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涂料组成及其作用

1       涂料组成及其作用
1.1    涂料组成
涂料,一般包括挥发性和非挥发性成分。两种类型的成分都有其用途。在经过干燥和固化过程后,非挥发性成分保留在涂装物上,而挥发性成分释放到周围的空气中。挥发性成分包括溶剂和裂变产物。
挥发性物质的比例取决于具体使用的涂装系统和应用状况。用于汽车工业的涂料大体上含有50-80%的溶剂(取决于具体的涂料类型)。填料包含大约50%的溶剂,面漆达80%,而清漆则在35-50%之间。
 
涂料配方
 
 

 
 
          
挥发性成分                                非挥发性成分
 
 
 

 
 
 
 
 
        溶剂          裂变产物            颜料             结合剂        添加剂
 
1.2 溶剂
首先,溶剂使涂料的应用成为可能。使用的溶剂类型影响或决定应用步骤。
溶剂可以分成多种化学物质:烃类,水,酒精,醚/乙醇醚,酯。
涂料在使用时开始散发溶剂。在烘房里的干燥过程中,溶剂的散发变得更明显。
1.3 裂变产物
结合剂成分经历一个交联(缩聚)过程,在此期间裂变产物释放。裂变产物也可以是热干燥/固化过程的结果。这些产物可以包括水、面漆酒精和甲醛。
1.4 结合剂
结合剂使应用的涂料结合并形成涂膜。就是该结合剂主要决定了涂膜属性的类型。涂膜特性根据涂料类型和组成可以有很大变化。
因为结合剂,分布细致的颜料、填料和其他涂料成分在干燥和固化后形成紧密结合的涂层。在汽车涂装应用中,当前使用的厚度电泳浸涂(KTL)约为20-25μm,填料约为25-30μm,涂面漆约为10-15μm,清漆约为35-45μm。
根据上面的定义,涂料中的树脂和增塑剂与结合剂群聚在一起。涂料系统中的树脂是固化干燥涂料的成分。增塑剂使涂料有足够的弹性,以致于移动所涂装的物体而不裂损。
1.5 颜料
颜料是具有体结构的无机和有机物质,它在使用的涂料结合剂和溶剂中保持不可溶。颜料决定了涂料的颜色,不同的颜料或颜料混和物用来获得需要的颜色。
无机颜料包括碳酸钙、铁氧化物、钛氧化物、铝、铜、烟灰、石墨和其他东西。
有机颜料可以是人工合成的,也可以是天然的物质。
1.6 添加剂
添加剂影响某些涂料属性,如流动或干燥特性。它们只少量地与涂料混和。添加剂的精确成分和使用的浓度通常是涂料制造商的商业秘密。
 
2       涂料的干燥过程
2.1     涂料的固化方法
涂料的成膜过程就是涂层的固化过程,对溶剂型涂料俗称涂料的干燥。
表2-1  涂料的固化方法
固化方法分类
固  化  方  法
固化
(干燥)
自然干燥
在常温状态下干燥,俗称自干或气干
加热
固化
低温固化
100℃以下烘干
中温固化
100℃~150℃烘干
高温固化
150℃以上烘干
照射
固化
紫外线固化
紫外线照射
电子束固化
电子束照射
2.1.1  自然干燥
自然干燥只适合挥发型涂料、自干型涂料和触媒聚合型涂料。气温、湿度、风速对涂料的自干速度产生显著影响,一般是气温高、湿度低、通风条件好自干速度快、光照对涂料的自干也有利。
温度越高溶剂的蒸汽压就高,溶剂的挥发速度就快,氧化、聚合等涂料固化反应的速度也随温度的升高而加快。因此涂料自干场所的气温增高有利于涂料的干燥。一般要求自干场所的气温在5℃以上。
湿度高也就是空气中含水蒸汽多,水蒸汽对涂料中的溶剂挥发起抑制作用,另外湿度高时随着溶剂的挥发被涂物表面冷却,从而使空气中的水蒸汽冷凝容易造成涂层泛白。所以要求涂料自干场所的空气湿度要低,一般要求相对湿度不大于80%。
通风有利于涂料中溶剂的挥发和溶剂蒸汽的排除,并能保证自干场所的安全。
阳光中的紫外线对氧化聚合型涂料的自干有促进作用。
必须指出,自然干燥并不是指被涂物在露天场所自然晾干。自然干燥同样需要采取一定的措施来确保施工符合环保、消防和劳动卫生的法规。
2.1.2  加热固化
加热固化包括强制干燥和加热烘干。强制干燥指加热能自然干燥的涂料,目的是缩短涂料的干燥时间提高涂层的性能。强制干燥一般采用低温固化,固化温度在60℃~100℃左右,温度过高涂层容易起皱、起泡;加热烘干指加热只能在一定温度下固化的涂料,使其完全成膜。加热烘干所常用的温度一般在120℃以上。
加热固化的烘干规范(温度和时间)取决于被烘干的涂料类型、被涂物的材质。
l   硝基漆的烘干条件为60℃~80℃,10min~30min;
l   醇酸树脂漆为90℃~100℃,30min~60min;
l   丙烯酸树脂涂料为120℃~140℃,20min~40min;
l   环氧粉末涂料为170℃~190℃,20min~30min;
l   一般水性电泳涂料为170℃~190℃,20min~40min。
必须注意:涂料固化技术要求中的“温度”指的是涂层表面温度或涂层底材的温度,而不是烘干环境温度。金属制品的烘干温度一般为80℃~300℃;受热相对容易变形的塑料和木材的烘干温度一般为60℃~80℃。
相对工件而言,加热方式有:对流、辐射、电感应三种。
l   对流加热是以热空气为媒介,将热对流给涂层和被涂物而加热。其优点是加热均匀、温度控制精度高,适合于高质量的涂层、形状和结构复杂的被涂物烘干,是涂层烘干的主要方式,但对流加热的升温速度相对较慢。
l   辐射加热通常使用红外线、远红外线,它们从热源辐射出来呈电磁波在空气中传播,辐射到物体后直接吸收转换成热能,使底材和涂层同时加热,升温速度快、热效率高是其长处,但温度不易均匀。
l   电感应加热是利用电感应作用,使电能转变为热能。被涂金属件放在通交流电300~400Hz/s的线圈内,通过电磁感应使金属件受热,其特点是加热效率高,涂层干燥从基体下开始,使涂料中的溶剂完全散逸,但仅适合外形简单、规则的小金属件。
2.1.3  照射固化
照射固化法是指紫外线、电子束固化有机涂料成膜的新技术,紫外线固化技术的应用近期得到了较大的发展。
2.1.4  紫外线固化
当用特定波长的光照射含有光敏剂的光固化涂料的涂层时,光敏剂分解产生活性的游离基因,随即引发聚合反应,在短时间内使涂层固化成膜。因为通常采用波长为(300~450)nm的紫外线,所以称为紫外线固化。一般生产线上使用高压水银灯和紫外线荧光灯。
紫外线固化的特点是固化时间短(几十秒至几分钟),在常温下固化、装置价格相对较低。适合于加热容易变形的木材、塑料等材料的涂装,当然也适用于金属件的涂装。紫外线固化仅适合光固化专用涂料,而且只适合透明或易反射的颜料的涂料固化,目前使用较多的是紫外线光固化清漆。其缺点是:有照射盲点,只适合形状简单的被涂物固化。
涂料的固化速度取决于照射的强度,增加光源的强度可缩短涂料的固化时间。
2.1.5  电子束固化
电子束固化的机理是用高能量的电子束照射,使被照射涂层的分子内产生活性基团,引发聚合反应而使涂层成膜。电子束固化的特点是:固化时间极短(几秒)、常温下固化、能固化到涂层底部,因此适合于木材、塑料、金属、纸、布和皮革的涂装,而且它可固化不透明的涂料。其缺点是:有照射盲点,只适合形状简单的被涂物固化;照射装置的价格高、安全管理严格。
2.2 涂料的固化过程
a)       涂装作业中判定涂层的固化程度
表2-2  涂层固化程度的区分
名    称
状态(干燥程度)
触指干燥
轻触涂层涂料不附手指
不粘尘干燥
干燥到不粘尘的程度
表面干燥
干燥到无粘尘的状态
半硬干燥
轻压涂层涂料不附手指
全硬干燥
强压涂层涂料不附手指
打磨干燥
干燥到可打磨状态
完全干燥
无缺陷的完全干燥状态
 
b)       涂层在烘干室内的固化过程
在涂料干透和固化后,溶剂和裂变产物从涂料中蒸发,只有颜料和结合剂保留在表面。这些物质的晶界之间的结合由温度触发。干燥和固化过程需要固定的温度值。涂装的车身必须在烘房内在合适的温度下保持足够的时间。在此期间涂料固化,那就是说,它不再受外界影响了。
涂层在烘干室内的整个固化过程中,工件涂层的温度随着时间的变化,通常分为升温、保温和冷却三个阶段,温度与时间的关系即涂层固化温度曲线如图所示。
 
图2-1  涂层固化温度曲线
1—工件温度  2—烘干室空气温度
3—溶剂挥发率
 
涂层从室温升至所要求的烘干温度为升温阶段,所需的时间为升温时间。在这段时间里,需要用大量的热量来加热工件,而大部分溶剂在此段迅速挥发,因此需要在此段加强通风,排除溶剂蒸汽和补充新鲜空气。升温时间根据涂料溶剂沸点进行选择。沸点高,升温时间宜短(即升温速度较快)以加速溶剂的挥发。但升温速度过快,溶剂挥发不均匀,涂层可能出现不平整等缺陷。当然,升温时间放长,涂层溶剂慢慢地挥发,涂层质量好,但生产率降低,运行成本增加;涂料溶剂沸点低,升温时间宜长,这样可以防止溶剂沸腾造成涂层的缺陷。一般涂层内90%的溶剂在(5~10)min内逸出,因此升温时间一般在(5~10)min内选择。
涂层达到所要求的烘干温度后,延续的时间称为保温阶段,所需要的时间为保温时间(即烘干时间)。在这阶段时间里,主要是使涂层起化学作用而成膜,但也有少量溶剂蒸发,所以不但需要热量,还需要新鲜空气。但热量和新鲜空气的需要量都比升温段少。保温时间的长短根据涂层材料、涂层质量要求和烘干方法等因素选择,具体数据可参考涂料供应商提供的资料,也可以通过实验确定。
涂层温度从烘干温度开始下降,这段时间称为烘干室的冷却时间,一般指烘干室的出口段区域。工件离开烘干室时的温度一般只比烘干温度降低几十度,对于工件烘干后马上就要喷漆的情况(一般要求工件温度不超过40℃),烘干室后需要设置强制冷却室。
c)       被涂物的烘干温度曲线
涂料的精确温度只能在涂装的物体上测量。要完成此直接测量,“Datapaq”测量仪器随着车身通过烘房。Datapaq包括一个隔热的记录装置和附在车身上的6到8个传感器。这些传感器将温度传输到记录装置。一旦测量仪器通过烘房,计算机数据测定可以完成,并且绘制出一张曲线图(烘房曲线)。
薄金属板和顶部需要的加热时间相对较少,而门槛、车底和柱件需要的加热时间较多。
2.3 涂料固化应具备的条件
l  固化场所必须满足环保、消防和劳动卫生的法规。
l  涂层固化前已经充分流平。
l  固化场所的温度、湿度必须符合涂料的固化技术要求。
l  固化场所应清洁、无灰尘。

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