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漫谈汽车涂料的功能特性及组成机理,根据汽车涂料的特性,论述了汽车涂料的功能(上)

2019-10-04    阅读量:31033    新闻来源:互联网     |  投稿

涂料是一种含颜料或不含颜料的有机高分子胶体混合物的溶液或粉末材料,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。


汽车涂料就是指涂装在轿车、吉普车、大客车、大卡车等各种类型的汽车车身及零部件上的涂料,一般系指制造新车用的涂料及辅助材料和车辆修补用涂料中国机械网okmao.com。汽车作为户外交通工具,有其特殊的使用条件,另外,随着近年来汽车工业的飞速发展,汽车的生产量越来越大,这就使汽车的涂装工艺完全转向高速率和现代化的流水作业。


1、汽车涂料的含义及特性

所谓涂料即涂在物体表面,使其美观或防蚀的物质。如油漆、煤焦油等油漆:涂料的旧名泛指油类和漆类涂料产品,在具体的涂料品种命名时常用“漆”字表示“涂料”,例如调和漆、底漆、面漆等。早期大多以植物油未主要原料,故被叫做“油漆”。


不论是传统的以天然物质为原料的涂料产品,还是现代发展中的以合成化工产品为原料的涂料产品,都属于有机化工高分子材料,所形成的涂膜属于高分子化合物类型。按照现代通行的化工产品的分类,涂料属于精细化工产品。


随着科学的发展,各种有机合成树脂原料广泛地被利用,油漆产品发生了根本变化,不论其中是否含有颜料,准确的名称应为有机涂料,简称涂料。将涂料涂布到清洁的被涂物表面上,经干燥成膜的工艺叫涂装。涂装工艺由漆前表面处理,涂布和干燥等三个基本工序组成。有时也将涂料在被涂物表面扩散的操作也称为涂装。


根据以上特点,要求汽车涂料具有下列特性;漂亮的外观。要求漆膜丰满,光泽华丽柔和,鲜映性好,色彩多种多样并符合潮流。现在轿车多使用金属闪光涂料和含有云母珠光颜料的涂料,使其外观看上去更加赏心悦目,给人以美感;极好的耐候性耐腐蚀性。


要求适用于各种温度、曝晒及风雨侵蚀,在各种气候条件下保持不失光、不变色、不起泡、不开裂、不脱落、不锈蚀。要求漆膜的使用寿命不低于汽车本身的寿命,一般为大于10年;极好的施工性和配套性。

汽车漆一般系多层涂装,因靠单层涂装一般达不到良好的性能,所以要求各涂层之间附着力好,无缺陷,并要求涂料本身性能适应汽车工业现代化涂装流水线;极好的机械性能。适应汽车的高速、多震和应变,要求漆膜的附着力好、坚硬柔韧、耐冲击、耐弯曲、耐划伤、耐摩擦等性能优越;极好的耐擦洗性、耐污性和良好的可修补性。要求耐毛刷、肥皂、清洗剂清洗,与其他常见的污渍接触后不留痕迹。现代的涂料正在逐步成为一类多功能性的工程材料,是化学工业中的一个重要行业。


2、汽车涂料的功能

涂料涂膜具有物面保护、装饰美化、色彩标志及各种特殊作用。汽车涂料有以下几种功能:


(1)美化环境。颜色、光泽、图案和平整性等。

不同材质的物件涂上涂料,可得到五光十色、绚丽多彩的外观,起到美化人类生活环境的作用,对人类的物质生活和精神生活做出不容忽视的贡献。随着我国国民经济的不断发展和科学技术的不断进步,以及人们生活水平的不断提高,道路上行驶的各种汽车越来越多。五颜六色的汽车装扮着城市的各条道路,形成一条条美丽的风景线,对城市和道路环境起着美化作用,给人们以美的享受。这些成果的得来与我国的汽车美容业的兴起是分不开的,如果没有汽车美容,道路上行驶的汽车车身灰尘污垢堆积,漆面色彩单调、色泽暗淡,甚至锈迹斑斑,这样将会形成与美丽的城市建筑极不协调的景象。因此,美化城市环境离不开汽车美容。


(2)保护功能。

防腐、防水、防油、耐化学品、耐光、耐温等物件暴露在大气之中,受到氧气、水分等的侵蚀,造成金属锈蚀、木材腐朽、水泥风化等破坏现象。涂漆是最方便、最可靠的防腐蚀方法之一。通过各种不同的工艺,在物件表面涂以涂料,使之牢固地附着在物体表面,形成一层保护膜,能够阻止或延迟这些破坏现象的发生和发展,使各种材料的使用寿命延长。形成具有一定耐潮湿性、耐水性、耐候性、耐油性或耐化学品性等性能漆膜,把物体表面与空气、水分、日光及其他腐蚀物质(如酸、碱、盐、二氧化硫等)隔离,起到保护物面、防止腐蚀,减轻物体所受摩擦等冲击,从而达到保护物体延长使用寿命的效果。保护作用是涂料的一个主要作用。汽车在使用过程中,由于风吹、日晒、雨淋等自然侵蚀,以及环境污染的影响,涂膜会出现失光、变色、粉化、起泡、龟裂、脱落等老化现象,另外交通事故、机械撞击等也会造成涂膜损伤。一旦涂膜损坏,金属等物体便失去了保护的“外衣”。为此,加强汽车美容作业,养护好汽车表面涂膜是保护汽车金属等物体的前提。涂料的保护功能,可使大量机械设备、汽车等大大延长使用寿命。例如,汽车车身采用优质的涂料和良好的涂装工艺,进行涂装后能在各种气候条件下使用10年以上完好无损,反之涂装处理不好的车身在温热条件下,仅使用1~2年就锈蚀穿孔。


(3)装饰功能。

涂装可使物体具有色彩、光泽、平滑性和立体感等。很多色彩鲜艳美观的汽车产品都是用涂料装饰的结果。机械设备,若涂上一层锤纹漆,可使表面粗糙的设备,既具有漂亮的花纹,又便于擦洗,保持清洁卫生。随着人们消费水平的提高,对于一些中、高档轿车来说,已不仅仅是一种交通工具,它已成为一种身份的象征。车主不仅要求汽车具有优良的性能,而且要求汽车具有漂亮的外观,并想方设法把汽车装点得靓丽美观,这就对汽车的装饰性能提出了更高的要求。汽车的装饰性不仅取决于车型外观设计,而且取决于汽车表面色彩、光泽等因素。通过汽车美容作业,使汽车涂层平整、色彩鲜艳、色泽光亮,始终保持美丽的容颜。


(4)涂料可以改变物体表面的颜色。

不同的颜色对人们的视觉、精神、心理将产生种种不同的反应。因此,可以利用涂料不同的颜色作为标记加以区别和刺激,例如在公路、铁路、机场等交通行业中,涂料的这种标志作用应用得尤为广泛。常用涂料的不同颜色表示危险、警告、前进、停止等信号。


此外化学工厂、仓库等场所用涂料的颜色表示易燃、有毒等标志;种种管道、容器、电器等涂上各种颜色作标志,使操作人员容易识别:一些工程车、救护车、消防车等用涂料的不同颜色作标记,以引起人们注意等。这些都是涂料起标志作用的例子。


(5)特种功能。

涂料的特殊作用,是指涂料经涂装后,在特定的环境条件下,发挥的特殊作用。因此,又称有特殊作用的涂料为专用涂料。对现代涂料而言,这种作用与前述作用比较越来越显示其重要性。现代的一些涂料品种能提供多种不同的特殊功能,如:电绝缘、导电、屏蔽电磁波、防静电产生等作用;防霉、杀菌、杀虫、防海洋生物粘附等生物化学方面的作用;耐高温、保温、示温和温度标记、防止延燃、烧蚀隔热等热能方面的作用;反射光、发光、吸收和反射红外线、吸收太阳能、屏蔽射线、标志颜色等光学性能方面的作用;防滑、自润滑、防碎裂飞溅等机械性能方面的作用;还有防噪声、减振、卫生消毒、防结露、防结冰等各种不同作用等。


特殊用途的涂料,使用较为广泛,特别是在国防建设中更为突出。如机电产品涂上绝缘涂料起到绝缘的作用;汽车上一些特殊部位涂装防振、消声、隔热等涂料使性能会更好。船舶长年累月在江河湖海中航行,海水浸泡、巨浪的冲刷,以及海底微生物的侵蚀等都要用性能良好的特殊涂料。还有用于军事装备上的涂料,如飞机、卫星用的抗幅射高温涂斜、用于伪装的战车、军舰上的涂料等。随着国民经济的发展和科学技术的进步,涂料将在更多方面提供和发挥各种更新的特种功能。


综上所述,涂料在国民经济、科学技术、人民生活等各领域发挥着重大的特殊作用。现实生活中有70%以上的钢铁制品暴露在易于腐蚀的环境中,如桥梁、交通工具、各种机械设备等,长期受到风吹雨淋,酸、碱、盐和微生物的腐蚀,使设备的机械性能下降,使用价值降低,甚至造成提前报废。


涂料作为金属防腐最广泛的应用方法,已经成为国民经济、科学技术、人民生活中不可缺少的材料。随着人们生活水平的提高,创造一个良好的生活、学习、工作环境是急不可待的。在我们生活中,周围环境的好坏,对人们的健康起着重要的作用。涂料与美化、装饰紧密相联。当你走在城市的大街上,那些高楼大厦、奇特的建筑、商品机械设备及环境都离不开色彩美化。生活要用色彩的装饰,产品也要用涂料来装饰,目的在于提高它的使用和商品价值。


3、车用涂料的组成物质及按物质类型分类

涂料一般是由挥发分(稀释剂)和不挥发分两部分组成。将它在物件表面上涂布后,其挥发分逐渐挥发逸去,留下不挥发分而干固成膜,把不挥发分的成膜物质叫做涂料的固体分或固体含量。成膜物质又可分为主要、次要和辅助成膜物质三种。主要成膜物质可以单独成膜也可以黏结颜料等物质共同成膜,它是涂料的基础,因此也常称为基料。汽车涂料一般由四种基本组分组成:成膜物质(树脂)、颜料(包括体质颜料)、溶剂和添加剂。



(1)成膜物质(树脂)。

成膜物质它是涂料的主体组分和基础,其作用是使颜料保持明亮状态,使之坚固耐久并能黏附在物体表面,是对涂料和涂膜的性能起决定性的作用,具有粘结涂料中其它组分形成涂膜的功能。成膜物质(树脂)具有一定的保护与装饰作用,如光泽、硬度、弹性、耐水、耐酸碱等。目前成膜物质(树脂)有来源于自然界的天然树脂(如松香、生漆等)、用天然高分子化合物加工制得的人造树脂(如改性松香、纤维素衍生物、橡胶衍生物等)和化工原料合成的合成树脂(如丙烯酸树脂、醇酸树脂、聚氨酯树脂、环氧树脂等)。


成膜物质(树脂)通过化学、物理改性后,可以提高漆膜的耐久性、附着力、防蚀性、耐磨性和韧性等。可以作为成膜物质的使用的物质品种很多,当代的涂料工业主要使用树脂。树脂是一种无定型状态存在的有机物,通常指高分子聚合物。过去,涂料使用天然树脂为成膜物质,现代则广泛应用合成树脂,例如:醇酸树脂、丙烯酸树脂、氯化橡胶树脂、环氧树脂等。主要成膜物质(有称漆基、连接剂)可以单独形成涂膜,它大致又可以分为两大类:一是油料。如桐油、梓油、苏子油等。以油作为主要成膜物质的涂料,习惯上称为油性涂料;二是树脂。


包括天然树脂、人造树脂和合成树脂。以树脂为主要成膜物质的涂料,称为树脂涂料。另外,以油和某些天然树脂合用为主要成膜物质的涂料,称为油基涂料。汽车用涂料条件要求比较高,在储存期内性能必须稳定,不能发生明显的物理、化学变化,涂装后能在规定条件下迅速固化成膜,因此其主要成膜物质均为各种优质的合成树脂。


(2)颜料是涂料中不挥发物质之一。

颜料是涂料中的是次要成膜物质,也是构成有颜色的涂料(色漆)的一个主要的组分,但不能单独构成涂膜。颜料使涂膜呈现色彩,使涂膜具有遮盖被涂物体的能力,以发挥其装饰和保护作用。次要成膜物质包括各类颜料,其作用主要是提高涂膜性能,增加涂料品种。它能赋于面漆色彩和耐久性,起美观装饰作用,同时使涂料具有遮盖力,并提高强度和附着力,改变光泽,改善流动性和涂装性能。


颜色分着色颜料、体质颜料、防锈颜料等。颜料是一种微细末状的物质,它在涂料中能改善涂料的物理和化学性能,提高涂膜的耐水性、耐油性、防腐性、耐磨性等,大多数不溶于水或油的介质中,只能均匀地分散在其中。有些颜料还能提供诸如:提高漆膜机械性能、提高漆膜耐久性、提供防腐蚀、导电、阻燃等性能。颜料按来源可以分为天然颜料和合成颜料;按化学成份,分为无机颜料和有机颜料;按所起的作用又可分为着色、防锈和体质颜料三大类。涂料中使用最多的是无机颜料,合成颜料使用也很广泛,现在有机颜料的发展很快。


(3)溶剂是涂料中的“挥发”成分。

溶剂是一种能溶解树脂油类等物质又称稀料,它包括溶剂、稀释剂、助溶剂。它的主要作用能将涂料中的成膜物质溶解或分散为均匀的液态,以便于施工成膜,使漆料能正常涂布,是涂料生产制备和涂装中不可缺少的成分之一,可使涂料中的主要成膜物质的黏度(或稠度)达到施工的要求。当施工后又能从漆膜中挥发至大气的物质,原则上溶剂不构成涂膜,也不应存留在涂膜中。溶剂是易挥发的液体,涂料经涂装干结成膜后应完全挥发掉,又称为挥发部分。


涂料涂装时选择溶剂很重要,它可以影响涂料的性能和涂膜的质量,选择不当甚至造成涂料的报废或工程返工。优质的溶剂能改善面漆的涂布性能和漆膜特性,增强光泽,从而减少抛光工作量,同时也有助于更精确地配色。常用的溶剂有烃类溶剂、烯类溶剂、醇类溶剂、酯类溶剂、酮类溶剂、醇醚类溶剂以及氯化烃类溶剂和水。很多化学品包括水、无机化合物和有机化合物都可以作为涂料的溶剂组分。


现代的某些涂料中开发应用了一些既能溶解或分散成膜物质为液态,又能在施工成膜过程中与成膜物质发生化学反应形成新的物质而存留在漆膜中的化合物,被称为反应活性剂或活性稀释剂。溶剂有的是在涂料制造时加入,有的是在涂料施工时加入。


(4)添加剂。

添加剂也称助剂或称为涂料的辅助材料组分,但它不能独立形成涂膜,它在涂料成膜后可以作为涂膜的一个组分而在涂膜中存在。添加剂的作用是对涂料或涂膜的某一特定方面的性能起改进作用。不同品种的涂料需要使用不同作用的添加剂;即使同一类型的涂料,由于其使用的目的,方法或性能要求的不同,而需要使用不同的添加剂;一种涂料中可使用多种不同的添加剂,以发挥其不同作用。


添加剂包括催干剂、增韧剂、乳化剂、润湿剂、稳定剂等。由于近十多年来涂料工艺发生了巨大变化,添加剂的使用也越来越普遍。虽然添加剂在涂料中的比例不超过5%,但它们起着各种重要作用,有能加速干燥并增强光泽的加速剂,有减缓干燥速度的缓凝剂,还有能减弱光泽的消光剂,有些添加剂起的是综合作用,能减少起皱、加速干燥、防止发白、提高耐化学物质的能力等。


车用涂料按物质类型大致可分为主要成膜物质、次要成膜物质和辅助成膜物质3部分:一是主要成膜物质。主要成膜物质用油料和树脂在涂料中做黏合剂,可以单独成膜,也可以粘结颜料等共同成膜。以油为主要成膜物质制成的涂料称为油基漆;以树脂为主要成膜物质制成的涂料为树脂漆;二是次要成膜物质。颜料是构成漆膜的主要成分之一,但它离开主要成膜物质,便不能单独成膜。


涂膜中有了颜料可提高漆膜的致密度、耐水性、耐候性和机械强度(硬度、抗磨性)并且能延长漆膜的使用寿命。颜料可分为无机颜料和有机颜料两大类。按用途可分为着色颜料、防锈颜料和体质颜料;三是辅助成膜物质。辅助成膜物质分为溶剂和辅助材料两类,也不能单独成膜。但在涂料生产、储存和涂装过程中,是不可缺少的材料。溶剂可分为真溶剂、助溶剂、稀释剂3类,溶剂在涂料形成涂膜过程中逐渐挥发掉。溶剂对涂料的性能和品质有很大影响。


辅助材料有催干剂、增韧剂、消光剂、抗结皮剂、消泡剂、防霉剂、杀虫剂等,这些材料在涂料中的比例虽小,但在其组成中,起着非常重要的作用。


4、涂料流变性能的重要性及涂料的成膜机理

颜料添加入涂料基料中将不可避免的改变涂料的流变特性。反映流变性能最常用的指标就是涂料体系的黏度。当涂料体系流动的时候,通过黏度,我们很容易了解到流体发生的变化。


如果是在任意小的外力下都可以流动的流体,同时所加的剪切应力的大小(单位面积上流体所受的力)和流体的速度梯度(D)(也被称之为剪切速率,即流体受力以后两层流体间的速度随位置的变化率)成正比,我们称之为牛顿流体。


从本质上讲,黏度是流体抗拒流动的一种性质,是流体分子间相互吸引而产生的阻碍分子间相对运动能力的量度,即流体流动的内部阻力。而牛顿流体中切应力和速度梯度D的比值是固定不变的。此项比值被称为液体黏度系数,简称黏度。然而有另一种流体,背离了上述的比例关系,被称为非牛顿流体。非牛顿流体分为塑性流体,触变性流体,假塑性流体,膨胀性流体等不同类型。当一种流体受到外力作用时,并不立即开始流动。


只有在所加外力大到某一程度时才开始流动。流体开始流动所需的最小切应力被称为屈服值。此类流体被称为属于非牛顿流体的塑性流体。黏度已不能独立于所受切应力之外而保持不变。而是随着剪切速率的变化呈现复杂的变化。大体上说,随着剪切速率的上升,黏度往往会下降。通常的解释是剪切力破坏了涂料体系的内部结构。在绝大多数情况下,一旦剪切力消失,涂料体系的结构将恢复。


此种流体特性在涂料工业中有非常大的现实意义,能导入此种特性的助剂称为触变剂。此类流体称为触变性流体。当剪切应力到达一定值时,液体突然开始流动,在低中剪切力作用下基本呈现牛顿流体特性,在高剪切力作用下,黏度随剪切速率增加而下降的流体被称为假塑性流体。黏度随剪切速率增加而增加的流体被称为膨胀性流体,也称剪切变稠流体。在剪切力作用下,流体将很快变得不能移动,形成近似刚性结构。流变性能对于涂料生产的分散阶段,涂料仓储阶段和施工阶段都具有非常重大的意义。


在涂料生产的分散阶段,出于经济和效率的考虑,我们希望有尽可能高的颜料含量和颜基比。但颜料含量越高,颜料粒子粒径越小,比表积就越大,湿润颜料表面的涂料基料就多,黏度就会上升。


同样在整个涂料体系中较大的颜料,树脂黏结料和助剂体积因子也会导致黏度升高。我们希望在分散设备,触变剂的帮助下,达到尽可能低的黏度,低的黏度意谓极好的流动性,尽可能高的颜料含量和颜基比。


在涂料储存阶段,在没有剪切力的情况下,我们希望在触变剂的帮助下保持较高黏度,维持涂料系统的稳定性,防止颜料沉淀。在涂料施工阶段,我们希望涂料系统呈现牛顿流体的特性,我们可按照施工手段的不同(喷涂,辊涂,刷涂等)来调节涂料粘度。


涂料涂饰施工在被涂物件表面只是完成了涂料成膜的第一步,还要继续进行变成固态连续膜的过程,才能完成全部的涂料成膜过程。这个由“湿膜”变为“干膜”的过程通常称为“干燥”或“固化”。这个干燥和固化的过程是涂料成膜过程的核心。不同形态和组成的涂料有各自的成膜机理,成膜机理是由涂料所用的成膜物质的性质决定的。


通常人们将涂料的成膜发生分为两大类:一是非转化型。一般指物理成膜方式,即主要依靠涂膜中的溶剂或其它分散介质的挥发,涂膜黏度逐渐增大而形成固体涂膜。例如:丙烯酸涂料、氯化橡胶涂料、沥青漆、乙烯涂料等;二是转化型。


一般指成膜过程中发生了化学反应及涂料主要依靠化学反应发生成膜。这种成膜就是涂料中的成膜物质在施工后聚合称为高聚物的涂膜的过程,可以说是一种特殊的高聚物合成方式,它完全遵循高分子合成反应机理。例如:醇酸涂料、环氧涂料、聚氨酯涂料、酚醛涂料等。但是,现代的涂料大多不是一种单一的方式成膜,而是依靠多种方式最终成膜的。


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