粉末涂料与表面张力一粉末涂料与表面张力一陈珊妮

粉末涂料与表面张力(一),粉末涂料与表面张力(一)

1 引言粉末涂料是一种以空气为载体进行分散并涂装的涂料品种，以极高的生产效率、优异的涂膜性能、良好的生态环保性和突出的经济性征服了整个涂料界。在世界范围内，每年以10%以上的速度增长，是最具发展前景的涂料品种之一。粉末涂料在烘烤成膜过程中，许多现象都是和表面张力紧密相关的，比如缩孔、桔皮、针孔、脱层等本文试图以表面张力理论为基础，结合粉末涂料自身特点，对整个成膜过程及出现的一些现象进行讨论，希望能给从事粉末涂料技术研究的同仁一点帮助。2 粉末涂料的制造和涂装过程2.1粉末涂料的制造粉末涂料配方一般是根据客户对产品的技术要求和自身生产环境来确定的。我们应客户的要求进行配方设计，需要保证生产的合理性，宗旨就是最大限度的满足客户所需的技术和批量生产的要求。粉末涂料的生产过程如下：2.2 粉末涂料的涂装涂装生产线是根据涂装工件的技术要求和生产批量来确定的。粉末涂料的涂装过程如下： 2.3 粉末涂料的成膜过程粉末涂料一般以粉末状态存在，必须熔融后才能附着在被涂物表面，流平后固化成膜，一般需要经过三个过程： 由单独的粉末颗粒聚集成为一层连续的不平整的膜，此过程称为聚集过程。 通过连续不平整的表面流淌形成较为光滑平整的表面，即流平过程。 熔融的涂料液通过交联反应，粘度不断增高，最后固化为坚硬的涂膜，称为固化过程。我们可以用图1表示这3个过程。粉末底材 聚集 流平 图1 粉末涂料的成膜过程3 表面张力理论的简述3.1 表面张力和表面能通常情况下，要使某一体系形成新的表面是需要做功的，或者说需要给体系一定的能量，如常见的吹肥皂泡，它是需要外加一定能量的，这说明表面比本体有更大的能量。表面能是指在平衡状态下单位表面积的能量增加值，而具有流动性的液体，人们一般认为是处于平衡状态的，我们可以用作用在单位长度上的力来表示，这个力称之为表面张力。表面能的SI单位mJ/m2，表面张力的SI单位是mN/m,它们同量纲、同数值，常用希腊字母у表示。对某一体系而言，若组成一定，它的表面张力在一定温度和压力下是恒定的，若增加表面积△A，体系能量的增加△G有如下的公式：△G=y△A 由此可知，任何体系都是趋向处于能量最低的状态。式表明，液体只有趋向于表面积 △A最小，才能使体系的能量降低。通常我们所看到的水滴呈球状，就是因为在各种形态中，球形的表面积是最小的，故而下雨时，雨滴总是呈球状。同理对于式，如果表面积△A不变，使体系能量降低的方法便是使表面张力y降低。通常物体为降低自身体系能量，总会去吸附一些表面张力比自己低的物质。例如一般衣物总易沾上油类低表面张力物质。在粉末涂料熔融流平时，多组分共存的体系其表面张力低的物质总是趋向于富集在涂膜表面，以降低整个体系的表面张力。有些非化学消光的蜡粉就是利用此原理来达到消光目的的。3.2 表面张力在界面上的应用我们所说的表面是指液体或固体与空气的界面，表面张力与表面能的理论适用与一切界面，在任何界面上都存在界面能或者称为界面张力。当液体滴落在固体表面时，形成固、液、气三相相交的情形，自固/液界面经液体内部到达液/气界面的夹角，我们称之为接触角，用θ表示。我们对接触角顶点作力的分析，接触角与固/气的界面张力、固/液的界面张力、液/气的界面张力之间存在如下的方程关系：ygs-ysl=ylgcosθ GylgL yslθ ygsS图2 界面上的表面张力分析式我们称之为润湿方程。从式可知，欲使液滴铺层流平，即θ 0°，那么ysg越大越好，ysl越小越好。通常粉末涂料颗粒熔融时的表面能与一般液体相近，所以可用此式分析粉末涂料的成膜过程。3.3 常用物质的表面张力值常用物质的表面张力如表1所示。表1 常用物质的表面张力常见液体 y/mNm-1 常见固体 y/mNm-1正乙烷 18.4 聚四氟乙烯 18正辛烷 2.8 聚三氟乙烯 22乙醚 17.0 聚乙烯 31四氯化碳 26.9 聚苯乙烯 33间-二甲苯 28.9 聚乙烯醇 37甲苯 28.5 聚甲基丙烯酸甲酯 39苯 29.0 聚氯乙烯 43三氯甲烷 28.5 尼龙66 461,2-二氯乙烷 32.2 石蜡 26二硫化碳 32.2 含氟月桂酸 6水 72.8 硬脂酸 24汞 484.0 苯甲酸 53由表1可知，固体中含氟聚合物的表面张力比较低，式说明氟聚物是不易被润湿的。二甲苯在聚四氟乙烯表面是不能展开的，而在尼龙66表面则可以展开。4与表面张力有关的问题4.1 桔皮桔皮是粉末涂料在成膜过程中液体流动产生的一种局部涡流效应，也称为贝纳德旋涡。粉末涂料熔融时的粘度变化导致表面张力的变化，使高粘度低表面张力的涂料液下沉至涡流的中间；而低粘度高表面张力的涂料液则上升至涡流的周边，见图3。图3 粉末涂膜桔皮的形成为了减少桔皮的影响可采取如下措施：喷涂和烘烤工艺的规范化一道涂层太厚或烘烤升温过快都会导致明显桔皮，一道涂层应控制在50~70μm，另外熔融流平的时间应长些，这样有利于粉末涂层的流平。增加粉末涂料的粘度由上述讨论可知，增加粉末涂料的熔融粘度，可以增大熔融时的流动阻力，减少桔皮。恰当的选用流平剂粉末涂料选用的流平剂应具备两种功效，即润湿效应和流平效应，润湿效应是指在100℃左右时流平剂可增加粉末体系的润湿性，此时表面张力尽量小一点；当温度高于150℃时流平效应占主要地位，粉末的表面张力应该大一点。所以流平剂一般选用两种以上。4.2 缩孔缩孔是指在粉末涂料成膜时，涂层表面由于低表面张力杂质引起的特殊缺陷。若用电子显微镜观察，缩孔大多数是由未被充分润湿的小颗粒与周围不相容的树脂所形成的圆涡，即在一个较大的下陷圆涡中有一个突出的小点。如图4所示，涂膜从低表面张力点流向高表面张力点而形成缩孔，一般低表面张力点可以是加工过程中的灰尘、油滴等，也可以是未被充分润湿的粉料。图4 涂膜缩孔的形成 为减少缩孔的影响，可以采取如下措施：对整个加工环境的清洁为避免外部环境因素导致缩孔的产生，要特别注意整个工作环境的清洁。恰当选取润湿剂润湿剂可以有效润湿并且很好地分散易引起缩孔的小颗粒。增加粉末涂料的粘度4.3 针孔针孔是指粉末涂料从熔融到固化的过程中，粉末涂料中的气体从底层穿过高粘度的、已接近封闭的弹性树脂层到达涂层表面，而未逸出所形成的缺陷。粉末涂料中的气体是由原料带来的低分子物质或被涂工件表面吸附的挥发物所产生的，某些粉末在喷涂或固化过程中也会产生气体。这些气泡在熔融状态的涂膜中形成一定数量的气泡群，如前所说，气泡的形成需要大量的表面积，这些表面积的产生则与涂膜的表面张力相反抗，所以涂膜的表面张力比较低时，形成一定量的稳定气泡所需的能量也比较低。在正常情况下，由于小气泡的压力比大气泡中的压力高，所以小气泡中的气体通过相邻界面膜而向大气泡中扩散，小气泡便不断变小，大气泡不断变大，最终使得气泡膜越来越薄，最终破灭。最常见的例子如盆中的肥皂泡，但气泡的破灭是需要条件的，如时间等。为减少针孔的影响，可采取如下措施：严格控制表面预处理质量和喷涂工艺表面预处理好，要求工件表面不得含污点、斑点等小分子物质。若是铸铁等大工件，建议先预热一下。另外空压机要经常放水，静电喷涂时要控制一定的涂膜厚度，建议不要超过100μm。恰当选用消泡剂粉末涂料用的消泡剂是苯偶姻，也有一些用于特殊场合的透气剂。消泡机理可简述如下：首先是消泡剂和气泡的接触，然后是消泡剂在气泡的界面上展布，随后消泡剂进入气泡内或置换气泡膜，最后导致气泡的破灭。4.4 其它若粉末涂料与底材的表面张力或表面能没有调整好，底材表面能与涂膜的表面张力不匹配，或者涂层很厚时，可能出现附着力差的现象，严重时可能出现脱层。另外我们有时会遇到做金属粉时，总会出现一些花点，这可能是我们在喷涂时带入了一些低表面张力的物质。总之，这些问题需要我们认真分析，表面张力理论将给予我们很大的帮助。5 结语我们深信，热固性粉末涂料的发展必然是大势所趋。产品的不断推陈出新为粉末涂料的应用拓展了更为广阔的领域，不断推动整个粉末涂料业向前发展。表面张力作为粉末涂料成膜的关键因素，如何认识表面张力，并且在此基础上更好的结合粉末涂料的自身特点，创造出更加完美的粉末涂料涂膜性能，具有非常重要的意义。

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