膠黏劑與涂料制備及應(yīng)用原理

關(guān)于膠黏劑與涂料制備及應(yīng)用原理第一節(jié)膠黏劑制備及膠接原理膠接是通過具有黏附能力的物質(zhì)，把同種或不同種材料牢固地連接在一起的方法；具有黏附能力的物質(zhì)稱為膠黏劑或黏合劑，被黏接的物體稱為被黏物；膠黏劑和被黏物構(gòu)成的組件稱為膠接接頭。一、概述

（一）膠接與膠黏劑第2頁,共56頁,2024年2月25日，星期天膠接連接的優(yōu)點：

膠接結(jié)構(gòu)為“面連接”；具有黏彈性，能夠吸收作用于膠接接頭的機械能；不需要外部機械能的介入；減輕重量；可連接不同質(zhì)材料；具有對介質(zhì)的優(yōu)良密封性；膠接工藝比較簡便。第3頁,共56頁,2024年2月25日，星期天膠接連接的局限性：

膠接要求被黏物有適當?shù)谋砻鏍顩r；合成膠黏劑的耐老化性差；合成膠黏劑的耐溫性差；膠接強度的分散性大；膠接質(zhì)量無損檢驗的方法尚不能普遍使用。第4頁,共56頁,2024年2月25日，星期天（二）膠黏劑的品質(zhì)指標1．固化速度在規(guī)定的試驗條件下，膠黏劑轉(zhuǎn)為不熔狀態(tài)所需的時間即是該膠黏劑的固化速度。2．剝離強度剝離強度是表征膠黏劑承受線應(yīng)力能力的指標。在規(guī)定的試驗條件下，膠黏劑單位寬度上所能承受的平均載荷即為剝離強度，單位為N/m。第5頁,共56頁,2024年2月25日，星期天式中：

T、

180度分別代表T型剝離強度和180度剝離強度，KN/m；F為剝離力（N），B為試樣寬度（mm）T型剝離180度剝離第6頁,共56頁,2024年2月25日，星期天

3．持久強度膠接持久強度是指在一定的應(yīng)力作用下，膠接接頭破壞所需要的時間。持久強度可分為持久剪切強度和持久抗拉強度。4．耐水性通常以耐水系數(shù)保持率來表征膠黏劑的耐水性。

K為耐水系數(shù)保持率，%；

為耐水后黏接強度，MPa；

0為耐水前黏接強度，MPa。第7頁,共56頁,2024年2月25日，星期天二、膠黏劑的制備

膠黏劑的制備過程包括:

粘料的合成各種配合劑和固化劑的選擇膠液的制備和調(diào)配等過程第8頁,共56頁,2024年2月25日，星期天（一）熱固性樹脂膠黏劑

熱固性樹脂膠黏劑分子量小，分子中含有反應(yīng)性強的基團，它通過加熱、催化劑的加入或兩者結(jié)合固化成不溶不熔的物質(zhì)。例：酚醛樹脂膠黏劑氨基樹脂膠黏劑環(huán)氧樹脂膠黏劑聚氨酯樹脂膠黏劑第9頁,共56頁,2024年2月25日，星期天（二）熱塑性樹脂膠黏劑例：乙烯基樹脂膠黏劑丙烯酸酯系膠黏劑

ABS樹脂膠黏劑等

熱塑性樹脂膠黏劑由線型聚合物黏料和其它配合劑組成。它不產(chǎn)生交聯(lián)，能以溶液狀態(tài)、乳液狀態(tài)或熔融狀態(tài)進行膠接操作，使用方便。第10頁,共56頁,2024年2月25日，星期天（三）合成橡膠膠黏劑

包括：氯丁橡膠膠黏劑丁腈橡膠膠黏劑聚硫橡膠膠黏劑聚異丁烯、丁基橡膠膠黏劑硅橡膠膠黏劑第11頁,共56頁,2024年2月25日，星期天三、膠接基本原理

（一）膠接力的產(chǎn)生

膠接接頭的結(jié)構(gòu)是由兩被黏物(固體)和一膠黏劑(液體或加熱后呈液狀)三者所組成。膠接接頭的強度取決于兩方面：膠黏劑本身的內(nèi)聚強度；膠黏劑與被黏物之間的黏附力，即膠接力。膠接力的來源，包括化學(xué)鍵力、分子間作用力、界面靜電引力及機械嵌合力等。第12頁,共56頁,2024年2月25日，星期天（二）形成膠接接頭的基本條件膠黏劑必須首先是易流動的液態(tài)物質(zhì)。膠黏劑與被黏物表面必須處于潤濕狀態(tài)。在潤濕的前提下，被黏物表面進行適當?shù)牟诨?。液相膠黏劑必須通過蒸發(fā)（溶劑或分散介質(zhì)）、冷卻、聚合、縮合或各種交聯(lián)方法進行固化以提高內(nèi)聚強度。膠接接頭固化過程中，設(shè)法降低殘留內(nèi)應(yīng)力。在膠接界面區(qū)內(nèi)，避免弱界面層或膠黏劑內(nèi)的氣孔及其他缺陷。第13頁,共56頁,2024年2月25日，星期天（三）膠接過程的界面科學(xué)基礎(chǔ)潤濕

液體在固體表面的情況

完全潤濕時：

一般有機物的液/固體系可忽略則第14頁,共56頁,2024年2月25日，星期天2.固體表面臨界潤濕張力()

固體的表面自由能不能直接測定，但可用固體表面臨界潤濕張力反映固體表面自由能的大小。固體表面臨界潤濕張力不是一個熱力學(xué)參數(shù)，不能與固體的真實表面能混淆，但它可作為評價黏接好壞的一個判據(jù)。第15頁,共56頁,2024年2月25日，星期天3.潤濕與膠接的關(guān)系

當液體潤濕固體表面后，將液體從固體界面剝離時所需的功稱為黏附功（Wa）。

黏附功（Wa）和內(nèi)聚功（Wb）若θ=0°，

所以，在完全潤濕的情況下，黏附功等于液體的內(nèi)聚功。則第16頁,共56頁,2024年2月25日，星期天完全潤濕的情況下并非黏附功達到最大。黏附功與液體表面張力及固體值的關(guān)系：

b為經(jīng)驗常數(shù)，在低表面能固體的情況下約等于0.026

在設(shè)計黏接體系時，應(yīng)當著重于提高被黏物的表面能，而且所挑選的膠黏劑的表面張力要低于被黏物的表面臨界潤濕張力，這樣才能自發(fā)潤濕，得到較高的黏接性能。則第17頁,共56頁,2024年2月25日，星期天（四）膠接現(xiàn)象的理化解釋1.膠接的吸附理論

膠接作用是由膠黏劑和被黏物分子在界面上接觸并產(chǎn)生次價鍵力所引起的。吸附理論的主要結(jié)論：膠黏劑與被黏物表面的良好潤濕和充分靠近，是提供高膠接強度的必要條件。要形成高強度的膠接接頭，就需要增加其真實的接觸面積。膠黏劑中的分子對被黏物表面有較大的范德華引力時，則膠接力較大。第18頁,共56頁,2024年2月25日，星期天2.膠接的擴散理論

由于分子或鏈段的熱運動，膠黏劑的分子或鏈段與被黏物的分子或鏈段能夠在表面層相互擴散，形成一個交織的過渡區(qū)，黏合界面消失，從而產(chǎn)生牢固的膠接接頭。從界面上鏈段擴散角度來研究膠接現(xiàn)象的理論稱為膠接的擴散理論。不同溶度參數(shù)的膠黏劑膠接聚酯膜的膠接強度“相容性問題”第19頁,共56頁,2024年2月25日，星期天3.膠接的靜電理論

當膠黏劑-被黏物體系是一種電子的接受體-供給體的組合形式時，由于電子從供體相轉(zhuǎn)移到接受體相，在界面區(qū)兩側(cè)形成了雙電層而產(chǎn)生了靜電引力。從被黏物表面剝離膠黏劑時，像分開電容器的兩個極板一樣，能產(chǎn)生電位差。膠接接頭的黏附功可看作與兩極板的能量相等。極板分離功的計算：式中：W為分離功，σ0為表面電荷密度，h為兩極板間拉開的間隙。第20頁,共56頁,2024年2月25日，星期天4.膠接的機械連接理論

兩種膠接材料間彎曲的界面示意圖

如果被黏物表面不光滑，從微觀看它是凹凸不平的，膠黏劑可填充在被黏物表面的孔隙與凹凸不平的溝壑中，脫出時會部分受到被黏物的阻礙，表現(xiàn)出“鎖-匙”效應(yīng)。第21頁,共56頁,2024年2月25日，星期天5.膠接的化學(xué)鍵理論

膠黏劑與被黏物之間如果能形成化學(xué)鍵，不僅可以提高黏附強度，而且可以改善膠接接頭抵抗各種環(huán)境作用的能力。化學(xué)鍵的形成的條件：膠黏劑與被黏物必須帶有能相互反應(yīng)的官能團或可通過某些添加劑與兩者進行化學(xué)反應(yīng)；膠黏劑必須與被黏物潤濕，以達到緊密的接觸；在一定的工藝條件下進行(如溫度、時間、壓力等)。兩種聚合物互相黏接時，也可以通過雙官能度的化合物或有機過氧化物在界面上形成共交聯(lián)。第22頁,共56頁,2024年2月25日，星期天6.弱邊界層

膠接接頭產(chǎn)生后，其斷裂可能發(fā)生在被黏物，也可能在膠黏劑中，主要是兩者中內(nèi)聚能較弱的一方。由于材料界面處存在較低的內(nèi)聚強度，所以膠接一般都會在低于它們預(yù)期強度的情況下斷裂，這些內(nèi)聚強度較低的物質(zhì)就構(gòu)成了“弱邊界層”。第23頁,共56頁,2024年2月25日，星期天四、膠接技術(shù)

（一）膠接接頭的設(shè)計應(yīng)盡可能地使膠接接縫所承受載荷的全部或大部分為剪切載荷，其次方為抗拉(扯離)載荷。應(yīng)盡可能地避免剝離和不均勻拉伸應(yīng)力作用，如確實難避免，則應(yīng)采取加固措施應(yīng)盡可能地增大膠接面積以提高承載能力。在膠接復(fù)合材料與層壓材料時，應(yīng)盡可能避免在材料表面或局部面積上造成拉伸載荷，以免使它產(chǎn)生層間剝離。膠接接頭應(yīng)加工制造容易，經(jīng)濟可靠。第24頁,共56頁,2024年2月25日，星期天（二）膠黏劑的選擇舉例：未經(jīng)表面處理的低表面能塑料，可用非極性膠黏劑黏接；經(jīng)過特殊處理，則可用極性膠黏劑黏接。塑料與無機材料黏接并在高溫或低溫環(huán)境中使用時，由于兩者熱膨脹系數(shù)的差異，應(yīng)選用具有彈性的膠黏劑，或者在膠黏劑中添加無機填料。在黏接不同材料時，會遇到膠黏劑只對某一種被黏物有較好的黏附性能，而對另一種則很差，此時可選用一種底膠，其對難粘的一種被黏物和膠黏劑層有好的黏附性。溶劑也可作為塑料的膠黏劑，是塑料黏接最簡單、最經(jīng)濟的方法。第25頁,共56頁,2024年2月25日，星期天（三）膠接工藝膠接過程包括：對膠接表面進行處理，使表面平整無油并具有一定的粗糙度。膠黏劑的準備涂膠(噴涂、刷涂、輥涂、刮涂、浸涂，注射和層壓法等)晾置疊合固化修整(去掉被擠出黏接接頭外的多余的邊角)第26頁,共56頁,2024年2月25日，星期天第二節(jié)涂料配制及涂層形成原理

涂料是一種流動狀態(tài)或粉末狀態(tài)的物質(zhì)，能夠均勻地覆蓋和良好地附著在物體表面形成固體薄膜。它是具有防護、裝飾或特殊功能的材料。經(jīng)過物理化學(xué)作用已干燥固化的涂料膜叫涂層（也叫漆膜、涂膜)。第27頁,共56頁,2024年2月25日，星期天(一)涂料的組成

涂料的主要成分：樹脂基料（包括所添加的增塑劑）顏料（及填料）溶劑（或分散介質(zhì)）各種助劑：增稠劑、催干劑、抗結(jié)皮劑表面活性劑、殺菌（蟲劑）防霉劑等。一、概述

第28頁,共56頁,2024年2月25日，星期天1.樹脂基料樹脂基料是涂料配方中的成膜成份，可分為轉(zhuǎn)化型和非轉(zhuǎn)化型。轉(zhuǎn)化型：將未聚合或部分聚合的聚合物基料施涂在底材上，經(jīng)聚合反應(yīng)形成固體涂膜。非轉(zhuǎn)化型：將分散或溶解在介質(zhì)中的聚合物基料，施涂在底材表面上，當分散或溶解介質(zhì)揮發(fā)后，在底材表面留下牢固附著的涂膜。部分非轉(zhuǎn)化型：以固體粉末的形式存在，通過噴涂或沸騰床（或流化床）使粉末黏附于熱工件上，再經(jīng)加熱塑化形成連續(xù)膜。第29頁,共56頁,2024年2月25日，星期天2.顏料

顏料：能分散在基料中，并賦予涂料某些特性的固體粉料。特性：色彩，不透明性、耐久性、機械強度和對金屬被涂物的防腐性。

3.填料填料：在涂料基料和溶劑中是不溶的，對涂膜幾乎沒有遮蓋能力或著色效果，加入填料可改進液體涂料的流動性及涂膜的機械性能、滲透性、光澤和流平性。涂料中所用的填料：重晶石（硫酸鋇）、陶土、云母粉、滑石粉和重質(zhì)碳酸鈣。

第30頁,共56頁,2024年2月25日，星期天4.溶劑

溶劑：用于溶解樹脂組分和改善涂料黏度的揮發(fā)性液體。溶劑不僅必須能溶解樹脂，而且所形成的溶液應(yīng)具有一定的黏度；溶劑還必須有適當?shù)膿]發(fā)速度；此外，理想的溶劑應(yīng)當是無毒、價廉，以及具有可以接受的氣味。5.增塑劑

可增加涂膜的柔韌性。主要用于一些剛性或脆性涂膜。第31頁,共56頁,2024年2月25日，星期天6.催干劑催干劑：有機酸的油溶性金屬鹽，主要用于加速醇酸樹脂涂料的固化速度。機理：催化基料中不飽和油組分的氧化交聯(lián)。最有效的催干劑是鉛鹽和鈷鹽。

第32頁,共56頁,2024年2月25日，星期天7.生物活性添加劑

（1）防污毒劑作用：含有海洋污損物的毒劑，同時以一定速度逐漸釋放出毒劑，并足以阻止海洋生物的附著和繁殖。最常用的防污毒劑有氧化汞、三丁基氧化物、金屬銅和氧化亞銅。（2）殺菌劑作用：干擾細菌的新陳代謝，因而阻止了酶的合成。常用的殺菌劑是酚或醛的復(fù)雜化合物。第33頁,共56頁,2024年2月25日，星期天8.黏度調(diào)節(jié)劑和抗沉降劑（1）增稠劑作用：使涂料的黏度提高，但并不引起觸變現(xiàn)象。（2）觸變劑作用：使涂料在零或低剪切速率下具有類似凝膠的結(jié)構(gòu)，只有高剪切速率下發(fā)生流動。只要剪切應(yīng)力被減少到零時，凝膠狀態(tài)便立即恢復(fù)。觸變性是一個有用的特性，它可以防止流掛的產(chǎn)生，也能將貯存過程中的沉降減少，甚至完全消除。

例如：纖維素醚、微粉化二氧化硅、膨潤土等第34頁,共56頁,2024年2月25日，星期天9.顏料分散劑顏料分散劑：即表面活性劑。當顏料、填料在介質(zhì)中潤濕性差或根本不潤濕時，常加入表面活性劑來促進顏料和填料的分散。加入量一般為涂料固體量的0.1%～0.5%或為顏料量的1%。第35頁,共56頁,2024年2月25日，星期天（二）涂料的品質(zhì)指標1.透明度對于不含顏料的涂料產(chǎn)品，如清漆、清油和漆料等，透明度是一項重要的技術(shù)指標。測試方法：（1）將試樣倒入內(nèi)徑為1~15mm的干燥潔凈的無色玻璃試管內(nèi)，于天然散色光線下觀察其內(nèi)部是否有機械雜質(zhì)和渾濁物等。（2）采用光電式濁度計。第36頁,共56頁,2024年2月25日，星期天2.貯存穩(wěn)定性表征涂料在密閉桶內(nèi)貯存過程中質(zhì)量是否有變化的性能指標。

測定：

在不同的階段測定其黏度、干燥時間和光澤等。還需要重點進行產(chǎn)品的沉降試驗。第37頁,共56頁,2024年2月25日，星期天3.平流性

指涂料刷涂或噴涂在物體表面上，經(jīng)一定的時間后，觀察涂膜是否能平行流展成平滑表面的性能。測試方法：將試樣調(diào)至施工黏度，涂刷在已有底漆的樣板上，使之平滑均勻，然后在涂膜中部用刷子縱向抹一刷痕，測定刷痕消失的時間來評級：不超過10min的為良好，10~15min為合格，經(jīng)15min后試樣表面尚未均勻者為不合格。第38頁,共56頁,2024年2月25日，星期天4.遮蓋力指色漆涂成均勻的薄膜，可使涂裝表面的底色不再呈現(xiàn)的能力。表示方法:（1）遮蓋單位面積所需要的最小用漆量，以g/m2表示；（2）遮蓋住底面所需要的最小濕膜厚度，以

m來表示。測試方法：采用單位面積重量法

X-遮蓋力，g/m2；m-黑白格板完全遮蓋時涂料用量，g；A-黑白格板涂裝面積，cm2。第39頁,共56頁,2024年2月25日，星期天5.干燥時間

由于涂料的完全干燥需要時間較長，一般只測定涂料的表面干燥時間和實際干燥時間。

(1)表面干燥：將棉球放在漆膜上，在距棉球10~15cm處，用嘴沿水平方向輕吹棉球，如能吹走，膜面不留棉絲，即認為達到了表面干燥。

(2)實際干燥：在漆膜上放一片濾紙或一個棉球，在上面輕輕放一個底面面積為1cm2、重200g的干燥試驗器，經(jīng)30s，移去儀器，將涂漆樣板翻轉(zhuǎn)（漆膜向下）。若濾紙能自由落下，并且纖維不被黏在漆膜上，即認為達到了實際干燥。第40頁,共56頁,2024年2月25日，星期天6.漆膜的硬度

漆膜的硬度是是測試漆膜表面對作用其上的另一個硬度較大的物體所表觀的阻力。測定：采用克列曼硬度測試法。用儀器的刀尖刮破漆膜前，漆膜所承受的最大負荷來表示。第41頁,共56頁,2024年2月25日，星期天7.漆膜附著力表征漆膜與被涂物體表面通過物理和化學(xué)作用結(jié)合在一起的堅固程度的指標。測試方法：（1）用保險刀片在漆膜上切幾道平行的切痕，應(yīng)該切穿漆膜整個深度，然后再切同樣的幾道切痕，與前者垂直，形成許多小方格，用手指輕輕觸摸，漆不從小方格中脫落，仍與底版牢固結(jié)合者為合格。第42頁,共56頁,2024年2月25日，星期天

畫圖法附著力的分級

測試方法：（2）畫圈法采用附著力測定儀

畫圖法附著力測定儀第43頁,共56頁,2024年2月25日，星期天二、涂料配方設(shè)計原理

（一）顏料加入量

顏料(包括填料)的加入量表示方法：（1）質(zhì)量分數(shù)：以配合涂料總量為100%，計算各類加入物所占的質(zhì)量分數(shù)?？捎妙伭虾筒粨]發(fā)基料之間的重量關(guān)系表示，稱為顏-基比。

（2）顏料體積濃度：

P.V.C.=顏料和填料的體積/（顏料和填料的體積+固體基料的體積）×100(%)第44頁,共56頁,2024年2月25日，星期天臨界顏料體積濃度(C.P.V.C.)：當涂膜中顏料體積超過某一特定值時，許多涂膜性能突然發(fā)生顯著的變化的顏料體積濃度。

顏料體積濃度(P.V.C.)對色漆性能的影響

任何涂料的C.P.V.C.都表示這樣一點：P.V.C.增加到這一點時，基料恰好能潤濕所有的顏料粒子。第45頁,共56頁,2024年2月25日，星期天（二）溶劑相重要作用：控制液態(tài)涂料的黏度；控制和改善干燥速度及流動特性；影響非轉(zhuǎn)化型涂料的成膜過程及涂膜的最終使用性能。產(chǎn)生問題：漆膜“發(fā)白”“干噴”涂膜中產(chǎn)生氣泡第46頁,共56頁,2024年2月25日，星期天三、涂料的配制

涂料的生產(chǎn)過程包括成膜物的合成、配合劑的選擇、調(diào)配等工序。涂料的成膜物是各類高分子化合物。制成一種能夠滿足使用對象要求的涂料，還需與其它材料相配合。第47頁,共56頁,2024年2月25日，星期天（一）清漆的配制清漆是不帶顏料、填料的涂料，由成膜樹脂與分散介質(zhì)和添加劑混合而成。

1.分散介質(zhì)的選擇要注意溶解能力、揮發(fā)速度，還應(yīng)有高的閃點、低毒性、無色、透明、無雜質(zhì)、價格低廉。

2．清漆的精制原材料中可能含有的不溶物質(zhì)在清漆包裝前應(yīng)予除去。方法有篩網(wǎng)法、機械法、自動化法。第48頁,共56頁,2024年2月25日，星期天（二）色漆的配制在清漆中加入顏料得到的涂料稱為色漆。色漆的生產(chǎn)步驟:

混合研磨調(diào)漆調(diào)色性能測試過濾包裝第49頁,共56頁,2024年2月25日，星期天四、涂層形成原理(一)成膜方式

溶劑揮發(fā)成膜

溶劑與漆膜結(jié)構(gòu)的關(guān)系