涂料组分对流变性能的影响


1,载液和溶剂

涂料用水或溶剂稀释后,体系中高分子链之间的缠绕程度减轻,膨润土或凹凸棒土形成的空间网格结构之间的距离变大,使得集团之间的作用力下降,表现为粘度降低,屈服值下降。因为粘度值下降,其剪切稀释作用和触变性也变得不明显,并使涂料逐步趋向牛顿流体。对涂料使用性能的影响表现为悬浮性下降,涂刷手感好,刷痕减轻,流平性好,但触变性变差,涂料流淌严重。

涂料稀释后会使涂层厚度变薄,渗透加深,涂层强度下降,所以在实际应用中需要根据涂料的使用性能和生产的实际要求合理地选择涂料的稀释程度,为了方便而往涂料中任意多加溶剂的方法是不对的。

大多数研究涂料流变性能的实验都是以水基涂料为例进行的,但是某些以醇基涂料为对象进行的试验表明,醇基涂料是典型的假塑性流体,有明显的剪切稀释性能,但流变性能与时间无关,故醇基涂料无触变性。这可能是因为醇类溶剂的极性较低,有机高分子化合物在其中可以溶解并形成缠绕集团,导致剪切稀释现象;悬浮剂在其中不会形成立体网状结构,因而不具有触变性。

但也有试验表明醇基涂料也存在着触变性。这主要是涂料体系中含有的水分造成的。酒精中含有约5%的水,且许多醇基涂料在配制过程中还会加入少量的水以引发无机悬浮剂,形成立体网状结构,另外溶于醇类的高分子聚合物也与无机黏土类悬浮剂相互吸附形成立体网状结构。这些均导致醇基涂料具有某种程度的触变性。

2,骨料

有研究对比了由4种不同骨料制成的涂料的流变曲线,同时也对比了其触变曲线,分别如图所示:

此研究的作者认为上图中以棕刚玉为骨料制成的涂料的流变曲线最为平缓,且具有一定的屈服值,因此该涂料具有良好的悬浮性和涂刷性。由图4可知,由棕刚玉制备的涂料的滞后环面积最大,其触变性最好。

实际上,硅藻土、镁铝尖晶石、石英砂和棕刚玉这4种不同的骨料制成的涂料,棕刚玉涂料的悬浮性和涂刷性最好,只具有参考意义。笔者认为,在常温下绝大部分骨料的化学性质稳定,与溶剂、高分子粘结剂和黏土类悬浮剂都不发生反应,因此骨料本身的成分的差别并不能影响到涂料的流变性质。这种影响到流变性质的,应该是骨料的粒度、粒形(比表面积)等物理因素。上述4种骨料,石英粉和镁铝尖晶石属于脆性物质,在破碎过程中形成尖角较多,粒形以尖角为多。硅藻土颗粒含有较多的微孔。这些因素都意味着其颗粒的比表面积较棕刚玉颗粒大,吸水率大,同样加水量时其粘度升高。

笔者认为,骨料本身的粒形、粒度及粒度分布,直接影响到颗粒的比表面积,从而对涂料的流变性能有重要影响。粒形越接近于圆形,则其比表面积越小。在一定范围内,粒度粗的骨料颗粒的比表面积较小。在同样的浓度下(比如同样加水量),比表面积越大,则涂料粘度越高,屈服值越大,触变性越强。另外,粒度小,则同容积液体中的粒子数量增大,界面面积和聚合物间的相互作用增加,碰撞的机会增加,结构中连接点较多,强度提高,表现出较大的屈服值,破解与组合都需要较长的时间,表现出较大触变性。下面的研究(浙江大学杨静煜:“石英粉水玻璃涂料的流变特性及工艺性能”)也验证了笔者的推论。

石英粉涂料流变曲线 石英粉粒度分布

两个图对照起来看,5种石英粉涂料粘度大小的次序,与石英粉粒度分布集中程度的次序基本上一致,石英粉粒度分布越集中,则涂料的粘度越大。屈服值大小的次序,与石英粉中细粉的含量的次序也非常一致,细粉含量越多,涂料的屈服值越大,触变性也越强。

当涂料中耐火粉料的粒度分布比较分散时,小尺寸的颗粒可以镶嵌在大颗粒间隙中,而粒度分布较为集中时,耐火粉料颗粒堆积的比较松散,较少有镶嵌的现象,所以密度较小。在耐火粉料尺寸集中的涂料中,堆砌颗粒间的涂料液体较多,在颗粒聚集体外的液体相应减少,液体呈现出较大的黏度。与此相反,在耐火粉料尺寸分散的涂料中束缚在涂料堆砌颗粒间的液体较少,在颗粒聚集体间的液体相对较多,使其表现出较低的黏度。因此,耐火粉料粒度相对集中的涂料,其粘度较高。

3,高分子化合物

CMC:

有研究显示,在一定范围内(0.2-0.5%),CMC加入量的增加可以明显提高涂料的粘度。CMC的水溶液(不含其它物质)无屈服值的假塑性流体,有剪切稀释特性。

CMC一般与膨润土一起加入,研究CMC单独加入的情况在铸造涂料上并无意义。

在涂料体系中存在膨润土作为悬浮剂的条件下,随着CMC含量的增加,涂料的屈服值增大,悬浮性得到改善。

有试验结果表明,随着CMC的增加,涂料的触变性改善,在加入量为0.3%时最大,然后触变性又减少。见下图:

CMC含量触变性曲线

 

黄原胶:

有文献(西安理工大学张忠明:“黄原胶对消失模铸造涂料性能的影响”)做出了研究。由图可知,某涂料不加黄原胶时,为假塑性流体,当黄原胶加入量为0.2%以上时,则变为有屈服值的假塑性流体。

黄原胶对流变性影响

黄原胶对涂料的粘度有显著的增加作用。当剪切速率为51s-1时,未加黄原胶的涂料的粘度为0.47Pa•s,加入0.3%的黄原胶后,粘度增大到1.78Pa•s,提高了近4倍。

黄原胶可以显著地改善涂料的悬浮性能。当加入质量分数为0.05%的黄原胶后,涂料的悬浮性就有61%提高到95%,黄原胶质量分数提高到0.1%后,悬浮性就达到了100%。

黄原胶是具有多侧链线性结构的高分子微生物聚合物,它的羟基能与水分子相结合,从而形成稳定的螺旋状网状结构;这种网状结构与CMC+钠基膨润土形成的连续网状结构相互加强,从而使涂料的悬浮能力大大增强。

黄原胶溶于水后,溶液成为假塑性流体,具有剪切稀释性能。与钠基膨润土结合后,便为有屈服值的假塑性流体。

4, 蒙脱土(钠基和钙基膨润土)

有文献(刘德新:蒙脱土悬浮液体现流变性研究)对钠基和钙基土对涂料流变性能的影响做了系统的研究。其主要论点如下:

1)随着蒙脱石在体系中含量的增加,流体的触变性也增大。

2)随着蒙脱石在体系中含量的增加,流体的表观粘度也增加。

3)随着蒙脱石在体系中含量的增加,粘度随着剪切速率的增加而呈现不同的变化。当蒙脱石含量大于8%时,体系体现出剪切稀释的现象,而介于2-6%的含量时,体系表现出剪切增稠的现象。蒙脱石悬浮液体系的流变性质随着蒙脱石的含量变化而改变,高浓度时呈现剪切稀释,而低粘度下呈现剪切增稠。

这是因为蒙脱石在水中有较强的分散性,当悬浮液体系浓度较高时,颗粒数量较多且颗粒间距离较近,颗粒间的联结方式为面-面,易于形成三维的“卡片屋”结构。在剪切力作用下,三维网络结构被破坏,体系则呈现出剪切稀释现象。当悬浮液体系浓度较低时,颗粒之间距离较远,不易形成空间网络结构,在剪切条件下,随着剪切速率的增加,颗粒间接触机会增多,颗粒之间的相互作用增强,因此,稀悬浮液体系表现出剪切增稠现象。

其它文献指出了同样的规律,同时也指出,随着膨润土含量的增加,涂料的屈服值也增大,触变性增大。如图所示:

钠基膨润土对流变性影响 钠基膨润土对触变性影响

5,凹凸棒土

凹凸棒土可以明显增加涂料的屈服值,增强剪切稀释性,并增加触变性。下面的研究(上海交大吴国华等:凹凸棒粘土对消失模涂料触变性的影响)对比了凹凸棒土和普通膨润土对涂料流变性的影响:

随着涂料中凹凸棒土和钠基膨润土加入量的增加,涂料的触变性均有不同程度的提高。但是,凹凸棒土和钠基膨润土对涂料触变性的影响有显著的差别,膨润土形成的结构破坏很快而恢复则缓慢,凹凸棒土形成的结构,破坏和恢复均是一个渐变的过程。

凹凸棒土的晶体结构还有三维立体链,虽然不像蒙脱石之类具有三层片状结构的粘土那样膨胀,但它有很强的形成胶体的能力,在比其他黏土低得多的浓度下,就能形成稳定的高浓度悬浮液。凹凸棒土在水中分散后,其针状晶体束形成复杂的网络,网络束缚液体使体系增稠,在受到剪切力时,网状结构破坏,束缚被解除,饱和的吸附在其晶间孔道的水,也有可能在剪应力作用下部分溢出,从而溶剂增多,内摩擦力减少,粘度下降,流动性增加,显示出较高的触变性。

另外有研究表明,凹凸棒土在乙醇悬浮液中呈现出带屈服值的假塑性流体的基本特征,随着凹凸棒土浓度的升高,悬浮液屈服值变大,粘度升高。

6,有机土

下面这篇文献(孙清洲:“醇基涂料中常用悬浮剂流变特性的研究)研究了有机土对涂料流变特性的影响。用二甲苯或120号溶剂油引发后制得的有机膨润土乙醇悬浮液呈现出塑性流体的基本特征,形成了较小的触变环。屈服值和同等剪切速率下的剪切应力都随着引发剂比例的增加而增加。屈服值和同等剪切速率下的剪切应力随着有机膨润土浓度的增加而增加。

本版块内容目录:

  1. 涂料的常温理化性能:密度,波美度,含固量、酸碱度
  2. 流变性能:
  3. 悬浮性
  4. 存放稳定性(防腐和防冻)
  5. 施涂性能:刷涂、流涂、浸涂与喷涂
  6. 渗透性
  7. 烘干性能、点燃性能及涂层质量

考考你:

阅读完本版块的主要章节后,您就可以知道:

从流变学角度看,铸造涂料属于什么类型的流体?

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