第11章 涂装技术

第11章涂装技术教材：

《材料表面工程技术》李慕勤化学工业出版社11.1涂料与涂装涂料：油漆涂装：涂料的施工涂料油漆桐油大漆虫胶漆硝基漆大漆亚麻仁油苏籽油桐油合成树脂的出现有机涂料

11.1.1涂料的组成涂料是一种有机混合物，对基体进行保护、装饰以及防腐、绝缘等。其物质组成一般分为成膜物质、颜料、溶剂、助剂四个部分。涂料成膜物质颜料（着色颜料、防锈颜料等）溶剂（有机物或水）助剂（固化剂、催干剂等）天然树脂天然油脂合成树脂11.1涂料与涂装1、成膜物质是构成涂料的基础，能够粘结涂料中的其它组分，在基体上形成牢固连续附着的涂膜，决定着涂料的基本性能。在储存期间相当稳定，涂敷工件表面后在一定条件下固化成膜。包括油脂、油脂加工产品、纤维素衍生物、天然树脂和合成树脂11.1.1涂料的组成2、颜料是不溶于溶剂的微细粉状有色物质，通常为极小的结晶，能够均匀分散在介质中。可以遮盖和赋予涂层一定的色彩。可改善涂膜的力学性能、耐久性及流变性，增强涂膜的保护、装饰和防锈作用，同时可以降低涂料的成本。主要用于产生所需的色彩和遮盖力，增强涂膜的耐久性和耐磨性分类着色颜料，常见的钛白粉，铬黄等体质颜料，也就是常说的填料，如碳酸钙，滑石粉11.1.1涂料的组成3、溶剂有机溶剂或水等分散介质，用来分散或溶解成膜物质，调节涂料的粘度和流变性能。施工后能够从涂膜中挥发，使涂料形成固态涂膜。包括烃类溶剂（矿物油精、煤油、汽油、苯、甲苯、二甲苯等）、醇类、醚类、酮类、酯类物质应用中，一般要根据成膜物质的特性、粘度和干燥实际选择适当的溶剂。溶剂的挥发速度必须要适中，和涂膜的形成速度相适应。不能太快也不能太慢。如，油脂漆，天然树脂漆可用200号溶剂汽油或松节油所谓溶剂，氨基醇酸烘漆则须用二甲苯为溶剂，并需要按照产品说明书调节涂料。11.1.1涂料的组成4、助剂指润湿剂、催干剂、整流剂、防结皮剂、固化剂、增塑剂等提高涂料产品和涂膜的性能是组成涂料的辅助成份。助剂加入量一般不超过5％，也不能单独成膜。但对涂料的储存性。施工性及涂膜的物理和化学性质却有着重要的影响。11.1.1涂料的组成1、根据成膜干燥机理分类：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。这类涂料一般为自然干燥型涂料，容易重新涂装。固化干燥类其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、溶剂挥发后，就可通过化学反应交联固化成膜。由于以及转化为体性网状结构，以后不再溶解于溶剂中。11.1.2涂料的分类固化干燥类，还可细分为：气干型涂料它与空气中的氧或潮气反应而交联固化成膜。这类涂料可在常温下干燥成膜。若要保持储存稳定性，必须紧闭储存罐，隔绝空气。烘烤型涂料由两种或两种以上成膜物质相互其化学反应而交联固化成膜。如氨基醇酸油漆，主要成膜物质是氨基甲酸脂和氨基树脂，这两个组分在常温下不会发生明显的化学反应，而晶硅涂敷后加热到一定温度才能固化成膜。两罐装涂料两种成膜物质互起化学反应而交联固化成膜两组分在使用前应分罐包装。11.1.2涂料的分类辐射固化涂料通过辐射能引起漆膜内的含乙烯基成膜物质和活性溶剂进行自由基或阳离子聚合，从而固化成膜。电子束能量高，用150～300KeV的加速电压已足够产生自由基紫外线能量约为电子束的1/10000，不足以产生自由基，因此在（紫外）固化涂料中必须加入光敏剂，然后在紫外线能量的辐照下可用离解而形成自由基或路易斯酸，从而发生自由基或阳离子聚合而固化成膜。11.1.2涂料的分类2、以主要成膜物质为基础分类：按照国家规定，目前我国涂料产品以涂料中主要物质为基础来分类的。如果主要成膜物质是由两种以上的树脂混合组成的，则按成膜物质中其决定作用的作为分类的依据。11.1.2涂料的分类1、酚醛树脂涂料：改性酚醛树脂涂料：以松香改性树脂涂料为主，特点是干的快、耐水、耐久，价格低廉，广泛用于建筑和家用涂料。纯酚醛树脂涂料：由纯酚醛树脂和植物油熬制而成，涂层的耐水性、耐化学腐蚀性、耐候性、绝缘性能都非常优异、多用于船舶、机电产品等。11.1.3常用涂料的性能11.1.3常用涂料的性能2、醇酸树脂涂料：有多元醇、多元酸和脂肪酸经缩聚而得到的一种特殊的聚酯树脂。此涂料成膜后具有良好的柔韧性、高的附着力和强度、颜料与填料能均匀分散、颜色均匀、遮盖力好等优点缺点是耐水性差这类涂料的产量在我国涂料中居首位，使用面极广。3、氨基树脂涂料：氨基醇酸烘漆：目前最广泛的工业用漆。其成膜温度低，时间短，具有良好的耐化学药品性，不易燃烧，绝缘好。酸固化型氨基树脂涂料：常温下能固化成膜，光泽好，外观丰满，但是耐温度和耐水性较差，主要用于木材、家具的涂装。氨基树脂改性的硝化纤维素涂料：氨基树脂增强了硝基透明涂料的耐候、保光等性能，提高了固体组分含量。水溶性氨基树脂涂料：其物化性能（物理化学性能）优于溶剂型氨基醇酸树脂，但耐候性不及溶剂型的好。11.1.3常用涂料的性能4、丙烯酸树脂涂料：是由丙烯酸或其它脂类或（和）甲基丙烯酸单体经加聚反应而成，有时还用其它乙烯系单体共聚而成这类涂料可分为热塑性和热固性两类共同点是：涂膜高光泽，耐紫外线照射，长期保持色泽和光亮，耐化学药品和耐污性比较好广泛，主要用于轿车、冰箱、仪器仪表等。11.1.3常用涂料的性能11.1.3常用涂料的性能5、聚氨基甲酸酯涂料这类涂料成膜后坚固耐磨，附着力好，防腐性能特别好它广泛用于化工、石油、航空、机车、木器和建筑等，兼做防护和装饰之用。涂料成膜机理：涂料首先是一层流动的液体，在基材表面涂布完之后形成一层坚韧的薄膜，这个过程是玻璃化温度不断提高的过程。不同形态和组成的涂料有不同的成膜机理，这由涂料中成膜物质性质决定。根据涂料成膜物质的性质，涂料成膜方式可以分为两大类：有非转化型成膜物质组成的涂料以物理方式成膜；有转化型成膜物质组成的涂料以化学方式成膜11.1.3涂膜成膜机理1、物理方式成膜依靠涂料内的溶剂或分散剂的直接挥发或聚合物粒子凝聚得到的涂膜的过程，称为物理成膜方式。溶剂挥发成膜方式：溶剂挥发后，涂膜粘度增大到一定程度形成固态涂膜的过程。溶剂的选择很重要。假如溶剂挥发太快，浓度升高很快，表面涂料因粘度过高而失去流动性，是涂膜不平整；另外，溶剂蒸发时散热很快，表面可能降至雾点，使水凝结在涂膜中，此时涂膜失去透明性而发白或者涂膜的强度降低。聚合物凝聚成膜方式：指依靠涂料中成膜物质的高聚物粒子在一定条件下相互凝聚称为连续的固态涂膜的过程。如水乳胶涂料、非水分散型涂料和有机溶胶等。这是分散型涂料的主要成膜方式。在分散介质的同时，高聚物粒子接近、接触、挤压变形而聚集起来，最后由粒子状态聚变为分子状态聚集而形成连续的涂膜。粉末涂料是用静电或热的方法将其附在基材表面，在受热条件下高聚物热熔、凝聚成膜，在此过程中还常伴随高聚物的交联反应。11.1.3涂膜成膜机理2、化学方式成膜化学成膜是指在加热或其它条件下，是涂敷在基材表面的低分子量成膜物质发生交联反应，生成高聚物，获得坚韧涂膜的过程。根据不同的过程将化学成膜机理分成两类：漆膜的直接氧化聚合，涂料在空气中的氧化交联或与水蒸气反应；涂料组分之间之间发生化学反应的交联固化。11.1.3涂膜成膜机理氧化聚合型：一般指油脂或油脂改性涂料。油脂组分大多为干性油，即混合的不饱和脂肪酸的甘油酯。天然油脂、以及含该成份的涂料与空气中的氧发生反应，产生游离基并引发聚合，最终形成网状高分子结构。异氰酸酯能够与空气中的水分发生聚合反应。聚合反应完成后，涂膜不溶于原来的溶剂，甚至一些涂膜不溶于任何溶剂。分子量大的涂膜干的快，空气必须透入到整个涂膜中才能充分固化。在整个使用过程中，涂膜与空气反应仍慢慢进行，因此在室温下该反应是比较缓慢的。油脂的氧化速度与所含的亚甲基集团数量、位置、和氧的传递速度有关。利用钴、锰、铅等金属可促进氧的传递，加速含有干性油组分涂料的成膜。11.1.3涂膜成膜机理交联固化型反应发生的基本条件是涂料中所用树脂要有能反应的官能团，而固化剂要有活性元素或活性基团，把一般为线性结构的树脂交联成网状结构涂膜而完成固化反应。影响因素主要是温度、催化剂及引发剂等。环氧树脂漆是典型的以固化剂固化成膜的涂料，氨基树脂可以作为热固化漆的典型例子。11.1.3涂膜成膜机理涂料防护机理：1、屏蔽机理金属表面涂覆涂料之后，使金属表面与外界环境隔离，这种对金属的保护作用称为屏蔽作用。实际上由于高聚物都具有一定的透气性，结构气孔的平均直径都在10-4~10-6mm，而水和氧气分子直径都在10-5~10-11mm，当涂层较薄时很容易通过，这种涂层并不能起到保护金属的作用。涂层的屏蔽作用与成膜物质性质、溶剂用量与挥发性能、填料种类、涂装工艺及膜厚等因素有关。为提高涂膜的屏蔽作用，应选择透气性小的成膜物质和屏蔽性大的固体填料，以及通过增加涂料层数等手段是涂膜致密无孔。11.1.4涂膜防护机理涂料防护机理：2、防腐机理利用涂料中防腐性的颜料和金属反应，使金属表面钝化或生成保护性物质，从而提高涂膜的保护作用。一些油料在金属皂的作用下生成降解产物，也能起到金属缓蚀剂的作用。具有防腐性的颜料包括碱性颜料、可溶性颜料和金属粉末颜料。碱性颜料包括红丹、一氧化二铅等铅化合物以及一些不含铅的颜料。当水和酸性物质通过涂膜渗透时，碱性颜料会跟这些物质发生中和，使金属和涂膜的界面保持微碱性，从而发挥防腐作用。可溶性颜料以铬酸锌等铬酸盐应用最多。由于可溶性铬酸根离子具有强氧化作用，可以使金属表面钝化，起到防腐作用。金属粉末颜料主要是锌粉。11.1.4涂膜防护机理涂料防护机理：3、渗透机理电解质对涂膜的渗透机理认为有两种：一是电解质通过涂膜的毛细血管结构进入二是电解质通过涂膜本身内部扩散渗透。（更为人们接受）水分子首先由外部渗入，聚集于羧基等亲水基团存在的地方；离子由外部向水分子扩散，然后发生离子交换；离子从水滴转移到另一个水滴，在涂膜内扩散。扩散过程中离子穿透聚合物外壁使离子扩散的控制步骤。为提高涂膜性能，需要增大颜料浓度，渗透性将逐渐减少。然而，当颜料浓度超过临界颜料体积浓度时，涂膜的透气性却急剧增加。11.1.4涂膜防护机理涂料防护机理：4、涂膜的综合防蚀作用防蚀机理大概有二：其一是防止涂膜外的腐蚀介质穿透涂膜腐蚀材料；二是防锈颜料起到对腐蚀的抑制作用。实践中二者相辅相成，但会有不同侧重。11.1.4涂膜防护机理使涂料在被涂表面形成涂膜的全部工艺过程称为涂装工艺。一般步骤为：涂前表面预处理

涂布

干燥固化11.2涂装工艺1、涂前表面预处理清除表面各种污垢对清洗过的工件进行各种化学处理，以提高涂层的附着力和耐蚀性。若前道切削加工未能消除工件表面的加工缺陷和得到合适的表面粗糙度，则在涂前要用机械方法进行处理。11.2涂装工艺其设备有间歇步进式和连续通过式，或分为喷射式、喷浸结合式。连续通过喷淋式前处理设备连续通过式喷浸结合前处理设备外部

连续通过式喷浸结合前处理设备内部汽车零部件喷淋式前处理线2、涂布手工涂布法静电涂布法：以接地工件为阳极，涂料雾化器或电栅为阴极，两极接高压而形成高压静电场，在阴极产生电晕放电，使喷出的漆滴带电而进一步雾化，带电漆滴受静电场作用沿电力线方向被高效的吸附在工件上。电泳涂布法：将工件浸渍在水溶性涂料中作为阳极（或阴极），另设一与其对应的为阴极（阳极），直接通直流电，通过电流产生的物理化学作用，使涂料涂覆在工件表面。11.2涂装工艺3、干燥固化

涂料主要依靠溶剂挥发及熔融、缩合、聚合等物理或化学作用而成膜。大致非常以下三种成膜类型：非转化型：溶剂挥发类和熔融冷却类转化型：主要有缩合反应类、氧化聚合反应类。聚合反应类、电子束聚合类和光聚合类混合型：成膜过程兼有物理和化学作用。11.2涂装工艺11.2.2涂装方法（1）一般涂装方法刷涂法浸涂法淋涂法空气喷涂法高压无气喷涂（2）静电喷涂-粉末涂装静电喷涂是利用高压静电电场使带负电的涂料微粒沿着电场相反的方向定向运动，并将涂料微粒吸附在工件表面的一种喷涂方法。静电喷涂工作原理工作时静电喷涂的喷枪或喷盘、喷杯，涂料微粒部分接负极，工件接正极并接地，在高压电源的高电压作用下，喷枪（或喷盘、喷杯）的端部与工件之间就形成一个静电场。涂料微粒所受到的电场力与静电场的电压和涂料微粒的带电量成正比，而与喷枪和工件间的距离成反比，当电压足够高时，喷枪端部附近区域形成空气电离区，空气激烈地离子化和发热，使喷枪端部锐边或极针周围形成一个暗红色的晕圈，即空气产生强烈的电晕放电。

涂料经喷嘴雾化后喷出，被雾化的涂料微粒通过枪口的极针或喷盘、喷杯的边缘时因接触而带电，当经过电晕放电所产生的气体电离区时，将再一次增加其表面电荷密度。这些带负电荷的涂料微粒的静电场作用下，向导极性的工件表面运动，并被沉积在工件表面上形成均匀的涂膜。

粉末涂装是近几十年迅速发展起来的一种新型涂装工艺，所使用的原料是塑料粉末。早在四十年代有些国家便开始研究实验，但进展缓慢。1954年德国的詹姆将聚乙烯用流化床法涂覆成功，1962年法国的塞姆斯公司发明粉静电喷涂后，粉末涂装才开始在生产上正式采用，近几年来由于各国对环境保护的重视，对水和大气没有污染的粉末涂料，得到了迅猛发展。

粉末涂装突出优点及应用1、一次涂装可以得到较厚的涂层，例如涂覆100～300μm的涂层，用一般普通的溶剂涂料，约需涂覆4～6次，而用粉末涂料则一次就可以达到该厚度。涂层的耐腐性能很好。2、粉末涂料不含溶剂，无三废公害，改善了劳动卫生条件。3、采用粉末静电喷涂等新工艺，效率高，适用于自动流水线涂装，粉末利用率高，可回收使用。4、除热固性的环氧、聚酯、丙烯酸外，尚有大量的热塑性耐脂可作为粉末涂料，如聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、氟化聚醚、尼龙、聚碳酸脂以及各类含氟树脂等。粉末涂料开始用于防护和电气缘方面，随着科技的发展，已广泛使用于汽车工业、电气绝缘、耐腐蚀化学泵、阀门、汽缸、管道、屋外钢制构件、钢制家具、铸件等表面的涂装。

粉末涂装工艺方法目前最普遍使用的是静电粉末喷涂法，其次是流化床浸涂法，还有空气喷涂法、真空吸引法、火焰喷涂法等静电粉末喷涂法是粉末涂装中目前发展最快的一种重要施工工艺。粉末静电喷涂设备主要包括：喷粉室、高压静电发生器、静电喷涂枪、供粉器、粉末回收装置、工件旋转机构等。静电喷涂法1）基本原理在喷枪与工件之间形成一个高压电晕放电电场，当粉末粒子由喷枪口喷出经过放电区时，便补集了大量的电子，成为带负电的微粒，在静电吸引的作用下，被吸附到带正电荷的工件上去。当粉末附着到一定厚度时，则会发生“同性相斥”的作用，不能再吸附粉末，从而使各部分的粉层厚度均匀，然后经加温烘烤固化后粉层流平成为均匀的膜层。2）粉末静电喷涂工艺流程典型的粉末静电喷涂工艺流程如下：上件→脱脂→清洗→去锈→清洗→磷化→清洗→钝化→粉末静电喷涂→固化→冷却→下件3）影响粉末静电喷涂质量的主要因素除了工件表面前处理质量的好坏以外，还有喷涂时间、喷枪的形式、喷涂电压、喷粉量、粉末导电率、粉末粒度、粉末粒度、粉末和空气混合物的速度梯度等。流化床浸涂法流化床是由多孔隔板和容器组成，多孔隔板将容器分为上下两个部分。其工作过程：向隔板以下的容器部分通入压缩空气，压缩空气通过多孔隔板使上面粉末未受空气流的作用悬浮起来，并在上部容器内滚翻，呈现“沸腾”状态。经预热的工件通过“沸腾”的粉末区达到涂覆的效果。工件的预热温度可稍高于粉末的熔融温度。要使涂层获得较好的效果，应注意以下几个方面：1）流化床的结构形式要求简单，内部光滑避免死角，最好设有震动装置。2）流化床中的多孔隔板，应有一定的孔径和空密度分布。3）粉末粒子的大小以50~150目为好，形状接近球形较为理想。4）粉末涂料的含水量要尽量低，以避免流化不良和涂层气泡。5）压缩空气的流速和流量必须调整至粉末涂料稳定地流化，不致溢出，同时压缩空气应净化、干燥。（3）电泳涂装电泳涂装(electro-coating)是利用外加电场使悬浮于电泳液中的颜料和树脂等微粒定向迁移并沉积于电极之一的基底表面的涂装方法。电泳涂装按沉积性能可分为阳极电泳（工件是阳极，涂料是阴离子型）和阴极电泳（工件是阴极，涂料是阳离子型）；按电源可分为直流电泳和交流电泳；

电泳涂装是近30年来发展起来的一种特殊涂膜形成方法，是对水性涂料最具有实际意义的施工工艺。具有水溶性、无毒、易于自动化控制等特点，迅速在汽车、建材、五金、家电等行业得到广泛的应用。

电泳涂装基本原理阴极电泳涂料所含的树脂带有碱性基团，经酸中和后成盐而溶于水。通直流电后，酸根负离子向阳极移动，树脂离子及其包裹的颜料粒子带正电荷向阴极移动，并沉积在阴极上，这就是电泳涂装的基本原理（俗称镀漆）。电泳涂装是一个很复杂的电化学反应，一般认为至少有电解、电泳、电沉积、电渗这四种作用同时发生。

电泳四个过程：1）电解（分解）导电液体在通电时产生分解的现象，如水的电解能分解成H2和O2。

2）电泳在导电介质中，带电荷的胶体粒子在电场的作用下向相反电极移动的现象，如阴极电泳中带正电荷的胶体粒子夹带和