涂料中的流变学与表面化学

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1、第五章涂料中的流变学与表面化学涂料一般为粘稠液体，可以用不同的施工工艺涂覆在物体表面，干燥后能形成粘附牢固、具有一定的强度、连续的固态漆膜。流变学是研究流体流动和变形的科学。涂料在涂装的过程中，一定要经过流体这个阶段，涂料的流变性能对涂料的生产、贮存、施工和成膜有很大的影响。研究涂料的流变性对涂料选择、配方设计、生产、施工，提高涂膜性能具有指导意义。5.1涂料中的流变学问题流体按大类可以分为牛顿型和非牛顿型，非牛顿型流体又分为剪切速率依存型和时间依存型。剪切速率依存型是指流体的流动行为随剪切速率的变化而变化，包括假塑型、胀流型和塑型。时间依存型是指一定剪切速率下流体随

2、时间而变化的流动特性，实际中的涂料大多数是触变型流体。5.1.1流体的类型粘度不随剪切速率变化的流体称为牛顿流体，粘度随剪切速率变化的流体称为非牛顿流动。非牛顿流体又可分成假塑性流体，胀流性流体和触变性流体。假塑性流体的粘度随着剪切速率的增加而减小（即切力变稀的流体），胀流性流体的粘度随着剪切的速率的增加而增大，触变性流体的粘度随着剪切时间的延长而降低，涂料大都为非牛顿流体。1、黏度与牛顿型流体涂料的流变性能与涂料在不同条件下的粘度有关。粘度是涂料流变学的一个重要指标，与剪切速率和剪切应力密切相关。设面积为A、距离为dχ的两层液体，在剪切力F的作用以下一定的速度差dν

3、作平行流动，单位面积所受的力（F/A）称为剪切力（τ），速度梯度（dν/dχ）称为剪切速率（D），剪切力与剪切速率的比值（τ/D）称为粘度（η），是液体抵制流动的量度。牛顿流体的流动示意图牛顿型液体：能够在一定温度下保持一定的黏度，并且在剪切速率变化时，黏度保持恒定。水、溶剂、矿物油和某些低相对分子质量树脂溶液都是牛顿型液体。涂料产品很少是牛顿型液体。牛顿流体的流动和粘度特性曲线如图所示。2、非牛顿型液体假塑性流体：液体黏度随着剪切速率的增加而减少。（涂料）膨胀性流体：液体黏度随着剪切速率的增加而增加。屈服值：剪切应力必须超过某一最低点A，液体才开始流动，A点称为屈服

4、值或塑变点。剪切应力低于屈服值时，液体如同弹性固体，仅变形而不流动，通常称为宾汉流体。剪切应力一旦超过屈服值，液体开始流动，可以是假塑型，也可以是膨胀型的。表观黏度：在某一剪切条件下测得的黏度称表观黏度。触变性流体：当假塑性流体的流动行为与其历史有关，即对时间有依赖时，称触变性流体。即触变型流体的粘度与剪切历程有关，经受剪切的时间越长，其粘度越低，直到某一下限值。一旦释去剪切力，粘度又回升，由于原始结构已遭破坏，必须经过一定的时间，才能恢复到原始值。涂料体系的触变性在施工时的高剪切速率下有较低粘度，有助于流动并易于施工；在施工后的低剪切速率下，有较高粘度，可防止颜料沉

5、降和湿膜流挂。非牛顿流体剪切应力随剪切速率变化情况如下：触变性起因是在静止时体系内有某种很弱的网状结构形成，在剪切力作用下被破坏，一旦力被撤去，网状结构恢复。触变性在涂料中起到很好的作用，如在高剪切速率时（刷涂时），黏度低，可方便地涂刷并使涂料有很好的流动性，低剪切速率时，（静止或刷涂后），具有较高的黏度，防止流挂和颜料的沉淀。5.1.2分散体系的黏度黏度可用Mooney公式表示(穆尼黏度公式)Ke爱因斯坦因子，分散体系为球形时，其值为2.5Vi为分散体（内相）在体系中所占的体积分数φ是堆积因子，当分散体大小相同时的球体，其值为0.639此公式只有在分散体是刚性的粒子

6、，并无相互作用的情况下适用。应用此公式定性地解释涂料的现象。1）Ke爱因斯坦因子，分散体系为球形时，其值为2.5。2）涂料黏度和聚合物本身性质及溶剂性质有关。确定的高聚物和使用溶剂，η0不变。3）Vi为分散体（内相）在体系中所占的体积分数，乳胶粒子外层吸附一层乳化剂和水，颜料外层吸附一层树脂，增加了内相的体积，粒子越细，吸附量越多，Vi大大增加。所以体积相同时，粒子越细，黏度越大。4）φ是堆积因子，当分散体大小相同时的球体，其值为0.639。在剪切力的作用下，可以变形，φ值增加，Ke值减少，式中第二项减少，黏度下降。涂料中的颜料外面吸附一层树脂，剪切力作用下可以变形，

7、使黏度下降。外力撤去，恢复原状，黏度恢复。影响涂料粘度的主要因素有温度、聚合物浓度，分子量大小及其分布，溶剂粘度等。溶液的粘度随温度升高而降低，其关系可用下式表示：实际应用中涂料的粘度与聚合物浓度之间的关系可用下式表示：为相对粘度，w为溶质的质量分数，Ka和kb为常数，Ka和kb可以通过作图或者计算求出，该式适用于低分子量聚合物的溶液。对于聚合物良溶剂的稀溶液，可以用Mark-Houwink方程(马克-霍温克公式）表示：三、涂料流动方程涂料在制备、贮存、施工和成膜阶段经受不同的剪切速率的作用。分散过程中搅拌下的剪切速率约为103~104s-1，而器壁