涂料化学第五章涂料中的流变学与表面化学
涂料化学(仅供参考)
涂料化学（仅供参考）题型：名词解释；简答；问答；反应方程式；第一章绪论1、涂料的功能？⑴装饰作用：家庭环境⑵保护作用：金属防腐⑶标志作用：交通标志⑷特殊功能：导电，导磁，温控，伪装与隐形2、涂料的基本组成及其作用？成膜物：成膜物的性质对涂料的性能（如保护功能，机械功能）起主要作用；颜料：颜料起遮盖和赋色作用，以及增强，赋予特殊性能，改善流变性能，降低成本的作用；溶剂：用于改善涂料的可涂布性，帮助成膜物/颜料混合物转移到被涂物表面上；助剂：用于改善生产过程，提高产品质量和产量或是为产品赋予产品某种特有的应用性能。
3、涂料助剂的分类？⑴对涂料生产过程发生作用的助剂如消泡剂，润湿剂，分散剂，乳化剂⑵对涂料储存发生作用的助剂如防结皮剂，防沉降剂⑶对涂料施工过程发生作用的助剂如催干剂，固化剂，流平剂，防流挂剂⑷对涂料膜功能发生作用的助剂如增塑剂，平光剂，防霉剂，阻燃剂，防静电剂4、试从能源、材料及环境角度出发，谈涂料发展方向⑴从能源角度看：在保证质量的前提下，降低烘烤温度或缩短烘烤时间，即“低温快干”也是涂料发展的一个方向；⑵从材料角度看：研究高固体份涂料，水性涂料，无溶剂涂料（粉末涂料和光固化涂料），低表面能塑料用涂料，国防工业用耐高温涂料等特殊性能的专用涂料；⑶从环境角度看：应发展无毒、低污染的涂料。
第二章漆膜的形成及其有关的基本性质1、为什么明显结晶聚合物一般不能作为涂料用成膜物？①漆膜会失去透明性，因为聚合物中晶区和非晶区同时存在，折射率不同；②明显结晶作用会使聚合物的软化温度提高，软化范围变窄，流平性不好易产生流挂；③明显结晶作用会使聚合物不溶于一般溶剂，只有极强溶剂才有可能使其溶解，在某些情况下，甚至强极性溶剂也无效；④明显结晶会使漆膜的附着力下降2、涂料用聚合物的结构特点？（综合题）①非晶聚合物；②分子量分布窄，分子量要适中；③制成共聚物，破坏规整性；④支化，超支化聚合物（分子间距大，粘度小）3、影响涂料黏度的因素？（综合题）相对分子量↑，相对分子量分布，溶质的质量分布，溶剂的性质，大分子结构，温度↓，填料，氢键，剪切力。
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
01
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.
5.1.4分散体系的粘度
以上粘度与浓度的关系式仅适用于采用有机溶剂的溶液 体系。乳胶和加有颜料的溶剂型涂料都是分散体系。乳胶体 系的粘度与分子质量无关。可用Mooney公式来表示：
ln ln 0 K eVi Vi 1
η为体系粘度，η0为体系外相粘度，如乳胶中水相的粘度， 色漆中树脂溶液的粘度。Ke为爱因斯坦因子，与分散体的 形状有关，当分散体为球形时，其值为2.5；Vi为分散相 （内相）在体系中所占的体积分数； 为堆积因子，当分 散体为大小相同的球体时，其值为0.639，但当球形分散体 大小不同时，其值将增大。分散体的大小分布越宽时，越 大。 此公式本来用于分散体是刚硬粒子，且无相互作用的 情况下，但可定性解释一些涂料的现象。
5.1.3 温度对粘度的影响
按分子热运动的孔穴理论，低分子液体的粘温关系可用 Andrad方程表示：
E RT
(T ) Ae
（E—流动活化能 ） 对某种液体，在适当的温度变化范围内，E近似为定值
lg (T ) lg A B T
对于高分子的浓溶液，上式同样适用。对于分子量不同 的同种聚合物溶液，因E极其相近，有相似的粘温关系。 粘度是受很多因素影响而变化的，在一定条件下测得的粘 度值称为表观粘度。
5.1流变学问题
5.1.1流体的类型 粘度的定义和牛顿型流体
D
通常用和重力下落有关的粘度计测量的粘度， 都是动力学粘度。
单位，1Pa· s=10P(dyn· s/cm2)
动力学粘度 ＝
涂料中的流变学基本原理增稠剂的类型和选择
涂料和流变学的关系
涂料 A
涂料施工：流平流挂
涂料 B
涂料C
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涂料和流变学的关系
涂料施工：流平流挂
影响流平流挂影响因素 漆膜厚度 干燥速度 粘度（低剪切条件下）
最大的流平性和最小的流挂的目标相互矛盾 低剪切速率下的粘度降低有助于流平性，但同时增加了流挂 而增加漆膜厚度会加速流平，同时也增加了流挂
生物稳定性
纤维素
差 差 低 低 不敏感 不敏感 很好 低 不敏感
差
HASE TT-935, DR
很好 尚好-优 尚好-优 尚好-优 中度-敏感 中度敏感 取决于配方 不好-好
3.增稠剂的增稠机理
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增稠剂机理
羟乙基纤维素HEC增稠机理
H O
H
H O
H
H O
H
H O
H
H O
H
H O
H
◇ 增稠水相 (氢键) ◇ 粘度取决于分子量和极性基团的水合能力
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增稠剂机理
聚氨酯缔合型HEUR增稠剂增稠机理
(如:RM-2020NPR)
非离子表面活性剂
导致体积限制絮凝
水⇒
⇒
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纤维素醚类增稠剂的增稠效果
增稠前
增稠后
乳液增稠前后的电子显微照片罗门哈斯公司版权所有
增稠效果
缔合型增稠剂增稠效果
胶束结构
乳胶颗粒
水相中结构
与乳胶颗粒作用
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缔合型增稠剂的增稠效果
增稠前
增稠后
乳液增稠前后的电子显微照片
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涂料习题及部分答案1 - 副本
涂料化学习题及参考答案一、选择题（在下列各小题的备选答案中，请把你认为正确答案的题号填入题干的括号内。
每题1分，共20分）1、涂装是将涂料涂布到被涂物体的表面，经干燥成膜的工艺。
它包括涂装前 B 三个基本工序，包括 C ，确定良好的作业环境条件，进行质量、工艺管理和技术经济的分析等重要环节。
其中最关键的三要素是 A 。
A、涂料、涂装技术和涂装管理B、对被涂物表面的处理、涂布工艺和干燥C、选择适宜的涂料，设计合理的涂层系统2、助剂是涂料中的辅助组分，能对涂料或涂膜的某一特定方面的性能起改进作用。
助剂分A、B、C、D 等几类。
A、对涂料生产过程发生作用的助剂B、在涂料储存过程中起作用的助剂C、在涂料施工成膜过程中发生作用的助剂D、对涂料性能产生作用的助剂3、从涂料的角度看，A、C、D 聚合物作为成膜物是不合适的。
A、具有明显结晶作用的B、非晶态C、分子量太高的D、分子量分布太宽的4、涂料中漆膜触干，实干既是粘度大小的反映，也是自由体积大小的一种反映，因而也和T-Tg有关，它们的对应关系大致是：触干 A 、实干 C 、玻璃态 B 。
A、T-Tg≈55℃B、T-Tg≤0℃C、T-Tg≈25℃D、Tg≈T-100℃5、液体涂料（用于刷涂）的粘度为 C 。
A、0.001 Pa.sB、103Pa.sC、0.1~0.3 Pa.sD、约1 Pa.s6、自然干燥是最常见的涂膜干燥方式，它不需要外加能源和设备，特别 A 的涂装等。
A、适宜建筑装饰性涂料，室外的大面积构件B、希望节约时间，提高效率C、希望缩短操作过程和保养时间，减少占用场地D、在密闭的环境中，减少灰尘沾污涂膜7、加热干燥（或称烘干）是现代工业涂装中主要的涂膜干燥方式，特别是那些必须经加热才能成膜的涂料（如热熔成膜）更是如此。
加热干燥可A、B、C、D 。
A、提高涂层干燥速度，节约时间，提高效率B、缩短操作过程和保养时间，减少占用场地C、在密闭的环境中，减少灰尘沾污涂膜D、提高涂层的物理机械性能8、特种方式干燥，湿膜须受外加能量或其它条件（如A、B、C、D 等）才能形成干膜。
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。
16
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。
13
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。
24
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:
4
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
涂料中的流变学
（2）、丙烯酸类增稠机理 聚丙烯酸类增稠剂其增稠机理是增稠剂溶于水中，通
过羧酸根离子的同性静电斥力，分子链由螺旋状伸展为棒
状，从而提高了水相的黏度。另外它还通过在乳胶粒与颜 料之间架桥形成网状结构，增加了体系的黏度。
（3）、缔合增稠机理 这类增稠剂的分子结构中引入亲水基团和疏水基团，使
其呈现出一定的表面活性剂的性质。当它的水溶液浓度超过
1、动力黏度（η ）：
=
D
式中：τ为剪切力；D为剪切速率。 在流体中取两面积各为1m2 ，相距1m，相对移动速度为 1m/s时所产生的阻力称为动力黏度。单位Pa· S（帕· 秒）。 过去使用的动力黏度单位为泊或厘泊，泊（Poise）或厘泊 为非法定计量单位。 1Pa· S=1N· 2=10P泊=103cp S/m
流体的类型与黏度密切相关，黏度是涂料流变学的 一个重要指标。
黏度的定义
黏度就是抗拒液体流动的一种量度。 黏度一般是动力黏度的简称，其单位是帕秒(Pa· S)或毫帕
秒(mPa· S)。
黏度的度量方法分为绝对黏度和相对黏度两大类。绝对黏 度分为动力黏度和运动黏度两种；相对黏度（条件黏度） 有恩氏黏度、赛氏黏度和雷氏黏度等几种表示方法。
三、流变性与涂膜弊病
1、流平不良与流挂
把不平整的湿膜在表面张力的作用下产生流动，最后达到完全平整
的过程叫做湿膜的流平。如果湿膜处于垂直于地面的被涂面上，它 在表面张力和重力合力的作用下，产生向下流淌或湿膜下部厚度远
大于上部的现象，叫做流挂。
2、缩孔
缩孔的形成取决于涂料本身的流动性，当涂膜上形成表面 张力梯度时，流体由一点到另一点流动，若流动量大，就 会形成露底缩孔。要减少缩孔，就应使涂料流动性减小，
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• 此公式只有在分散体是刚性的粒子，并无相互作 用的情况下适用。
• 应用此公式定性地解释涂料的现象。 精品课件
1）Ke爱因斯坦因子，分散体系为球形，其值为2.5。
2）η和聚合物本身性质及溶剂性质有关。确定的高聚 物和使用溶剂，η0不变。
3）Vi为分散体（内相）在体系中所占体积分数。乳胶 粒子外层吸附一层乳化剂和水，颜料外层吸附一层树 脂，增加了内相的体积，粒子越细，吸附量越多，Vi 大大增加。所以体积相同时，粒子越细，黏度越大
dν/dχ）称为剪切速率（D），剪切力与剪切速
率的比值（τ/D）称为粘度（η），是液体抵制
流动的量度。
精品课件
牛顿流体的流动示意图
D
牛顿型液体：能够在一定温度下保持一定的黏度， 并且在剪切速率变化时，黏度保持恒定。 水、溶剂、矿物油和某些低相对分子质量树脂溶液 都是牛顿型液体。 涂料产品很少是牛顿型液体。
4）φ是堆积因子，当分散体大小相同时的球体，其值 为0.639。在剪切力的作用下，可以变形，φ值增加 ，Ke值减少，式中第二项减少，黏度下降。
涂料中的颜料外面吸附一层树脂，剪切力作用下可
以变形，使黏度下降。外力撤去，恢复原状，黏度
恢复。
精品课件
式中的黏度只和分散粒子的大小、形状与含量有关，而与 相对分子质量的大小与分布无关。
研究涂料的流变性对涂料选择、配方设计、生产、 施工，提高涂膜性能具有指导意义。
精品课件
5.1 涂料中的流变学问题
5.1.1 流体的类型
• 流体按大类可以分为牛顿型和非牛顿型流体。 • 牛顿流体：粘度不随剪切速率变化，在一定温度
下保持一定的黏度，是一种理想的液体。 • 如溶剂、水、矿物油和某些低相对分子质量的树
精品课件
• 触变性起因是在静止时体系内有某种很弱的网状 结构形成，在剪切力作用下被破坏，一旦力被撤 去，网状结构恢复。
• 触变性在涂料中起到很好的作用，如在高剪切速 率时（刷涂时），黏度低，可方便地涂刷并使涂 料有很好的流动性，低剪切速率时，（静止或刷 涂后），具有较高的黏度，防止流挂和颜料的沉 淀。
精品课件
• 触变性流体：当假塑性流体的流动行为与其历史有关 ，即对时间有依赖时，称触变性流体。即触变型流体 的粘度与剪切历程有关，经受剪切的时间越长，其粘 度越低，直到某一下限值。一旦释去剪切力，粘度又 回升，由于原始结构已遭破坏，必须经过一定的时间 ，才能恢复到原始值。
• 涂料体系的触变性在施工时的高剪切速率下有较低粘 度，有助于流动并易于施工；在施工后的低剪切速率 下，有较高粘度，可防止颜料沉降和湿膜流挂。非牛 顿流体剪切应力随剪切速率变化情况如下：
第五章 涂料中的流变学与表面化学
5.1 涂料中的流变学问题 5.2 表面化学 5.3 流平与流挂
5.4 涂料施工中的表面张力问题 5.5 表面活性剂及其应用
精品课件
主要内容 涂料中的流变学与表面化学
• 涂料 • 流体 • 流动
流变学
流体的类型 分散体的η
流平流挂缩孔 橘子皮贝纳尔 漩涡流发花和 浮色现象
精品课件
流体 分类
牛顿型流体 粘度不随剪切速 率变化的流体
非流动型流体
剪切速率依存型 流体：流体的流动行
为随剪切速率的变化
而变化
时间依存型流体 一定剪切速率下 流体随时间而变
化的流动特性
假塑型
粘度随着剪切速 率的增加而减小
触变性流体 当假塑性流体对 时间有依赖时，称
胀流型
粘度随着剪切的 速率的增加而增
脂溶液。 • 非牛顿流体：粘度随剪切速率变化的流体。
• 涂料的流动一般是非牛顿的。
精品课件
非牛顿流体
• 非牛顿流体又可分成假塑性流体，胀流性流体和 触变性流体。
• 假塑性流体的粘度随着剪切速率的增加而减小（ 即切力变稀的流体），
• 胀流性流体的粘度随着剪切的速率的增加而增大 ，
• 触变性流体:当假塑性流体的流动行为和其历史有 关，也就是对时间有依赖时，称其为触变性流体 。对于触变性流体，当从低剪切速率逐步增加于 高剪切速率测得各点的黏度，然后由高剪切速率 逐渐减少至低剪切速率，测得各点的黏度是不重 合的。
大，
宾汉流体 需在一定剪切精力 品课件 之上才能发生流
5.1.2 分散体系的黏度
黏度可用Mooney公式表示(穆尼黏度公式)
ln
ln0
KeVi 1 Vi
• Ke爱因斯坦因子，分散体系为球形时，其值为2.5 • Vi为分散体（内相）在体系中所占的体积分数 • φ是堆积因子，当分散体大小相同时的球体，其
精品课件
• 牛顿流体的流动和粘度特性曲线如图所示。
精品课件
2、非牛顿型液体
• 假塑性流体：液体黏度随着剪切速率的增加而减少 。（涂料）
• 膨胀性流体：液体黏度随着剪切速率增加而增加。 • 屈服值：剪切应力必须超过某一最低点A，液体才开
始流动，A点称为屈服值或塑变点。剪切应力低于屈 服值时，液体如同弹性固体，仅变形而不流动，通 常称为宾汉流体。剪切应力一旦超过屈服值，液体 开始流动，可以是假塑型，也可以是膨胀型的。 • 表观黏度：在某一剪切条件下测得的黏度称表观黏 度。
表面化学
表 面 张 力
润 湿 作 用 与 接 触 角
荷 TiO
叶
粗
效
糙
应
表
与
面
双
润
疏
精湿品课件 表 面
2的 光 致 超 双 亲 性
润 湿 动 力 学
表
面
毛活 细性 管剂 力及
应 用
概述 涂料中的流变学与表面化学
涂料：粘稠液体，可用不同的施工工艺涂覆在物 体表面，干燥后形成粘附牢固、具有一定的强度 、连续的固态漆膜。 流变学：研究流体流动和变形的科学。涂料在涂 装的过程中，一定要经过流体这个阶段，涂料的 流变性能对涂料的生产、贮存、施工和成膜有很 大的影响。
• 涂料大都为非牛顿流体。 精品课件
1、黏度与牛顿型流体
• 涂料的流变性能与涂料在不同条件下的粘度有关 。
• 粘度是涂料流变学的一个重要指标，与剪切速率 和剪切应力密切相关。
• 设面积为A、距离为dχ的两层液体，在剪切力F的
作用以下一定的速度差dν作平行流动，单位面积
所受的力（F/A）称为剪切力（τ），速度梯度（
• 当体系分散体（内相）的体积增加时，因外相黏 度不变，总的体系黏度增加。同样增加外相一黏 度也可增加体系的黏度。
• 乳胶粒子受剪切力作用时发生变形，此时φ值增 加，Ke值减少，黏度下降。一般涂料中的颜料外 面都吸附有一层树脂，像一个弹性体，在剪切力 作用下同样可以变形，使黏度有所下降。当外力 撤去时，又枯叶恢复原关，体系黏度恢复。