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涂料消光原理及其应用

时间: 2011-07-07 20:00 来源: 作者: 金超 李伟善 杨新宏点击:
近几年以来,我国的工业方兴未艾,涂料总产量也跃居世界的前列,形成了一个与此相关的产业群体,积极推动着传统涂装领域的技术革命和发展。在这期间高光泽的亮光涂料以其色泽鲜艳、明亮等优点深受消费者的喜爱,并在相当长的时间内一统着涂料市场。但是,随着人们生活水平的不断提高,一方面消费者感觉到了高光泽的亮光涂料成膜后反光比较严重,对人的眼睛有害;另一方面消费者的审美观念越来越倾向于休闲、时尚和个性化。再加上我国汽车和家电行业蓬勃发展的需求。这些因素就导致了人们对具有柔和外观的低光泽涂料的需求急剧增加。同时,也使得如何生产具有消光性能的涂料成为涂料设计师们必须考虑的问题。

本文就涂料的消光问题和获取涂料消光性能所采取的措施及其发展趋势予以综述。

一 光泽及光泽的影响因素

1. 光泽和光泽的测定

光线投射到物体的表面会发生光线的反射,物体表面对光线的反射能力称为光泽。不同物体表面的光泽不一样,衡量物体表面对光线反射能力的大小,称为光泽度。光泽度用百分数表示。物体表面的光泽度越高,它反射光线的能力就越强,亮度也就越高。光泽度的大小通过光电光泽仪进行测定。根据光泽度的大小,可以将涂料分为亮光、亚光、无光等几种。

涂料光泽度的分类(以600的反射光泽划分为例):

无光涂料:光泽度< 10 %;
亚光涂料:光泽度 15~60;
亮光涂料:光泽度> 60 %。

2. 影响光泽的因素

① 涂膜表面的粗糙度

物体表面光泽和物体表面的粗糙程度紧密相关。光线射到物体表面上时,一部分会被物体吸收,一部分会发生反射和散射,还有部分会发生折射。物体表面的粗糙度越小,则被反射的光线越多,光泽度越高。相反,如果物体表面凹凸不平,被散射的光线增多,导致光泽度降低。

人视觉能感受到的光亮物体表面的粗糙度(h),利用微表面理论知识,可以根据公式:h = λ/cosa算出来,式中入为人射光的波长;a为入射角。例如人射角取60O时,可以算出h=1.1μm,当物体表面粗糙度h大于1.1μm时,会表现凹凸不平,光泽度降低。

② 涂膜的成膜过程

涂料涂刷在物体表面上后,通过溶剂的挥发而固化成膜。涂料涂膜的形成过程对涂膜的表面粗糙程度和光泽至关重要。在湿膜阶段,溶剂的挥发速率受溶剂在涂膜表面的扩散控制,当溶剂的各组分挥发速率差别不大时,有可能得到高光泽的表面;反之,当溶剂的各组分在湿膜阶段的挥发速率不相同时,它会使聚合物分子倾向于形成卷曲,甚至析出,变成大小不一的颗粒或团状物,涂膜表面呈现出凹凸不平。在干膜阶段,溶剂的挥发速率主要受溶剂在涂抹整体里的扩散控制,也会对涂膜表面的粗糙程度产生影响。此外,在涂膜的形成过程中,随溶剂的挥发,涂膜会变薄并收缩,涂料中的一些悬浮的重粒子就会在涂膜表面重新排列,造成涂膜表面的不平整。

③ 颜料、细料的粒度和分布

涂料中颜(填)料的颗粒大小和粒度分布是影响涂膜光泽的重要因素之一。人们在研究中发现,当颜料颗粒的直径小于O.3μm时,才可以获得高光泽的涂膜。原因为:分散在涂料中的颜料颗粒在制成一定厚度的涂膜,并干燥后,仅有最上层的颜料颗粒局部地上突,颗粒直径小于O.3μm的颜料离子所造成的涂膜表面粗糙度不会超过O.1μm。当颜料的平均颗粒直径在3~5μm之间时,可以得到消光效果较好的涂膜。

除以上三个因素可以影响涂膜表面的光泽外,颜料的体积浓度(PVC),颜料的分散性以及涂膜表面结构和表面反射特性等因素也会影响涂膜表面的光泽。其中,随颜料的PVC增大,涂膜表面的光泽度先是降低,在颜料的极限体积浓度(CPVC)处出现极小值,然后伴随着PVC的增大,光泽度也变大。当颜料种类和用量确定后,分散越好,涂膜表面的光泽度越高。

二 涂料的消光问题

消光就是利用一定的方法使涂膜表面的光泽度降下来。

1. 消光原理

结合涂膜表面光泽产生的机理和影响光泽的因素,人们认为消光就是采用各种手段,破坏涂膜的光滑性,增大涂膜的表面微观粗糙度,降低涂膜表面对光线的反射。可以分为物理消光和化学消光两种方式。物理消光的原理为:,加入消光剂,使涂料在成膜过程,表面产生凹凸不平,增大对光的散射和减少反射。化学消光是靠在涂料中引入一些例如聚丙烯接枝物质类能吸收光线的结构或基团来获得低光泽。

2. 消光方法

① 消光剂

在现今的涂料行业,人们普遍采用的是加入消光剂的方法。主要有以下几类:

(1)金属皂

金属皂是早期人们常用的一种消光剂,它主要是一些金属硬脂酸盐,像硬脂酸铝、硬脂酸锌、硬脂酸钙、硬脂酸镁等等。其中硬脂酸铝应用的最多。金属皂的消光原理是基于它和涂料成份的不相容性,它以非常细的颗粒悬浮在涂料中,成膜时则分布在涂膜的表面,使涂膜表面产生微观粗糙度,降低涂膜表面光的反射而达到消光目的。

(2)蜡

蜡是使用较早应用较为广泛的一种消光剂,它属于有机悬浮型消光剂。在涂料施工完毕后,随溶剂的挥发,涂膜中的蜡析出,以微细的结晶悬浮在涂膜表面,形成一层散射光线的粗糙面而起到消光作用。蜡作为消光剂的特点是使用简便,并且可以赋予涂膜良好的手感和耐水、耐湿热、防沾污性。但蜡层在涂膜表面形成后也会阻止溶剂的挥发和氧气的渗人,影响涂膜的干燥和复涂。今后的发展趋势是合成高分子蜡与二氧化硅并用,使其获得最佳消光效果。

(3) 功能型细料

体质颜料,如硅藻土.高岭土.气相二氧化硅等都是专用作消光剂的功能细料,它属于无机填充型消光剂。在涂膜干燥时,它们的微小颗粒会在涂膜表面形成微粗糙面,减少光线的反射获得消光外观。这类消光剂的消光效果要受到很多因素的制约。以二氧化硅为例,它在用作消光剂时,其颗粒的孔体积、平均粒径及粒经分布、干膜厚度以及颗粒表面是否经过处理等因素,都会影响到它的消光效果。实验表明较大的孔体积、粒径分布均匀并且粒径大小和干膜厚度相匹配的二氧化硅,其消光性能较为优良。

除以上三类常用的消光剂外,有些干性油,如:桐油也可以在涂料中做为消光剂使用。它主要是利用桐油中共轭双键的高反应活性,使涂膜底面不同的氧化交联速度使涂膜表面产生凹凸不平而达到消光效果。

涂料为获得低光泽,消光剂起了不可替代的作用。但它在使用过程中,仍存在着诸多缺陷等待改进,如消光剂的选取和使用条件较为苛刻;消光剂的价格偏高,国内用的消光剂多数需从国外进口,像美国GRACE公司的SY—L01D.ED40.ED30,德国DEGUSSA公司的JS一100、TK一900、HK一125,英国CROSFIELD公司的GASIL.HP340等产品,这就使得低光泽涂料的价格也随之上涨;国内生产的消光剂因多含有环眯类物质,因此所得涂膜易泛黄,耐烘烤性差。如何生产性能优良价位适中的消光剂,仍是涂料工作者需要解决的问题之一。

③ 消光树脂

树脂是涂料必不可少的一种成份,因此就有人合成出消光用树脂,利用它和其它树脂作用成膜获得低光泽。可以避免使用消光剂,降低涂料成本。国外已有相应的产品上市,国内的辜继先和姜其斌等人也都对此做了研究,并先后合成出丙烯酸系消光树脂,用在粉末涂料中,效果颇佳,并消除了涂膜易泛黄,耐烘烤性差等缺陷。它的机理:一是利用消光树脂中官能团和涂料组成中的固化剂与另外树脂固化温度的不同,产生先后固化,使涂膜表面产生不均匀收缩,从而破坏涂膜表面的光滑性,产生消光。G9010消光树脂就是利用此机理获得消光。二是增大两种树脂之间的表面张力差,使涂膜收缩不均匀产生微粗糙度。姜其斌合成的消光树脂就是有此原因才产生消光效果。三是在合成树脂中引入相容性差的单体,涂料成膜使这些单体会促使合成树脂从涂膜中部分析出,从而增大涂膜表面的微观粗糙度,获得低光泽。

三 展望

低光泽涂料在未来的涂料市场中会越来越引起人们的关注,这就使得消光问题愈加重要。合成性能优良的改性消光剂(如用高分子蜡表面处理的二氧化硅等)和合成消光树脂无疑将成为人们研究的重点。(end)

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