涂料

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涂料(coating)是一类呈流动状,能在物体表面扩展形成薄层,并随着时间延续,在加热以及其他能量作用下在被修饰表面牢固黏附固化,并形成具有特定性能连续皮膜的物质。概括起来说,涂料是一种液态或粉末状态能均匀涂覆在物体表面并形成坚韧保护膜的材料。由于在物体表面结成干膜,故又称为涂膜或涂层。涂料可以是无机物质,如陶瓷釉、电镀铜、电镀镍、电镀锌等,也可以是有机物质。而高分子涂料(polymer coating)是一种有机高分子混合物,用于保护与装饰材料表面,以免受到外界侵蚀,并且能起到掩盖缺陷的作用。由于涂料早期制作时,大多采用植物油脂和天然树脂,如亚麻子油、桐油、松香、生漆等为主要原料,故以前又称为油漆。但随着现代工艺和技术的不断发展,大多数厂家已采用更为先进的合成树脂取代植物油脂和天然树脂,故许多新型涂料已不再含有油的成分,这样“油漆”这个名词就显得不够确切了,因此,现在把用于涂装物体表面的各种材料统称为涂料。总体上涂料和漆差别不大,可相互使用,但是前者似乎更为科学。

组成

涂料尤其是高分子涂料其实就是一种较为复杂的复合材料,按照涂料中各组分所起的作用,可将其分为主要成膜物质、次要成膜物质和辅助成膜物质。

(1)主要成膜物质

主要成膜物质也称胶黏剂或固化剂。其作用是将涂料中其他组分黏结在一起形成一体,并使涂料附着在被涂物体表面形成坚韧的保护膜。主要成膜物质一般为高分子化合物或成膜后能形成高分子化合物的有机物质,如油料、天然树脂、合成树脂等。

①油料。

在涂料工业中,油料主要为植物油,用来制造各种油类加工产品、清漆、色漆、油改性合成树脂及作为增塑剂。在目前的涂料生产中,含有植物油的品种仍占较大比重。涂料工业中应用的油类分为干性油、半干性油和不干性油三类。干性油指涂成薄层后,在空气中能干燥而结成一层固体膜的油脂,如棉籽油、亚麻油、桐油等,其碘值在130以上;半干性油是指氧化干燥性能界于干性油和非干性油之间的油类,干燥速度比干性油慢得多,但比非干性油快得多,在空气中氧化后仅局部固化,形成并非完全固态而有黏性的膜,其碘值约为130,如豆油、糠油、向日葵油等。不干性油主要成分为脂肪酸三甘油酯,如橄榄油含大量的油酸甘油酯,蓖麻油含大量的蓖麻酸甘油酯等,一般为黄色液体,其碘值在100以下。

②树脂。

涂料用树脂有天然树脂、人造树脂和合成树脂三类。天然树脂是指天然材料经处理制成的树脂,主要有松香、虫胶和沥青等;人造树脂是由有机高分子化合物经加工而制成的树脂,如松香甘油酯(酯胶)、硝化纤维等;合成树脂是由单体经聚合或缩聚制得的,如醇酸树脂、氨基树脂、丙烯酸酯、环氧树脂聚氨酯等。其中合成树脂涂料是现代涂料工业中产量最大、品种最多、应用最广的涂料。

(2)次要成膜物质

次要成膜物质主要是颜料和填料(有的称为着色颜料和体质颜料),它们不能离开主要成膜物质而单独形成涂膜。颜料是一种不溶于水、溶剂或涂料基料的微细粉末状有色物质,能均匀地分散在涂料介质中,涂于物体表面形成色层。颜料有时还能提高涂膜本身的强度,如建筑涂料。颜料还有防止紫外线穿透的作用,从而可以提高涂层的耐老化性及耐候性。颜料还能使涂膜抑制金属腐蚀,具有耐高温等特殊效果。颜料的品种很多,按化学组成可分为有机颜料和无机颜料两大类;按来源可分为天然颜料和合成颜料;按所起的作用可分为着色颜料、防锈颜料和体质颜料等。着色颜料的主要作用是着色和遮盖物面,是颜料中品种最多的一类。着色颜料根据它们的色彩可分为红、黄、蓝、白、黑及金属光泽等。防锈颜料的主要作用是防金属锈蚀,品种有红丹、锌铬黄、氧化铁红、偏硼酸钡、铝粉等。体质颜料又称填料,它们不具有遮盖力和着色力,其主要作用是增加涂膜厚度和体质、提高涂膜耐磨性,大部分是天然产品和工业上的副产品,如碳酸钙、碳酸钡、滑石粉等。

(3)辅助成膜物质

辅助成膜物质不能构成涂膜或不是构成涂膜的主体,但对涂膜的成膜过程有很大影响,或对涂膜的性能起一定辅助作用。

①溶剂。

溶剂又称稀释剂,是液态涂料的主要成分。溶剂是一种能溶解油料、树脂,又易挥发,能使树脂成膜的物质。涂料涂刷到基层上后,溶剂蒸发,涂料逐渐干燥硬化,最终形成均匀、连续的涂膜。它们最后并不留在涂膜中,因此称为辅助成膜物质。溶剂与涂膜的形成及其质量、成本等有密切的关系。尤其在选择有机溶剂时,首先应考虑有机溶剂对基料树脂的溶解性;此外,还应考虑有机溶剂本身的挥发性、易燃性和毒性等。常用的有机溶剂有松香水、酒精、汽油、苯、二甲苯、丙酮等。

②辅助材料。

其实有了成膜物质、颜料和溶剂就可以形成涂料,但为了改善涂膜的性能,诸如涂膜干燥时间、柔韧性、抗氧化性、抗紫外线作用、耐老化性能等,还常在涂料中加入一些辅助材料。辅助材料又称为助剂,它们量很少,但作用显著,常用的有催干剂、固化剂、催化剂、引发剂、增塑剂、紫外光吸收剂、抗氧化剂、防老剂等。某些功能性涂料还需采用具有特殊功能的助剂,如防火涂料用的阻燃剂等。

分类

涂料由于应用广、功能多,品种已多达近千种。

按涂料形态分类:溶剂型涂料、高固体量涂料、无溶剂型涂料、水性涂料、非水分散涂料及粉末涂料等。

按涂料用途分类:建筑涂料、工业涂料和维护涂料。

工业涂料包括汽车涂料、船舶涂料、飞机涂料、木器涂料、皮革涂料、纸张涂料、卷材涂料、塑料涂料等。

按涂膜功能分类:防锈涂料、防腐涂料、绝缘涂料、防污涂料、耐高温涂料、导电涂料等。

按成膜工序分类:底漆、腻子、中涂(或二道浆)、二道底漆、面漆、罩光漆。

按施工方法分类:喷漆、浸漆、电泳漆、自泳涂料及烘漆等。

按所含颜料情况分类:清漆、磁漆、厚漆等。

按成膜机理分类:非转化型和转化型涂料。非转化型涂料是指分子量较高的聚合物可以溶解在溶剂中或分散在分散介质中,施涂之后,溶剂或分散介质挥发,基料就在底材上形成连续而均匀的涂膜,大多数为挥发性涂料。纤维素酯类或醚类、氯化橡胶、乙烯类树脂(包括聚氯乙烯、氯乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚乙烯醇缩丁醛等)、丙烯酸酯类树脂、沥青等都是非转化型涂料。转化型涂料是指在成膜之前处于未聚合或部分聚合的状态,施涂之后,通过化学(聚合)反应形成固态涂膜,如油脂和油基树脂、醇酸树脂、氨基树脂、环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯树脂及有机硅树脂等。

作用

涂料是一种流动状态的物质,通过简单施工方法,并经干燥或固化,在物体表面牢固覆盖一层均匀的薄膜。涂层将对物体起保护作用、装饰作用、标志作用和其他方面的特殊作用。

(1)保护作用

在现实生活中,各类生产和生活用具、设备及其设施,都是由金属、塑料、木材和混凝土制造的。金属材料,如钢铁容易受到环境中腐蚀性介质、水分和空气中氧的侵蚀和腐蚀,尤其在恶劣的海洋环境中,金属的腐蚀极为严重,每年因腐蚀造成的损失都占国民生产总值相当可观的比例。例如在海洋环境中的设施,不保护时,寿命只有几年。采用防腐蚀涂料并定期加以维护,海洋设施的使用寿命可延长到30~50年,甚至100年。事实上,在各类防腐蚀措施的开支费用中,采用涂料保护的花费占到60%以上,因此用涂料保护是金属防腐蚀的重要手段,它的消耗量占到钢铁产量的2%。木材易受潮气、微生物的作用而腐烂;塑料则会受光和热的作用而降解;混凝土易风化或受化学品的侵蚀,因此这些材料也要用涂料来保护。

(2)装饰作用

用色彩来装饰环境,是人类的天性,并伴随着人类及其社会的整个发展过程,有着悠久的历史。为了人类情感上的需求,大家总是用各种颜色来美化物品、美化生活和工作环境。由于涂料很容易配出成百上千种颜色,色彩丰富,加上涂层既可以做到平滑光亮,也可以做出各种立体质感的效果,如锤纹、橘纹、裂纹、晶纹、闪光、珠光、多彩和绒面等,既有丰富的装饰效果,又有便利的施工方法,因此人们最喜欢用涂料来美化装饰各种用具、物品和生活环境。

(3)标志作用

标志作用是利用了色彩的明度与反差强烈的特性。通常是将红、橙、黄、绿、蓝、白和黑等明度与反差强烈的几种色彩,用在交通管理、化工管路和容器、大型或特种机械设备上进行标识,指示道路交通,引起人们警觉,避免危险事故发生,保障人们的安全。有些公用设施,如医院、消防车、救护车、邮局等,也常用它来标识,方便人们辨识。另外,它还有广告标志作用,以吸引人们注意。关于这方面,某些产品也往往被厂家用某种专用色彩来装饰,并赋予某种象征意义和内涵,使其品牌成长为名牌。

(4)特殊作用

涂层除了赋予上述几种常见功能外,还有几大方面的特殊功能。

①力学功能,如耐磨涂料、润滑涂料、阻尼涂料等。

②热功能,如示温涂料、耐高温涂料、防火阻燃涂料等。

③电磁学功能,如导电涂料、防静电涂料、电磁波吸收涂料等。

④光学功能,如发光涂料、荧光涂料、反光涂料等。

⑤生物功能,如防污涂料、防霉涂料等。

⑥化学功能,如耐酸、耐碱等耐化学介质涂料。

⑦其他功能,如抗淤积涂料、自修复涂料等。

涂层的这些特殊作用,增强了产品的使用性能,拓宽了使用范围,同时也对涂料和涂装技术提出了更高的要求,因此涂料与涂装已成为当今国民经济生活中一门必不可缺又极其重要的技术学科。

历史

涂料的使用已有相当悠久的历史。从浙江河姆渡出土的文物表明,早在7000年前,我国劳动人民就知道用颜料来涂饰陶器。约在公元前14世纪,奴隶社会的商代,从事手工业的奴隶已经能制作出相当精美的漆器,秦始皇兵马俑个个都披着彩色的战袍。到了西汉,漆器工艺已达到了相当水平,马王堆出土的汉代文物中就有非常精美的脱胎漆器。两汉以后,开始人工培植漆树,造漆技术已基本完善。特别是明代的油漆技术,在世界文化史上享有很高的声誉。古埃及人曾用阿拉伯胶来制备色漆。11世纪欧洲人开始用亚麻油制备油基清漆,17世纪又出现含铅的油漆,之后工业制漆得到较快的发展。

20世纪初,DuPont公司首先用硝基纤维素制成涂料投入工业生产,开始了合成高分子在涂料方面的应用,随着高分子科学的发展,合成高分子涂料迅速崛起,每10年左右就有一个代表性的品种出现。30年代开发了醇酸树脂,后来成为涂料中重要的品种之一——醇酸漆。40年代开发了环氧树脂类防腐涂料。50年代出现的聚丙烯酸酯涂料,是一种具有优良耐久性和高光泽的涂料,结合当时出现的静电喷涂技术,使汽车漆的发展又上了一个台阶。50年代后期,福特公司发展了阳极电泳漆,之后PPG又发展了阴极电泳漆。电泳漆不但是一种低污染的水性漆,而且进一步提高了涂料防腐蚀的效果,为工业涂料的发展做出了贡献。60年代,聚氨酯涂料得到较快的发展,它可以室温固化,而且性能特别优异,尽管价格较贵,仍受到重视,是最有前途的现代涂料品种之一。由于环保的限制,70年代粉末涂料得到很大发展,它是一种无溶剂涂料,制备方法接近于塑料成型的方法。80年代涂料发展的重要标志是DuPont公司发现的基团转移聚合方法。基团转移聚合法可以控制聚合物的相对分子量和相对分子量分布以及共聚物的组成,是制备高固含量涂料的理想聚合方法。有人认为它是高分子化学发展的一个新的里程碑,但它首先在涂料上得到了应用。到了90年代,随着原子转移自由基聚合的出现,又给涂料的发展提供了一次机遇,该类聚合方法的工业化将为涂料的发展注入新的活力。进入21世纪以来,由于受到来自环保和节能等方面日渐严酷的压力,涂料工业不得不重新评估现有涂料品种的可适用性,发展环保可持续材料就显得极为重要,大力发展水性耐高温涂料,成为国内外化工行业的共识。