粉末涂料與附著力相關(guān)知識(shí)整理

2024/07/24

粉末涂料，它是一種微細(xì)的粉末狀態(tài)，跟其他一般涂料的形態(tài)完全不同。粉末涂料以其節(jié)能環(huán)境友好、無(wú)污染可回收的特點(diǎn)，在現(xiàn)代工業(yè)中廣泛應(yīng)用，是工業(yè)中非常重要的組成部分。粉末涂料技術(shù)的提示跟人們?nèi)粘Ｉ詈透咝录夹g(shù)發(fā)現(xiàn)密切相關(guān)。附著力作為粉末涂料機(jī)械性能中得基本性能，但并沒(méi)有合理的科學(xué)根據(jù)，本文將對(duì)粉末涂料附著力影響因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究探討。

2 粉末涂料成膜及附著機(jī)理
粉末涂料一般在粉末狀態(tài)下經(jīng)靜電涂裝至工件上，經(jīng)過(guò)聚集、流平、固化三個(gè)過(guò)程后固化成膜。粉末涂料涂膜的附著機(jī)理分為機(jī)械附著和化學(xué)附著。機(jī)械附著力取決于底材的性質(zhì)（如粗糙度、多空性）以及所形成的涂膜強(qiáng)度；化學(xué)附著力指涂膜和底材之間界面的作用力，包括靜電的力、范德華吸引力、氫鍵及化學(xué)結(jié)合力，這些決定了涂膜對(duì)被涂物體表面的附著性。

3 附著力
3.1 附著力涵義
目前，國(guó)內(nèi)外化學(xué)家還沒(méi)有對(duì)附著力下一個(gè)確切的定義，一般在大多數(shù)情況下，認(rèn)為分開(kāi)涂膜涂層與底材兩個(gè)相互粘連的界面所需要做的功，暫且稱(chēng)為涂層的附著力（檢測(cè)儀器：附著力測(cè)試儀）。

涂層與底材之間的界面，稱(chēng)心狀態(tài)下，底材光滑平整，那么將底材和涂層聯(lián)系在一起的作用力是單位幾何面積上的界面吸力，實(shí)際底材都是具有微小尺寸的粗糙表面。所以涂層與底材表面之間的實(shí)際接觸面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其幾何面積，由于表面粗糙度存在于微觀甚至亞微觀尺度，此種情形類(lèi)似于液體滲入毛細(xì)管，故可以引入如下的方程式：

粉末涂料與附著力相關(guān)知識(shí)整理配圖1

需要說(shuō)明的是涂層的表面張力高，滲透速率Lt-1就較大，毛細(xì)管的半徑是底材的變量，非涂層的變量。特別關(guān)注的一個(gè)變量是粘度，從微觀和亞微觀尺度，裂紋和小空，涂膜涂層中的一部分顏填料與聚合物顆粒都至少比一些表面不規(guī)則尺寸要大，因此臨界粘度是涂層連續(xù)（外）相的粘度，而不是涂料的總體粘度。外相的粘度越低，滲透得越快，粉末涂料成膜過(guò)程是一個(gè)粘度從高到低再到高的過(guò)程，如圖1所示。

粉末涂料與附著力相關(guān)知識(shí)整理配圖2

把粉末涂料涂覆到被涂物上面，經(jīng)過(guò)加熱烘烤，粉末開(kāi)始熔融，并將粉末粒子之間的空氣排出，熔融的粉末涂料逐漸流平，逐步失去流動(dòng)性固化成膜。

當(dāng)反面開(kāi)始熔融時(shí)粘度很大，隨著烘烤時(shí)間的延長(zhǎng)，粘度下降得很快，這個(gè)區(qū)域叫做熔融區(qū)域；然后熔融的粉末涂料的粘度開(kāi)始緩慢地增加，當(dāng)涂膜的表面基本上看不到流動(dòng)時(shí)，這個(gè)區(qū)域叫流動(dòng)流平區(qū)域，這時(shí)的涂膜用鋼針拉絲時(shí)還可以拉成細(xì)絲；接著涂膜失去流動(dòng)性，開(kāi)始明顯膠化，完全失去流動(dòng)性，此時(shí)涂料被固化，這一區(qū)域叫做交聯(lián)固化區(qū)域。

假設(shè)引起粉末涂料流動(dòng)的主要力是表面張力，當(dāng)涂膜厚度比通常的厚度（25～75）μm 大時(shí)，重力成為重要的因素。在烘烤時(shí)涂料的熔融粘度起著阻礙流動(dòng)的作用，如果表面張力引起的熔融涂層的流動(dòng)，那么粉末粒子的曲率半徑將起著決定的作用。因?yàn)橐饍蓚€(gè)球型粒子間的壓力與被粒子半徑隔開(kāi)的涂料表面張力成比例關(guān)系，其流動(dòng)時(shí)間t可以用下面的公式表示：

粉末涂料與附著力相關(guān)知識(shí)整理配圖3

所以，保持足夠長(zhǎng)時(shí)間的低粘度對(duì)有效滲透來(lái)說(shuō)是很重要的。

3.2 影響附著力的幾個(gè)因素
3.2.1 粘度

一般樹(shù)脂熔融粘度隨分子量的增大而增大，其他條件相同的情況下，期望采用較低分子量的樹(shù)脂來(lái)賦予涂層交聯(lián)后優(yōu)異的附著力，事實(shí)證明確實(shí)如此。低分子量樹(shù)脂的另一個(gè)可能優(yōu)點(diǎn)是他們的分子能比高分子量樹(shù)脂分子滲入更小的縫隙。

3.2.2 潤(rùn)濕效應(yīng)及表面張力

涂膜的附著力，產(chǎn)生于涂料與被涂金屬表面極性基的相互吸引力，而這種極性基的相互力取決于涂料對(duì)被涂金屬表面的潤(rùn)濕能力，這又取決于涂膜的表面張力。

如果液體的表面張力低于固體的表面自由能，那么液體在底材上能自發(fā)地展布，如果液體的表面張力太高，一滴液體將在固體表面保持滴狀,接觸角為180°，如果液體具有足夠低的表面張力，它可以在底材上自發(fā)地展布，接觸角是 0。對(duì)于一般情況，中等表面張力，有中等的接觸角。圖 2為接觸角的示意圖。

粉末涂料與附著力相關(guān)知識(shí)整理配圖4

（3）式表明的是個(gè)平面上接觸角為θ的底材表面自由能γsv、液體表面張力γlv、液體與固體之間的界面張力γsl之間的相互關(guān)系。

因此，降低表面張力，才能提高潤(rùn)濕效率，增加涂膜對(duì)金屬表面的附著力。

3.2.3 底材表面

一般，要求符合粉末涂料施工的底材表面的表面張力比任何潛在涂層的表面張力高。例如：如果金屬表面被油膩沾污，其表面張力非常低，此時(shí)，具有極性分子的涂料也不會(huì)得到附著力好的涂膜。

涂膜與被涂表面的粘附程度將隨成膜物質(zhì)極性增大而增強(qiáng)，因此在成膜物中加入各種極性物質(zhì)時(shí)，將會(huì)使附著力增大。一般，附著力可用下列基團(tuán)來(lái)提高：羧酸基（強(qiáng)氫給予基團(tuán)）、氨基（強(qiáng)氫接受基團(tuán)）、羥基、氨酯基、酰氨基、磷酸鹽。

另外，涂膜聚合物分子內(nèi)的極性基自行結(jié)合，也會(huì)造成極性點(diǎn)的減少，附著力會(huì)降低。例如：環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)底材的附著力好，主要是由于環(huán)氧樹(shù)脂與金屬間形成的氫鍵連接，-OH 以適當(dāng)?shù)木嚯x分散著，相互之間吸引困難，極性基沒(méi)有減少，所以涂層對(duì)底材產(chǎn)生良好的附著力。

當(dāng)然，附著力除了與聚合物的極性有關(guān)外，也取決于分子的移動(dòng)性，對(duì)于高分子化合物的大分子，移動(dòng)困難，當(dāng)其被涂在底材表面上熔融流動(dòng)于底材表面時(shí)，由于大分子的定向作用較差，極性基就不容易起吸附作用，這就是聚酯粉末涂料附著力低的主要原因。相反，在金屬表面上涂以較低分子狀態(tài)的成膜物質(zhì)，則低分子的極性基就容易吸附在底材表面上，得到較好的附著力，如采用小分子量固化劑固化環(huán)氧的純環(huán)氧粉末涂料的附著力就很好。

3.2.4 內(nèi)應(yīng)力

同類(lèi)物質(zhì)分子間的內(nèi)聚所引起的力，稱(chēng)之為內(nèi)應(yīng)力。涂層中的內(nèi)應(yīng)力能抵消附著力，使得只需較小的外力就能破壞粘合鍵。內(nèi)應(yīng)力是由于在剛性底材上成膜，涂層無(wú)法收縮產(chǎn)生的?？梢越档屯繉拥暮穸?，來(lái)縮小內(nèi)應(yīng)力；另外可以加入適當(dāng)?shù)念伭?，降低?nèi)應(yīng)力，所以一般色漆比清漆附著力要好。

3.2.5 其它

底材的表面處理也很重要，經(jīng)過(guò)打磨過(guò)的底材能增加涂膜的附著力，是由于底材表面形成粗糙不平的凹凸面，使有效的附著面積增大。

底材的材質(zhì)對(duì)附著力的影響也很重要。

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