PB)、紫(P)、紅紫(RP)；各色調(diào)間又分成10等份，圓周上共有100個刻度。顏色按“色調(diào)·明度/彩度”來表示。例如，5Y9/10表示該顏色的色調(diào)為5Y、明度為9、彩度為10，是一種純度較高且明亮的黃色，此表示方法稱為Munsell顏色系統(tǒng)。Chapter6DesignForACoatingsComposites§1.4

Color-matchingChapter6DesignForACoatingsComposites§1.4

Color-matching

Munsellcolorsphere立體模型示意圖顏色按“色調(diào)·明度/彩度”來表示例如，5Y9/10明度，分10級(白為10、灰為5、黑色0)純度(彩度)，0～20色調(diào)，分10個色調(diào)：紅(R)、黃紅(YR)黃(Y)、綠黃(GY)綠(G)、藍(lán)綠(BG)藍(lán)(B)、紫藍(lán)(PB)紫(P)、紅紫(RP)各色調(diào)間分10等份按照顏色的光譜特征，也可以用CIE標(biāo)準(zhǔn)色度學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行精確表述。該方法是將三原色光投射于白板上，不斷增減，使之與標(biāo)準(zhǔn)光源照射下的相鄰色板顏色完全匹配，用匹配時三原色的量(即三刺激值)表示該色板的顏色。由于三原色光波長、光源、白板及人眼視覺能力都影響匹配的觀察結(jié)果，故規(guī)定色光為：紅700.0nm、綠546.1nm、藍(lán)435.8nm；標(biāo)準(zhǔn)光源分A、B、C三種其中A光源為色溫2856K的充氣白熾鎢絲燈；白體和標(biāo)準(zhǔn)觀察者都有相應(yīng)規(guī)定。Chapter6DesignForACoatingsComposites§1.4

Color-matching匹配所需三原色的數(shù)量以X、Y、Z(三刺激值)表示：式中S(λ)——光源的相對光譜功率分布R(λ)——色板的光譜反射率

——分別是紅、綠、藍(lán)三原色的顏色匹配函數(shù)(亦稱光譜三刺激值)∫λ——表示在整個可見光波長范圍內(nèi)積分在色度學(xué)中，往往用色度坐標(biāo)x、y、z(即相對比例)來表示：Chapter6DesignForACoatingsComposites§1.4

Color-matching4.顏色的測量colormeasurement(1)目測法在標(biāo)準(zhǔn)光源下，將被測顏色與Munsell標(biāo)準(zhǔn)圖譜進(jìn)行比較，按Munsell顏色系統(tǒng)表示其色相、明度和純度。這是一種簡單常用的近似方法。由于觀察者生理狀態(tài)的差別，每個人的比較結(jié)果是不一樣的。用肉眼辯別純度比較困難，在不同的光源下，得到的色相和明度也是不一致的。(2)儀器測量用分光光度測色儀(分光光度計)進(jìn)行測量。儀器分單色器和光度計兩部分。單色器用以產(chǎn)生單色光，光度計測量該單色光在標(biāo)準(zhǔn)樣(如標(biāo)準(zhǔn)白板)和待測樣表面反射能力的差別，即反射率R(λ)

，計算機(jī)將內(nèi)部貯存的標(biāo)準(zhǔn)光源的、及值，與顯示的R(λ)相乘并在可見光波長區(qū)域內(nèi)進(jìn)行積分，便得被測樣的三刺激值或色度坐標(biāo)。

Chapter6DesignForACoatingsComposites§1.4

Color-matching另外可用光電色度計和色差計進(jìn)行測量。這是類使用比較方便的客觀色度計，其探測器的靈敏度都經(jīng)濾色器校正到與CIE標(biāo)準(zhǔn)觀察者的三個顏色匹配函數(shù)相一致，故儀器可將獲得的反射訊號直接轉(zhuǎn)換成三刺激值或色度坐標(biāo)。Chapter6DesignForACoatingsComposites§1.4

Color-matching二、配色color-matching配色是涂料生產(chǎn)過程中重要的一道工序。一般先制成顏色相近的色漆，再細(xì)致、逐步地將適宜的調(diào)色漿混入到色漆中，使之達(dá)到規(guī)定顏色。對涂料使用者來說，是用三原色漆調(diào)配成樣板規(guī)定的顏色。配色有人工配色和計算機(jī)配色兩種。人工配色則是一項(xiàng)精細(xì)的工作，調(diào)色的難易程度跟調(diào)色者的經(jīng)驗(yàn)積累有極大的關(guān)系。例如調(diào)色者的辯色能力及對成色規(guī)律的掌握，決定了他是否能勝任該項(xiàng)工作。因此，無論是顏色的辯別和對比。還是顏色的混合操作，都必須按一定規(guī)則來進(jìn)行。Chapter6DesignForACoatingsComposites§1.4

Color-matching配色的操作過程如下：①確定標(biāo)準(zhǔn)光源、色卡或標(biāo)準(zhǔn)樣板。在標(biāo)準(zhǔn)光源下進(jìn)行辯色，確定樣板的色相、明度和純度，然后確定它的主色是什么，根據(jù)成色規(guī)律確定需要哪些調(diào)色料。另外，標(biāo)準(zhǔn)樣板的面積應(yīng)大些，這樣比色時，色相、明度和純度都較有層次，比色就較為準(zhǔn)確；②準(zhǔn)備調(diào)色料(如果用色漆，則各色都應(yīng)是同類漆基)和調(diào)色工具，并對色料顏色也進(jìn)行對比；③先配小樣，確定所需顏色的主次順序和配比；④配色時應(yīng)遵循“先主后次、由淺入深”這一要點(diǎn)來進(jìn)行。即先配主色(或底色)，然后依次加入其它色調(diào)至基本色相；再按“由淺入深”分別調(diào)整色相、明度和純度。Chapter6DesignForACoatingsComposites§1.4

Color-matching例如：淺湖綠色淺湖綠色由淺黃、鐵藍(lán)、鈦白和軟黑組成則先后加鈦白、淺黃及少量鐵藍(lán)調(diào)出色相，再分別細(xì)致地加入鐵藍(lán)和軟黑，調(diào)整色相、明度與純度。一旦色相基本調(diào)出以后，明度與純度的調(diào)整就比較容易了。Chapter6DesignForACoatingsComposites§1.4

Color-matching顏料在色漆中所需重量份根據(jù)其遮蓋力確定。一般以深色漆一道，淺色漆二道，漆膜厚度25μm能遮蓋底色為準(zhǔn)。遮蓋力小或比重大的顏料要多加。普通色漆中幾種常用顏料用量大致如下：TiO2＞18%，炭黑3%～4%，鐵藍(lán)9%～11%酞菁藍(lán)4.5%～9%，中鉻黃＞23%，淺鉻黃＞27%檸檬黃＞28%，漢沙黃＞13%，鐵紅＞18%甲苯胺紅11%～13%，鋁粉16%。Chapter6DesignForACoatingsComposites§1.4

Color-matching顏色TiO2鐵藍(lán)中鉻黃炭黑淺鉻黃鐵紅甲苯胺紅珍珠白奶油白米黃淺黃黃色橙色紅色鐵紅黃棕棕色中綠綠色深綠軍綠98.1093.7780.03//////////////////11.3415.9030.107.411.905.8818.58/10077.12//45.169.764.9410.5716.2462.56////////1.511.48///////100//////83.7273.5353.66//0.351.39////10053.3388.76///30.03/////22.88100///////Chapter6DesignForACoatingsComposites§1.4

Color-matching顏色TiO2鐵藍(lán)中鉻黃炭黑淺鉻黃鐵紅湖綠豆青果綠淺綠豆灰湖藍(lán)海藍(lán)中藍(lán)銀灰淺灰藍(lán)灰深灰74.9469.5380.20/76.8187.7560.0071.7595.3796.8991.5488.031.823.320.576.912.052.5027.9428.250.750.523.810.97///5.7319.692.2612.06/2.75///////1.45///1.132.594.6511.0023.2427.1518.4587.36/7.49////////0.78/////////Chapter6DesignForACoatingsComposites§1.4

Color-matching計算機(jī)配色只適合本色漆，對于金屬閃光漆和珠光漆等光效應(yīng)顏色，主要還是靠人工調(diào)配(Visualcolor-matching)。其中金屬閃光漆非常耀眼，添加超細(xì)二氧化鈦會變得柔和、色彩層次更加豐富。(flop閃爍/隨角異色)汽車用金屬漆和珠光漆等各光效應(yīng)色的顏料配比舉例如下：metallicfinishes//Pearlized

finishes（1）銀灰色1：鋁粉（SilberlineSS-3333AR）94.63

炭黑0.55

金紅石鈦白粉（R960）4.17

酞菁藍(lán)B0.55

喹吖啶酮紅0.10（5）銀色：超細(xì)二氧化鈦（20～30nm）64.82鋁粉漿34.78

苝紅0.40Chapter6DesignForACoatingsComposites§1.4

Color-matching（6）紅色1：鋁粉（SilberlineL-582）22.00

喹吖啶酮紅32.00

透明氧化鐵紅46.00（7）紅色2：鋁粉（SilberlineSS-3141AR）24.17

苝桃紅51.66喹吖啶酮紫13.91

透明氧化鐵紅9.27

咔唑二噁嗪紫0.99（9）桃紅色：鋁粉（SilberlineSS-3141AR）15.00苝桃紅61.00

透明氧化鐵紅23.00

炭黑1.00Chapter6DesignForACoatingsComposites§1.4

Color-matching（10）黃銅色：鋁粉（SilberlineL-582）33.76

喹吖啶酮褐紅14.77

透明氧化鐵紅51.47（11）金黃色：鋁粉（SilberlineSS-3333AR）24.63

透明氧化鐵紅32.92

黃烷士酮黃36.25

炭黑0.89

酞菁綠（帶黃相）5.31（12）淺金色：超細(xì)二氧化鈦（20～30nm）61.33鋁粉漿32.89

透明氧化鐵紅5.78Chapter6DesignForACoatingsComposites§1.4

Color-matching（13））金色：超細(xì)二氧化鈦（20～30nm）56.61鋁粉漿29.83

透明氧化鐵紅12.41

炭黑2.15（14）橙色：鋁粉（SilberlineSS-3141AR）20.31

透明氧化鐵紅44.36

喹吖啶酮褐紅14.77

喹吖啶酮橙35.33（15）淺藍(lán)色：鋁粉（SilberlineL-582）91.14

酞菁藍(lán)（帶紅相）2.62

陰丹士林藍(lán)6.24Chapter6DesignForACoatingsComposites§1.4

Color-matching（16）深藍(lán)色：鋁粉（Alcoa#7470）37.53

酞菁藍(lán)（帶綠相）43.90

酞菁藍(lán)（帶紅相）9.80

炭黑6.37

蒽嘧啶黃1.47

咔唑二噁嗪紫0.93（17）深紫色：鋁粉（SilberlineSS-3141AR）9.35

酞菁藍(lán)（帶綠相）54.85

咔唑二噁嗪紫35.40

炭黑0.40Chapter6DesignForACoatingsComposites§1.4

Color-matching（18）棕色：鋁粉（SilberlineSS-5000AR）7.31

透明氧化鐵紅18.92

有機(jī)棕54.85

喹吖啶酮紅16.96

炭黑1.96（19）黃棕色：鋁粉（SilberlineSS-3333AR）6.53鋁粉（Reynolds#8-332）1.58

透明氧化鐵紅73.27

喹吖啶酮紅11.09

喹吖啶酮桃紅6.34

炭黑1.19（20）深棕色：鋁粉（SilberlineSS-3141AR）11.70

透明氧化鐵紅71.10

炭黑11.20苝桃紅6.00Chapter6DesignForACoatingsComposites§1.4

Color-matching（21）淺綠色：