涂層的熱膨脹系數(shù)與附著力

1、涂層的熱膨脹系數(shù)與附著力 發(fā)表時間:(2007年8月20日15:44) | 作者:ym | 所屬欄目:技術(shù)動態(tài) | 來自:上海涂料     中國涂料信息網(wǎng)據(jù)上海涂料報道摘要：探討了涂層的熱膨脹系數(shù)與涂層附著力的關(guān)系，指出涂層熱膨脹系數(shù)對其附著力的影響很小， 不是涂層開裂剝落的主要原因。     關(guān)鍵詞：熱膨脹溫度系數(shù)；附著力；分子撓曲性；彈性；收縮應力     0 前言     網(wǎng)站技術(shù)交流信息不少談及涂層與熱膨脹系 數(shù)的關(guān)系，大部分內(nèi)容為金屬或陶瓷材料熱噴涂層 的熱膨脹溫度

2、系數(shù)與基材的附著力方面的研究和討論，也有關(guān)于乙烯基酯玻璃纖維、鱗片增強材料的討論。認為當材料厚度達到某臨界點，溫度變化所產(chǎn)生的應力大于對基層的粘結(jié)強度是引起涂層起殼脫落的原因。     當防護層失去對化學腐蝕介質(zhì)、氧和水分的屏蔽作用時，其對基層的防護作用即宣告終結(jié)。一般有機高分子薄涂層材料的開裂、剝落是施工表面處理不到位，涂裝面的水分、灰塵或污染物對涂層結(jié) 合的隔離所致。涂層失去防護作用是一個緩慢過 程：由于腐蝕介質(zhì)或水和氧滲透至基層并對基層材料產(chǎn)生腐蝕破壞，導致涂層起泡、開裂或基層銹蝕體積膨脹造成涂層開裂剝落     網(wǎng)上信息介紹環(huán)

3、氧煤瀝青產(chǎn)品熱膨脹系數(shù)小，不至于因溫度升高而產(chǎn)生龜裂。這種把龜裂現(xiàn)象歸結(jié)為由于材料膨脹系數(shù)所致，理論上是片面的，就好象將添加超細材料說成是納米級產(chǎn)品一樣，技術(shù)面太窄。     有機材料的熱膨脹系數(shù)高于金屬、玻璃、混凝土 10 倍以上，涂層與基層材料的結(jié)合，依靠有機高分子材料分子的化學鍵能，對基層縫隙、錨孔的滲 透，基層良好的表面清潔和粗糙度，以保證物理性 的粘合。     高分子材料存在結(jié)構(gòu)孔，分子具有撓曲性，涂 層溶劑揮發(fā)通道留有孔隙，顏填料的界面間隙對高 分子材料應力起分散和吸收作用。涂料用樹脂有 由植物油改性樹脂以及以彈性橡膠型

4、材料作為成 膜材料之類，而這類涂料品種沒有恒定的熱膨脹溫度系數(shù)。    1 材料的熱膨脹系數(shù)     合成樹脂的熱膨脹溫度系數(shù)見表 1 。     各種材料的線膨脹系數(shù)見表 2 。   表1 合成樹脂的熱膨脹溫度系數(shù) l0-5 表 2 各種材料的線膨脹系數(shù)    由表中數(shù)據(jù)可見：賽璐珞、有機玻璃的線膨脹系數(shù)是無機材料的 1O 倍。表 1 、 2 未列出一般有彈性的橡膠、塑料和涂料等，是因為涂料品種超過樹 脂品種的幾十倍或幾百倍，涂料產(chǎn)品還有許多不確定的因素。  &#

5、160;  2 涂層熱膨脹系數(shù)的不確定因素     2 1 高分子材料結(jié)構(gòu)的影響     結(jié)構(gòu)緊密材料的熱膨脹系數(shù)相對較大，多孔材 料受溫度影響，其體積膨脹形變借助于形變對多 孔的壓縮而消除。涂料選用的樹脂是相對分子質(zhì)量范 圍在幾百至幾千的高分子材料，聚合物經(jīng)改性，支 化度增加，線型大分子存在弱分子問力，其中鏈段在常溫下能夠移動或轉(zhuǎn)動，在正常狀態(tài)下不是伸直的堅硬分子，而是柔順的無規(guī)線團，當溫度影響涂 層時，柔軟部分固有的彈性可以延伸不開裂，保持 外型尺寸的穩(wěn)定性。較多類的涂料應用于皮革、紡 織品或橡膠制品，可證明熱膨脹系數(shù)對

6、柔性涂層的變化極微。涂料的技術(shù)性能，幾乎不提及熱膨脹系 數(shù)，有下列原因：     涂層的多孔性；涂膜存在 孔 徑 (A) ；聚合物交聯(lián)密度不均勻；顏料和成膜物質(zhì)的界面特性；毛細管結(jié)構(gòu)； 針孔缺陷；柔韌長鏈分子導致生成一般小分子物質(zhì)所沒有的性質(zhì)，聚合物的力學性質(zhì)與形變持續(xù)性等。     聚合物的狀態(tài)均為凝聚態(tài)，液體到玻璃態(tài)的轉(zhuǎn) 變不是突變而是持續(xù)變化，加熱時呈高彈態(tài)，鏈分子蜷曲趨勢產(chǎn)生對形變的反作用力。彈性形變時整 個鏈狀分子沒有明顯的位移。升高溫度會增加鏈分 子的柔韌性，其物理性質(zhì) ( 熱膨脹系數(shù) ) 與普通小 分子液體接近。

7、60;   2 2 涂層材料組合體對熱膨脹系數(shù)的影響因素     顏料 PVC 、 CPVC ；涂裝表面毛糙，增加層間密合，使底層收縮率降低；厚度不高，收縮應力不 影響附著力；涂層對基層面的潤濕性和透人錨固； 無定形物，結(jié)晶性少；聚合物支化度高。     3 影響涂層附著力的因素     3 1 化學鍵鍵能     化學鍵產(chǎn)生涂層問的附著力，大于熱膨脹溫度系數(shù)引起的涂層剝離能，這是以樹脂為成膜物質(zhì)的復合層材料不以熱膨脹溫度系數(shù)考慮附著力的主 要原因。 &#

8、160;   以環(huán)氧樹脂類涂料為例，在環(huán)氧樹脂的結(jié)構(gòu)中有羥基、醚基和活潑的環(huán)氧基，使環(huán)氧樹脂具有很強的粘合力；羥基、醚基有很強的極性，與相鄰界面產(chǎn)生作用力。環(huán)氧樹脂粘合鋁或鋁合金材料，常 溫固化的抗剪切強度可達 15 MPa ，高溫固化的抗剪切強度可達 25 MPa 。   聚氨酯樹脂類涂料含有氨酯鍵、酯鍵、醚鍵、脲鍵、脲基甲酸酯鍵、三聚異氰酸酯鍵或油脂的不飽和雙鍵等，有和環(huán)氧樹脂涂料相近的對基層的優(yōu) 異附著力。聚氨酯樹脂類涂料有較好的彈性，能消除基層材料受溫度影響所產(chǎn)生的膨脹形態(tài)。涂層的 彈性也是不以熱膨脹溫度系數(shù)考慮附著力的原因。   &#

9、160; 3 2 涂層附著基層的表面粗糙度     涂層的涂裝工藝要求基層適合于涂層附著的 表面處理，有鋼材的除銹 ( 包括新鋼材的完整氧化皮處理 ) 、除油、除去表面疏松物等。以鋼材除銹工 藝為例表面處理使表面積增加近百倍。涂層厚度小，收縮力降至最低，有利于物理性的附著。     3 3 涂料的潤濕性與滲透力     涂裝工藝有細致嚴格的要求，在粗糙、有空隙的表面涂裝，除特殊要求，一般均以樹脂為底涂料經(jīng)稀釋后涂裝，保證第一道涂層既有對覆涂層良好 的涂裝面，又有對基層的潤濕與透入錨固。涂裝工程的耐久性以附

10、著力為基礎(chǔ)，涂裝工藝同繞附著力 對涂料產(chǎn)品選用、涂層的配套。涂裝工藝注重表面 處理的適合性，有利于對金屬材料、混凝土磚石等 建材的結(jié)合；涂料還適合在紡織品、皮革、人造革、 塑料以及橡膠表面涂裝。     3 4 成膜樹脂收縮應力     收縮應力的大小，由樹脂的收縮率所決定，收 縮率以百分之幾測算是材料熱膨脹溫度系數(shù)數(shù)值的百倍至上千倍。這也是以樹脂為成膜物質(zhì)的復合 材料，不以熱膨脹溫度系數(shù)考慮對附著力影響的原 因之一。     以環(huán)氧樹脂為例，環(huán)氧樹脂的收縮性是熱固性 樹脂中較小的，收縮率一般在 2 以下

11、，漫長的環(huán)氧材料的應用歷程，從未出現(xiàn)過因復合涂層與基材的熱膨脹溫度系數(shù)矛盾而影響涂裝工程的防護和裝飾效能。     不飽和聚酯樹脂漆的苯乙烯用量，要選擇最適宜的配比，苯乙烯用量太少則不足以充分固化，多則固化產(chǎn)物的收縮率大。此類樹脂的收縮率約 6 10 ，而該類樹脂制造的涂料附著力稍差，主要因素還是收縮率大的緣故。     4 涂層技術(shù)性能的特殊性     涂層的技術(shù)性能及性能檢測的國家標準有幾 十項，其中不設(shè)膨脹系數(shù)的技術(shù)要求，這說明涂層實際應用過程中，不存在線膨脹或體膨脹會對涂層附著力產(chǎn)生影響的問題；涂

12、層的附著力達到技術(shù)要求條件，不存在由于環(huán)境溫度變化引起基材的膨脹或收縮而致使涂層與基體脫離的問題。     熱膨脹溫度系數(shù)物體在溫度上升 1 所增大的體積和原來體積之比，或所增加的長度和原來長度之比。由于受某種力 ( 受壓或粘結(jié)力 ) 的限制，完全有可能不遵循上述規(guī)律。當涂膜有彈性，含溶劑 ( 分散劑 ) 的涂料成膜過程中存在分散劑揮發(fā)殘留的氣孔，無溶劑涂料具有彈性或含有增塑劑成分，就有可能不遵循上述規(guī)律。     4 1 涂層技術(shù)性能基本特點     4 1 1 涂層的柔韌性與附著力  

13、60;  在涂層性能檢測前制膜于 0 5 mm 鐵皮表面，涂層的柔韌性為 1 或 2 mm ，即繞直徑為 1 或 2 mm 圓棒 180 °繞曲，此時涂膜的伸長或背面涂膜的壓縮，遠大于涂膜受外界溫度影響而產(chǎn)生的膨脹或收縮形變。     4 1 2 涂層的應用     涂膜的形變承受能力表現(xiàn)在涂層復合產(chǎn)品卷鋼材料，經(jīng)壓制成波紋型材；加工成洗衣機外殼，能經(jīng)受多次的機械加工；以涂膜作為絕緣體的漆包線，是家用電器、變壓器、電動機的重要材料，經(jīng)多次的纏繞，成為線圈，能經(jīng)受溫度的劇變，應用 已達數(shù)十年。  4 2 粘

14、結(jié)復合材料及應用     復合材料是兩種不同性能金屬材料的復合，或非金屬材料與金屬材料的復合，有的是借助于粘結(jié)劑粘結(jié)劑與涂料成膜相似，從未有人產(chǎn)生過因膨脹系數(shù)差別而引起復合層破壞的想法。     高彈性的粘結(jié)材料與鋼鐵材料復合，在其能適應的環(huán)境中，完全能克服膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生分離的力。     4 3 大型涂裝工程涂層耐久性實例     橋梁工程     大橋是大型鋼結(jié)構(gòu)工程或鋼筋混凝土工程或 兩者的混合結(jié)構(gòu)工程，橫跨上海黃浦江的大橋，涂 料涂裝

15、工程經(jīng)歷十多年的考驗，并沒有因為兩種材料不同的膨脹系數(shù)而產(chǎn)生涂層的剝落。     鋼結(jié)構(gòu)屋架工程     上海浦東國際機場、上海大劇院屋架、上海八 萬人體育場屋架、上海 F1 賽車場算得上是大型涂 裝工程，氣溫的變化雖會造成鋼材與涂層不同的膨 脹系數(shù)。但未出現(xiàn)涂層的剝離。     上海青海路 1972 年建造到 1998 年拆除的 156 m 高的電視臺發(fā)射天線鐵塔，經(jīng)過 16 年的考驗也未 因膨脹系數(shù)的不同而出現(xiàn)涂層剝落的問題。     大型貯油罐、貯氣罐直徑和高度達幾十米

16、；東海油氣產(chǎn)品由管道輸送至陸地有幾公里到幾十公里；西氣東輸管道達數(shù)千公里，也未出現(xiàn)由于涂層與管道材料膨脹系數(shù)的差異而產(chǎn)生涂層脫落的問題。     涂料涂裝大件產(chǎn)品     船舶是涂料涂裝的典型工程，個體大，涂裝工 藝門類廣，涂料品種多，涂層厚度由幾十微米至幾百微米，船舶涂裝有上百年歷史，從未出現(xiàn)過因鋼材與涂層的膨脹系數(shù)差異而脫層。 飛機是經(jīng)受溫差劇變的大型物件，膨脹系數(shù)影 響更具典型性，同樣也沒有出現(xiàn)過因鋁合金材料與涂層的膨脹系數(shù)差異而脫層的問題。     線材     絕緣

17、涂料涂裝在銅線表面，即為漆包線，是家用電器、電動機以及變壓器不可缺少的材料。生產(chǎn)漆包線，只要銅線有多長，漆包線就有多長。涂膜的固化階段，經(jīng)過高溫爐同時完成，流水線車速 300 m min 以上；其涂層性能檢測有耐熱沖擊性，測定方法是在相當于導線直徑 1 10 倍的圓棒上卷繞，在一定溫度下加熱一定時間，以未出現(xiàn)龜裂的 最小卷繞倍徑表示。此時線材涂層受熱又受伸長和 壓縮的考驗，涂層的性能絕對可靠。     卷材     上海寶鋼的卷材行銷全國，寶鋼及其他大型廠房屋面及墻體為彩鋼板型材。每 1 m 要有幾個彎折， 涂膜與基材同樣經(jīng)受伸長和壓縮的考驗。卷鋼流水 線涂層干燥的線速度要跑步才能跟得上，其涂層與基材的一體性無可置疑。卷材生產(chǎn)的設(shè)計是成熟的技術(shù)，不同材質(zhì)的膨脹系數(shù)對于涂層鋼板不是問題。技術(shù)書籍、刊物對涂層與基層提出膨脹系數(shù)的 問題不普遍，以上列舉涂料在多方面應用的實例，是否說理透徹，僅供參考。涂料涂裝國際標準及國 家標準，未有此方面的性能檢測與方法，以涂膜的 柔韌性、抗沖擊性及附著力的檢測，從側(cè)面解答了 這個問題。     5 以高分子材料作粘合劑的結(jié)構(gòu)材料應用     早期的高收縮率飽和聚酯樹脂制作樹脂混凝土、樹脂砂漿用于耐腐蝕地面