涂料流平 流变学与界面学原理
涂料中的流变学与表面化学
的推力，使涂料从底层
往上层运动 ，这种运动 导致局部涡流，形成所 谓贝纳尔旋流窝。
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贝纳尔旋流 窝
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五.发花和浮色 1.发花 发花是指施工后漆膜中颜料不均匀分布，使 外观呈花斑（蜂窝状条斑）。
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2.浮色 浮色是指漆膜表面颜 色与底层颜色不同，施工 后漆膜颜色呈均匀变化。 发花和浮色都与溶剂挥发形成的贝纳尔漩涡有 关：当漆料运动时也带动悬浮的颜料粒子运动，如
（1）铺展的含义 铺展是指一滴 液体能在另一种不 相溶的液体表面或 固体表面上自动形 成一层薄膜的现象。
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（2）铺展过程中的自由能变化
当铺展面积为单位面积时，自由能变化为：
G ( SL LG ) SG
一般说，铺展后，表面自由能下降，则这种铺 展是自发的。 令
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3.非离子型表面活性剂
在水溶液中不是解离状态故称之为非离子表面 活性剂。
(1)结构组成 ①亲水基团 (甘油、聚乙二醇、山梨醇)； ②亲油基团(长链脂肪酸、长链脂肪醇、烷基或芳 基)； ③酯键、醚健。
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(2)性质
毒性小，溶血作用较小，化学上不解离，不易受 电解质，pH值的影响。
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1,g
2,g
1 2
1,2
设液体 1 和 2 的表面张力和界面张力分别为 γ1,g, γ2,g 和 γl1,2 。在三相接界点处， γg1,g 和 γg1,2 的作用 力企图维持液体1不铺展；而γg2,g的作用是使液体铺 展，如果γg2,g>(γg1,g+γg1,2)，则液体 1能在液体 2上 铺展。
涂料流平机理及流平剂的使用
涂料流平机理及流平剂的使用涂料的流平是指涂料在施工过程中均匀、平整地分布在涂装面上的能力。
涂料流平的好坏直接影响着涂装面的质量和外观效果。
涂料的流平机理主要与涂料的表面张力、流变性质、挥发性有关。
涂料的表面张力是影响流平性能的重要因素。
表面张力可以理解为液体分子间的相互吸引力。
当涂料分子之间的相互吸引力较大时，涂料涂在物体表面时会形成凸起，无法达到平整的效果。
因此，为了改善涂料的流平性能，常常会加入一些流平剂。
流平剂是一种能够通过降低表面张力来改善涂料流平性能的添加剂。
流平剂通常由有机化合物组成，可以通过两种方式减小涂料的表面张力：降低涂料液体分子间的吸引力或在涂料表面形成一层具有较低表面张力的薄膜。
降低分子间吸引力的流平剂通常是表面活性剂，可以使涂料中的颗粒分散均匀，减少颗粒间的接触力。
这种流平剂主要用于有粒子的涂料，如溶胶、乳胶等，在干燥过程中，通过流平剂的作用，涂料颗粒分散均匀，使表面得到平整。
在涂料表面形成一层低表面张力的薄膜的流平剂，则是通过在涂料表面形成一层有机薄膜，这层薄膜具有较低的表面张力，可以使涂料流平成为一层平整均匀的薄膜。
这种流平剂主要用于溶剂型涂料，由于挥发性溶剂的不断蒸发，流平剂分子会聚集在涂料表面，形成薄膜，该薄膜能够降低涂料表面的表面张力。
使用流平剂时需要注意以下几点：1.流平剂的选择：根据涂料的类型和要求选择适合的流平剂。
不同类型的涂料需要不同的流平剂，所以选择流平剂时要考虑涂料的成分和性质。
2.流平剂的添加量：流平剂的添加量应适量，过量添加会导致涂装面出现起泡、流挂等问题，而添加量太少则无法起到流平的效果。
通常，根据涂料的粘度和流平要求确定添加量。
3.搅拌：在使用流平剂之前，应充分搅拌涂料，使流平剂均匀分散在涂料中。
搅拌的时间应根据流平剂的特性而定，一般不超过10分钟。
4.涂布方式：涂料的流平性能受到涂布方式的影响。
在使用流平剂时，可以采用刷涂、辊涂或喷涂等方式，以充分发挥流平剂的作用。
涂料中的流变学与表面化学
润湿性是指涂料能够完全覆盖被涂物 表面的能力。良好的润湿性可以提高 涂料的附着力和覆盖力，使涂层更加 均匀。
涂料的表面张力
涂料的表面张力决定了其润湿性和流 平性。低表面张力的涂料能够更好地 润湿被涂物表面，而高表面张力的涂 料则容易形成缩孔或桔皮现象。
表面化学在涂料中的应用
提高附着力
通过降低被涂物表面的能级，增加涂层与被涂物之 间的相互作用力，从而提高涂料的附着力。
涂料中的流变学与表面化学
目
CONTENCT
录
• 引言 • 涂料中的流变学 • 表面化学在涂料中的作用 • 涂料中的流变学与表面化学的关系 • 案例分析
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引言
目的和背景
研究涂料中流变学与表面化学的相互作用，旨在深 入了解涂料的性能和应用。
随着涂料行业的不断发展，对涂料性能的要求也越 来越高，因此需要从多个角度研究涂料的性能。
表面化学特性
UV涂料的表面能较低，这有助于提高涂层的抗水性和抗化学 品性能。同时，UV涂料的表面较为粗糙，这有助于提高涂层 的附着力。
案例三：高固含涂料的流变学与表面化学特性
流变学特性
高固含涂料具有较高的固体含量，粘度较大。其流变行为受固体颗粒的大小、分 布和相互作用的影响。在制备和施工过程中，高固含涂料的流变性需要特别关注 以防止涂层缺陷。
03
表面化学在涂料中的作用
表面化学基本概念
表面张力
表面张力是液体表面所受到的垂直于液面方向的作用力，它使得 液体表面尽可能收缩。表面张力的大小取决于液体的性质和温度 。
表面活性剂
表面活性剂是一种能够显著降低液体表面张力的物质，它具有亲 水基团和疏水基团，可以吸附在液体表面，降低表面张力。
涂料中的流变学基础知识和应用
涂料中的流变学基础知识和应用流变学是描述物体在外力作用下产生流动和形变规律的科学。
一、简单配图交代以下三个基本概念“剪切应力”“剪切速率”“粘度”1、剪切应力是物体单位面积切线上受到的力2、剪切速率是物体层间移动快慢的表征举个栗子比如刷0.5mm厚的漆，涂刷时剪切速率的计算：3、粘度是流体内部阻碍其流动的程度大小公式上：粘度=剪切应力/剪切速率粘度的国际标准单位是帕斯卡.秒而涂料行业通用单位是泊（厘泊cP）换算一下：1Pa.S=1000cP二、下面根据这三个概念介绍流体的种类最常见的是牛顿流体（水，大部分有机溶剂等）特点是：剪切应力与剪切速率的关系呈直线正相关，在给定温度下流体粘度与剪切速率无关。
见下图非牛顿流体的粘度受剪切速率的影响假塑性（塑性）流体：粘度随剪切速率的增加而降低（称为剪切变稀）膨胀性流体：粘度随剪切速率的增加而升高（称为剪切变稠）触变性：剪切变稀，随着剪切时间延长粘度继续降低震凝性：剪切变稠，随着剪切时间延长粘度继续升高总结到下表三、涂料生产应用中的流变学运用涂料在生产施工的整个过程中，所受剪切情况大致如下1、涂料在生产制备阶段，颜填料的分散多在较高的剪切速率下进行。
较低的研磨粘度或分散速率导致涂料内部呈湍流状，颜填料分散不均匀容易导致颜料团聚，从而影响涂膜遮盖力光泽等性能。
2、在涂料储存过程中，剪切速率特别小。
此时颜填料及其他固体物质在重力的作用下一直下沉到容器底部，这个过程称为沉降。
涂料沉降发生在低剪切速率的情况下，所以提高低剪切速率下涂料的粘度对防止颜料沉淀至关重要。
——平衡颜填料粒径分布（采用小粒径代替大粒径）——尽量降低溶剂和表面活性剂的用量，因为他们会降低低剪切速率下的涂料粘度——选择合适增稠剂3、涂料施工中的沾漆与粘度的关系——中等剪切速率下的操作状态当涂料非常粘稠，静置在罐内时就结构化，这样的涂料难以涂装但是，涂料在罐中非常稀的话，会导致涂料再刷滚转移中滴落，施工时垂直表面容易流挂，辊涂时容易飞溅。
第五章涂料中的流变学与表面化学
Wa LG (1 cos ) Wi LG cos S LG (cos 1)
1800,可沾湿； ＜900，可浸湿； ＝00，可完全铺展。
表面张力低得液体有向表张力高得固体表面铺展得倾向。
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5、2用、i表3粗示糙其粗表糙面度得: 润i 湿AALi
Ai为真实得表面积,AL为Ai得投影面积,对于液体i=1,对 于固体,i≥1。
以铺展情况为例:
E1 SGi E2 SLa LG (i a) i LG SG (i a) S E1 E2 (a i)[( SG SL )i LG (a 2i) a]
P85 18
SG SL LG cos
当界面完全接触时,即a=i,再引入本征接触角得概念,可 得
G SL ( SG LG )
粘附功 Wa G 若 Wa 0 此过程可自发进行。 若将上述过程得固体改为液体,则:
G 0 ( LG LG ) 2 LG
内聚功,反映液体自身结合得牢固度,就是液体分子间相互作用力 大小得表征。
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2、浸湿 指得就是固体浸入液体得过程,如颜料置入漆料过程。
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5、3流平与流挂
涂料施工后能否达到平整光滑得特性,称为流平性。
当涂料涂布于一个垂直表面时,由于重力,涂料有向下流动得倾 向,可能引起表面不平整得情况,称为流挂。
5、3、1流平性 当涂料涂刷在基材上时,会留下刷痕,刷痕可因涂料干燥前得流 动而减轻。当涂料流平性差时,肉眼可以观测到表面不平得现 象。刷痕有如一个波形。 流平用Orchard公式评价:
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5、1、3 温度对粘度得影响
按分子热运动得孔穴理论,低分子液体得粘温关系可用 Andrad方程表示:
E
(T ) Ae RT
(E—流动活化能 ) 对某种液体,在适当得温度变化范围内,E近似为定值
流平剂作用原理总结
流平剂作用原理总结一.流平的概述涂料施工后，有一个流动及干燥成膜过程，然后逐步形成一个平整、光滑、均匀的涂膜。
涂膜能否达到平整光滑的特性，称为流平性。
在涂料实际施工过程中，常出现的涂膜缺陷有橘皮,鱼眼,缩孔,针孔,缩边,贝纳得漩涡,气流敏感及由于流平性不好，刷涂时出现刷痕，辊涂时产生辊痕都称之为流平性不良，这些现象的产生降低了涂料的装饰和保护功能。
影响涂料流平性的因素很多，溶剂的挥发梯度和溶解性能、涂料的表面张力、湿膜厚度和表面张力梯度、涂料的流变性、施工工艺和环境等，其中最重要的因素是涂料的表面张力、成膜过程中湿膜产生的表面张力梯度和湿膜表层的表面张力均匀化能力。
改善涂料的流平性需要考虑调整配方和加入合适的助剂，使涂料具有合适的表面张力和降低表面张力梯度的能力。
二.流平剂的作用涂料在润湿基材后，控制其流动至最终流平的助剂称为流平剂，流平剂可以解决以下问题：三.流平的主要影响因素1.表面张力梯度------液------气界面● 里层和表层的表面张力梯度导致紊流● 消除表面张力梯度是获得平整表面的要素2. 表面张力------液------固界面比底材低的表面张力,使涂料拥有更好的底材润湿力● 降低涂料的表面张力降低处于表面的分子之间的吸引力,从而促使更好的流动。
四．流平速度的影响因素● 粘度越大，流平越慢● 涂膜越厚，流平越快● 表面张力越大，流平越快五．不同流平剂的作用机理及特性1) 消除表面张力梯度2）降低体系表面张力。
● 有机硅类:-- 明显降低表面张力-- 良好的迁移性能消除表面张力梯度● 丙烯酸酯类:-- 不明显降低表面张力-- 不向表面迁移-- 在涂层内部定向,调整局部表面张力同一性有机硅流平剂有两个显著特性。
性能有机硅聚丙烯酸酯流平优异好流动好优异抗缩孔优异一般底材润湿好一般稳泡是否滑爽是否层间附着是否添加量小大●有机硅流平剂一是可以做到显著降低涂料的表面张力，提高涂料的底材润湿能力和漆膜的流动性、消除Benard旋涡从而防止发花。
涂料流变学概论
涂料流变学概论
涂料流变学是应用物理学到涂料领域的一门学科，其主要研究的是涂料的物理性能及其流变特性，它的目的是更好地控制涂料的流变过程，从而使涂料具有良好的涂料性能，以满足实际工程应用的需求。
涂料流变学主要包括涂料流变机理研究、涂料流变性能测试和涂料流变模型建立三个方面。
涂料流变机理研究是涂料流变学的核心内容，主要研究涂料流变过程中的机械和化学机理，包括反应物间的相互作用、涂料的分子动力学以及分子间的相互作用等。
涂料流变性能测试是衡量涂料流变性能的重要方法，主要包括涂料的黏度变化、流变行为、固结行为、气体和液体的比重、表观粘度等性能指标的检测研究。
涂料流变模型建立是涂料流变学研究的一个重要方面，该模型可以根据已有的实验研究成果，建立符合实际涂料流变现象的流变模型，为涂料的工艺设计提供有效的理论支持。
此外，涂料流变学还可以结合其他学科，如有机化学、高分子物理和分析化学，进行协同研究，从而更好地发掘涂料的性能优势，为涂料的研究与应用提供有价值的参考。
例如，可以利用高分子物理技术，定量描述涂料中分子结构的变化，并利用有机化学技术，研究涂料聚合体中反应物之间的相互作用，以及涂料中溶剂的流变特性，以更好地提升涂料的流变能力。
总之，涂料流变学是一门多学科交叉的学科，其目的是探索和研究涂料的流变行为，从而更好地控制涂料的流变性能，使其具有良好的涂料性能，以满足实际工程应用的需求。
涂料流变学的研究主要包
括涂料流变机理研究、涂料流变性能测试和涂料流变模型建立等研究内容，这些研究内容还可以和其他学科的理论和技术，如有机化学、高分子物理和分析化学等进行协同研究，从而为涂料科学、技术研究和应用提供重要的理论支撑。
涂料化学 No.7
流变曲线
改变流变性主要是改变粘度，涂料中改变 粘度的助剂有两大类：流变助剂,增稠剂 1） 能改变流变曲线（剪切应力---剪切速率） 形状，提高低剪切率下的粘度---称为流变 助剂。用于溶剂型涂料。有机膨润土，气 相二氧化硅等。 2)不能改变流动曲线形状，只能移动位置。 在高低剪切率下都能提高粘度----成为增稠剂 用于水性涂料。常用水溶增稠剂有：纤维素 醚，碱溶胀型树脂，和矿物增稠剂。
J
2
用单位面积上的自由能表示 m 是形成或扩张单位面积的界面所需要的最低 能量。 因此习惯上也用表面张力表示表面自由能。
6.2.2润湿作用与接触角
上面讨论的表面张力是指液体的表面张 力，是可测的， 固体的表面张力是无法测定的，
Zismian提出了“固体临界表面张力”的概念 以衡量不能直接测定的固体表面张力。
式中γ为表面张力．a。表示起始时的振幅， at 为时间振幅， Δt为流平到at 时所需的时间． 从式中可以看出，当涂料的粘度低时， Δt 小， X（涂层厚度）值高时 Δt小． Δt 值小表示流平 好，因此 流平好希望涂料粘度低，涂层厚．
流平 流挂
比较：溶剂型漆的溶剂挥发是逐步的， 粘度逐步增加，可以较好的流平
恒速启动
弹簧扭矩—时间曲线
等加速启动
弹簧扭矩—时间曲线
2、触变程度测定
触变程度可由递增剪切速率和 递减剪切速率在流动曲线中绘 出的，用滞后环所包围的面积 来衡量，面积大触变程度就大。
上面介绍的是第六章涂料的流变学 与表面化学中的流变学， 流变行为，
用黏度、屈服值、 触变程度、剪切速率得表达 及对涂料性能的影响
6.2.3润湿的动力学
SG
SL
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涂料流平应用了流变学与界面学原理，涂料流动性差，触变性强，流不平属于流变学问题；涂料在基材表面铺展或收缩（润湿或不润湿）行为属于界面学行为。
一般涂料的低表面张力有利于对基材的润湿与铺展，但对流平无益；高表面张力有利于涂料的流平。
涂料出现流平问题时，一般从流变学与界面学两方面入手解决。
涂料研究者研究总结有如下涂料流平经验方程式：
其中a——涂层波峰的幅度（高度）
σ——涂料的表面张力
η——涂料黏度
h——涂层厚度或高度
t——涂层涂料流平时间
λ——波长或波峰之间的距离
C——常数
涂料流平与涂料黏度、表面张力、湿膜表面的规则程度或起伏度、涂层厚度、流动时间等有关。
较低的涂料黏度、较高的涂料表面张力、厚涂层、较长的流动时间、以及较小的需流平的痕迹或距离，涂层流平将更好。
涂料流平经验方程式
涂料涂于物体的垂直表面上，出现泪痕或垂幕现象，表现为涂膜厚薄不均，通常竖立面涂层上面涂层薄，下面涂层厚，涂膜缺乏平整。
平面涂层则涂膜边缘不整齐，不该覆盖的部位被覆盖了。
流挂原因：
涂料太稀、黏度过低
涂料低剪切黏度过低，流平性过好
涂料施工蘸漆料过多，涂膜施工过厚
涂料施工表面处理不彻底，有残留油、水等
预防流挂：
适当提高涂料黏度
调整涂料的流变性，适当提高涂料低剪切黏度
涂料施工根据涂料黏度的不同选用适当的工具，一般低黏度的涂料选用软的长毛滚筒，粘稠的涂料选用硬、短毛滚筒
涂刷施工蘸漆要均匀、适量，薄涂多层
彻底处理好基材表面，基材表面要求清洁、干燥、和牢固
流挂的原因很多，如漆料太稀、漆膜太厚、施工现场温度太高而涂料本身干性太慢、涂料中含重质颜料过多或附着力太差等，这都会造成流挂。
作为汽车涂料，其流挂、流平、遮盖、附着等性能应该是可以的，在施工中出现这个问题主要有两个原因：
1.偷工减料，本来要求是漆料不能太稠，不求一次就能遮盖，要分几次甚至是十几次喷涂，每次漆膜不能太厚，前道漆干透后才能再喷涂。
施工中为了省稀料，也为了少喷几次，就往往用稠漆，一次喷得太厚。
漆调稠了，纵使不流挂，也会因流平性差，导致光滑度极差，也往往因为太厚导致流挂；
2.工艺环境不合格，温度太低，干燥过慢。
涂料的触变性在改善涂层外观方面的作用
为了获得具有高品质外观的光滑涂层，在涂料使用或者在涂料干燥/固化的过程中，需要保持其充分的水平性，从而在减少涂料不规则表面产生的同时，避免流挂问题的发生。
在本文当中，主要介绍了涂料的触变性在增加涂料的抗流挂性、改善涂层外观以及扩大应用领域方面的重要作用。
向涂料当中添加流挂控制剂，可以使涂料具有触变性。
新近研发出的流挂控制剂（Sag Control Agents，SCAs）当中含有手性胺，并且这种新型流挂控制剂是非常高效的（获得一定抗流挂性时，所需的流挂控制剂的量较少），而与现有的SCAs相比，可以更好地抑制底物的透印粗糙度。
对于汽车罩光清漆（clearcoats，CC）等光滑涂料的主要要求之一是：涂料在经过固化之后要具有十分光滑的表面。
涂层的外观常常是多种不同因素综合作用的结果。
这些各不相同的因素包括：涂料的流变性能；使用涂层的厚度；在使用过程中所产生的初始表面粗糙度；涂料的表面张力以及涂料的梯度变化；干燥和固化的条件；与溶剂的混合性以及使用涂料的（包覆）基底物表面的粗糙度。
显然，要想确定诸如涂料的流变性与涂层最终外观之间的关系是十分困难的。
但是我们可以进行很直观的理解：涂料必须具有足够低的粘度从而可以进行充分的流平，以消除喷涂过程所产生的所有的表面不规则性。
另一方面，涂料又必须具有一定的粘度以避免流挂缺陷的发生，例如形成泪帘或流挂帘等。
从这个角度来讲，我们就可以理解充分的流平性和最小化的流挂缺陷常常是两个相互矛盾的要求，而在实际情况当中必须对涂料的流变性能进行精确的控制，从而获得涂料流挂性和流平性两种性能的最佳平衡。
许多年前我们引进了几种流挂控制剂，这些流挂控制剂是1，6-六亚甲基二异氰酸酯（1,6-hexamethylenediisocyanate，HDI）和苄胺（benzylamine，BA）的反应产物。
由于这类流挂控制剂可以使涂料具有乳白色不透明的外观，因而被称为“非透明SCA”。
这些非透明SCA的晶体颗粒可以在涂料中形成弱的三维网络结构。
该三维网状结构在剪切力存在的条件下会遭到破坏，但是当剪切力减少时又会经过一段时间而重新建立；该性质也使涂料具有了触变性。
在高温条件下，例如在OEM的烘干过程中（>100℃），这些HDI-BA晶体将会完全熔化或溶解，并且在最终涂层中将会变得完全透明从而可以将其应用于透明涂料中。
下降波动法
为了对涂料在干燥和固化过程中的流挂性和流平性进行定量的分析，我们已经研发出了一种光学（非接触式）分析方法——下降波动法。
16在该方法中所使用的涂料层需要具有规定的初始表面粗糙度，这种一定的表面粗糙度是通过使用正弦波应用软件生成的（图1）。
当使用涂料后，直接将涂层包覆的底物转移至装有下降波浪仪的温控支撑盘上，并开始进行试验。
在实验过程中对涂层表面进行照明，将光滑涂层表面所反射的光通过相机进行记录并且在电脑上利用图像分析软件进行分析和储存。
专业的分析软件可以通过反射图样对波纹的位置和形状进行量化的计算。
插图1表示的是在涂层干燥和固化的不同时间间隔当中，通过测定得到的单一波形的位置和形状的变化实例。
图1: 下降波动分析仪的原理示意图。