涂料化学第五章涂料中的流变学与表面化学
第五章 涂料_1_涂料基础
涂料是什么？
涂料概念
涂料概念
涂料是一种材料，这种材料可以用不同的施工工艺涂覆在 物件表面，形成粘附牢固、具有一定强度、连续的固态薄 膜。这样形成的膜通称涂膜，又称漆膜或涂层 。
有机高分子材料
精细化工
《涂料工艺》
涂料概念
涂覆施工
液体或固体
物体表面
固化 连续性 固体膜
？作用
？如何实现：液/固—固转换
• 解决方法：使颜料在涂膜中形成稳定的凝聚胶体结构。 • 具体措施： 加入防浮色剂：蓖麻油的脂肪酸、烷醇胺缩合物、脂肪酸酰胺的衍生物 对颜料表面改性：含氨基的长链酯类或长链烷基胺类的阳离子型分散剂
涂料的基本组成 溶剂
• 在涂料的生产和施工中，合理地选择溶剂十分重要，它直接影响涂料 的贮存稳定性、施工性和涂膜质量。
Knowledge of Coatings
涂料产品种类
涂料的种类
涂料形态：固态和液态 施工方法：刷涂、辊涂、喷涂、浸涂、淋涂、电泳 涂膜干燥方式： 涂料使用层次： 涂膜外观： 涂料使用对象： 涂料的成膜物质： 涂膜性能： 涂料的成膜机理：非转化型、转化型
涂料的种类
• 按成膜物质：环氧树脂（H），聚氨酯树脂（S），醇酸树脂（C）， 丙烯酸树脂（B），酚醛树脂（F）等；
PVC对涂料性质的影响
（4）抗污性
• 在污染环境下，涂膜会发生消光或变色等现象，通常将污染前后涂膜 的反射率的差值称为涂膜的抗污性。PVC增加时，涂膜的反射率的差 值增加，抗污性下降，污染趋于严重。
（5）光泽维持性
• 如底漆的PVC < CPVC，即底漆的颜料空隙已被粘结剂填满，则面漆 的光泽维持性好；反之，光泽下降。
防酸、碱、盐、有机溶剂
涂料功能
流变学在化工工艺中的应用分析
流变学在化工工艺中的应用分析流变学是研究物质在应力作用下变形和流动规律的科学。
在化工工艺中，流变学的应用非常广泛。
本文将从流变学的基本概念和原理开始，分析流变学在化工工艺中的应用，包括污泥处理、涂料涂层、塑料加工等方面。
首先，流变学在污泥处理中的应用十分重要。
污泥是生活污水和工业废水处理过程中产生的一种含有水分的浓稠物质。
由于污泥中含有许多固体颗粒，因此对于污泥的流动性和黏稠度的了解是非常重要的。
通过流变学的测量和分析，我们可以确定污泥的黏度、剪切应力和剪切速率之间的关系。
这可以帮助工程师们选择适当的污泥挤压设备、搅拌设备和输送设备，以保证污泥的稳定处理和高效率运输。
其次，流变学在涂料涂层工艺中的应用也非常广泛。
涂料是一种常用的表面保护材料，广泛应用于建筑、汽车、航空等各个领域。
在涂料的制备和施工过程中，了解涂料的流变性能对于保证涂装质量和施工效率至关重要。
通过流变学的研究，可以测定涂料的粘度、流动性和过渡温度等参数，并且确定涂料的流变类型（如牛顿流体、剪切稀化流体等）。
这些参数的掌握可以帮助工程师们优化涂料的配方和调整施工工艺，使得涂料在施工过程中具有适当的流动性和涂层厚度，从而获得高质量的涂装效果。
此外，流变学在塑料加工中也起着重要的作用。
塑料是一种流变性能非常复杂的材料，在加工过程中经历了熔融、塑化、流动、冷却等多个阶段。
流变学可以帮助工程师们了解塑料的熔融流动性、热稳定性和流动性等特性。
通过对塑料的流变性能的研究，可以优化塑料加工工艺流程，选择适当的模具和机器设备，并且有效地预测塑料制品的变形和缺陷。
此外，流变学还广泛应用于化工反应器的设计和优化。
在化学反应过程中，了解反应物料在反应器中的流动规律和变形规律非常重要。
通过流变学的研究，可以测定反应物料的粘度、黏度和剪切应力等参数，并根据这些参数优化反应器的结构和操作条件，提高反应效率和产物质量。
总结起来，流变学在化工工艺中的应用非常广泛，并且对于保证工艺的高效性、质量和安全性至关重要。
涂料流平 流变学与界面学原理
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。
材料化学-第五章表面化学习题及答案
表面化学习题答案：1．什么是过冷现象及成因？（15分）答：过冷现象：把液体冷却到正常凝固点以下还不结晶的现象。
(T0-T1)称为过冷度，温度在T0-T1之间的液体称为过冷液体。
结晶过程的过冷现象分散度越大，形成的晶粒越细，其饱和蒸汽压越高，凝固点越低。
当体系达到正常凝固点时，本应析出晶体，但由于刚形成的晶粒都是细小晶粒，其饱和蒸汽压高于正常晶粒的饱和蒸汽压，固液两相的化学势不等，固不能平衡共存，化学势较高的小晶粒必然会自动溶解，所以在正常凝固点（T0）不发生正常凝固。
随着温度降低，P(小晶粒的饱和蒸汽压)下降，当T=T1时，P(小晶粒的饱和蒸汽压)=P(液)，初生的小晶粒才有可能存在，凝固才有可能发生，所以凝固点比理论的要低。
2．试解释分散度对CaCO3分解压力的影响。
（15分）答：CaCO3颗粒度越细，分散度越高，分解压力越大，CaCO3越易分解。
3．绘图说明下列各体系中固-液-气三相交界面处表面张力（每小题5分，共20分）答：4．两玻璃板间夹一层水时，为何不宜拉开？若夹水银又如何？如果两板间距为x mm，求x为别0.1mm和1.0mm时的液相压力。
（15分）答：水对玻璃属于浸润性液体，使得夹在两块玻璃之间的水层两端液面为凹液面，故产生一定的附加压力，其方向指向空气。
因此水层压强P=P0-P s，即水层压强比外部小P s=2σ/R. 因此玻璃受到外部Ps的压力作用，不宜拉开。
对于水银来讲，其不能润湿玻璃，夹在两层玻璃板两端液面为凸液面，产生一定的附加压力，其方向指向液体内部。
压强比外部大P s=2σ/R. 玻璃中间受到斥力，容易拉开。
5．为什么正己醇不能在水面上铺展？为什么苯在水面上开始能铺展，若静止一段时间后又不能铺展？（15分）答：当B液体在A液体表面铺展时，铺展系数S=r a-r b-r ab正己醇表面张力=24.8×10-3N·m-1水表面张力=72.8×10-3N·m-1正己醇与水间界面张力=6.8×10-3N·m-1正己醇的饱和水溶液=24.7×10-3N·m-1水的正己醇饱和溶液=28.5×10-3N·m-1正己醇滴入水中初期：S=72.8-24.8-6.8=41.2×10-3N·m-1>0达到平衡后：S=28.5-24.7-6.8 = -3.0×10-3N·m-1<0因此无法铺展对于苯-水不完全混溶体系：苯滴入初期：S=72.8-28.9-35.0 = 8.7×10-3N·m-1>0因此苯可以铺展，但当水与苯接触，充分饱和后，水与苯的表面张力下降至62.4与28.8×10-3N·m-1：S=62.4-28.8-35.0 = -1.4×10-3N·m-1<0苯水界面的最终状态是本来已经铺展的苯收缩成为一扁平的透镜，剩下的将被苯的单分子膜覆盖。
表面工程 第五章 表面涂层技术
5.1 表面涂装
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表面改性技术
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表面改性技术
5.1 表面涂装
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表面改性技术
溶剂挥发类： 涂料在成膜过程中不发生化学反应，只
是溶剂挥发使涂料干燥成膜，一般为自然干燥型涂料， 容易重新涂装。
固化干燥类： 成膜物质一般是相对分子质量较低的线
性聚合物，可溶解于特定的溶剂中，经涂装、溶剂挥发
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表面改性技术
工件表面准备：洁净、粗糙、新鲜，酸洗或喷砂除氧 化皮，有机溶剂或碱水除污，车削、磨削、喷砂粗糙 预热：提高工件与熔滴接触温度，有利于咬合；降低 冷却速度（应力）；去除表面水分。 喷涂：火焰温度、供给速度、气体压力、喷涂距离、 喷涂角度、喷涂移动速度。
喷后处理：有孔结构，蜡或树脂封口。
表面改性技术
各种基体材料：金属、玻璃、陶瓷、有机材料 喷涂材料种类广泛：金属、合金、陶瓷、有机
方法多样：有十几种之多。 喷涂工件不受限制：大面积、小工件均可 涂层厚度可控：几十微米到几毫米
5.2 热喷涂
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表面改性技术
线材：碳钢丝、不锈钢丝、铝丝、铜丝、复合喷涂丝 及镍、铜、铝的合金丝等。锌丝 粉末：金属及合金粉末、陶瓷粉、复合材料粉末和塑 料颗粒等。镍基合金粉。 线材火焰喷涂：设备简单，价格便宜，手持操作，调节简 单，工件表面温度较低， 粉末火焰喷涂：颗粒由表面向内部融化，不存在破碎 和雾化，粉末粒度决定喷涂粒度，存在不同部分融化 不一致问题。
5.2 热喷涂
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表面改性技术
热喷涂原理
5.2 热喷涂
机械结合：凸凹不平表面相互咬合
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涂料的流变特性及触变性涂料
涂料的流变特性及触变性涂料
涂料的流变特性及触变性涂料
涂料的流变特性是衡最涂料工艺性能的一项重要指标.以前所讲的许多重要工艺性能如悬浮性、涂刷性、渗透性、涂层厚度、流平性、流淌性等都和涂料的流变特性有关.涂料的流变特性是指运用流变学理论和试验方法研究得到的铸造用涂料的性能.流变学是研究物质的流动和变形与造成物质流变的各因素之问关系的一门学科.近十多年来国内外铸造工作者发现流变学可以作为涂料基本工艺性能的理沦基础之一运用流变学理沦可以为涂料配方设计、配制工艺、性能检测和质量控制提供科学依据.
本章介绍流变学的基础知识及其在铸型涂料中的应用情况.。
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
由于固体表面张力常难以测定，能否 润湿，常用接触角来作标准，接触角以 θ表示，定义为三相交界处在液体中量 得的角，
cos l G sG SL LG
sl
sG
各种界面自由能（表面张力）的 关系：
cos SG SL LG
是润湿的基本方程，也叫杨氏方程
90° ＜θ≤180° 可沾湿(第二象限为负值）
3、贝纳尔漩流窝 涂料在干燥过程中，随着溶剂的蒸发，
表层和底层的表面张力不同，便产生了一 种推动力（拉动），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 贝纳尔漩流窝(Benard cell)， 如图所示．涡流原点有如火山口，向外喷 发出下层涂料，这些表面张力低的涂料向 周围表面张力高的表层铺展，形成隆起部 分．并使湿膜形成规则的六角形，
J
m2
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。
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。
可以利用液体与固体之间的浸润程度来 考察固体的表面张力，这在涂料研究 中是很重要的。
润湿作用指表面上一种流体被另一种流 体所代替，如固体表面上的气体被液体 所代替．
润湿作用分为三类， 沾湿、浸湿和铺展
1、沾湿 指液体与固体接触过程，
液／气界面 固／气界面
液／固界面的过程
例 如涂料的液滴有效地附于基材表面之上上，
沾湿过程的自由能变化是：
G ( ) sL S G LG
乳胶漆当水挥发到一定程度，乳胶粒子碰到 一起时立刻成半硬的结构，因此也不利于 流平．
涂料化学简答题
四、简答题、简述题（每题7分，共28分）第一章绪论1、什么是涂料？它有哪些主要作用？涂料如何分类？2、试述涂料由几部分组成？各部分起什么作用？第二章漆膜的形成及有关的基本性质1、在涂料中所使用的助剂可分哪几类？2、在涂料施工中，习惯将干燥过程分为哪几个阶段？3、涂料成膜方式主要有几种？4、试述涂料的固化机理。
5、从涂料的角度看，具有明显结晶作用的聚合物作为成膜物是不合适的，其原因是什么？6、有几种涂层成膜方式及涂膜干燥方法？试述其要点？7、被涂物的表面处理有哪几种？如何处理？5、试述涂装前对被涂物表面处理的作用和方法。
9、叙述涂装方法主要有哪些？10、共聚合对成膜物改性有何重要作用？11、黑色金属表面处理有哪些方法？每种各有几个步骤？12、涂料的施工过程可分为哪几个步骤？13、简述涂料的成膜过程。
第三章涂料中的流变学与表面化学1、试述涂料分散体系不稳定的具体表现。
2、试说明色漆中颜料粒子的受力情况。
3、叙述促进分散体系稳定化的措施。
4、简述涂料粘度的测定方法以及主要原理。
5、论述表面张力与涂料的质量的关系。
6、论述表面活性剂在涂料中有哪些作用？7、塑料表面涂布涂料常常结合不好，原因何在？解决的办法有哪些？第四章溶剂和颜料1、试述溶剂型涂料中溶剂的性能及其作用？溶剂如何分类？2、试述颜料的分散过程和稳定措施。
3、颜料在涂料中有何作用？4、选择涂料溶剂主要考虑哪些问题？有何要求？5、简述颜料遮盖力的定义及影响因素。
6、如何才能提高颜料的遮盖力和着色力？7、何谓颜料的吸油量、颜料体积浓度（PVC）和临界颜料体积浓度（CPVC）？它们对吸膜性能有何影响？8、叙述色漆的制备步骤和措施。
9、着色颜料一般使用哪些助剂？这些助剂在涂料中各有何种作用？10、试述涂料的研磨设备及其特点。
11、如何降低溶剂型涂料的VOC排放？12、选择颜料时，主要考虑哪些问题？13、涂料中溶剂的作用。
第五章漆料性能1、叙述漆膜与基材的粘附理论。
第六章涂料的流变学与表面化学
临界表面张 成膜物质 力mN/m
40 3740-45 57 41 36 环氧树脂 脲醛树脂 三聚氰胺树 脂
临界表面 张力mN/m 45-60 45 42-58 39 20
6.2. 4涂料施工中的表面张力问题
1、流平与流挂 流平和流挂是涂料应用中非常重要的 问题 如何看流 平性的好 涂料施工后能否达到平整光滑的特性， 与坏？ 称为流平性． 当涂料涂刷在基材上时，将留下刷痕， 干燥后基本消失．流平性好。 是什么作用使涂料 在基材表面流平？ 当干燥后用肉眼便可以看出涂层表面不 平的情形，涂料流平性差时 ．
( p h ) g r c
m
2
Pm —气泡内最大压力 ρ —液体的密度 h —毛细管口上方的液柱高度 rc —毛细管内经 g —重力常数
动态表面张力
如果改变鼓泡频率， 测定一系列的Pm， 表面张力（mN/m)---鼓泡频率（泡/s) 作动态表面张力图
3、固体的临界表面张力的测定
可以用已知表面张力的液滴在固体上 的接触角来表征。 可用倾斜平板法和平板法测定
sL
SG
令 G Wi
Wi 称粘附张力．Wi＞0，固体可被浸 湿
sL
SG
3、铺展
将涂料涂于基材上，涂料流动，附于 其上，过程实质是以固/液界面代替 固／气界面，同时液体表面也扩展．当
G (
铺展面积为单位面积时，自由能 变化为：
sL
LG
)
SG
, 令 G S
6.2表面化学
体积一定的几何形体中，球体的表面 积最小，如果没有外力的影响或影响 不大时，液体趋向于成为球状，如水 存在什 么作用 银球和荷叶上的水珠。液体的这种变 力？ 化会引起液体表面自动收缩的趋势。 存在收缩力f和抵抗收缩的力 因此若把液体做成液膜，为保持表面 平衡就需要有一适当的与液面相切的 大小相等方向相反的力f作用于宽度为l 的液膜上。