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第二节
涂布液性能表征

一、涂布液固含量与体积比

1.固含量

(1)质量固含量

涂布液的质量固含量,是以质量分数来表示的涂料浆料的质量性能指标,即:

涂布液固含量=固形物的质量/(固形物质量+液体质量)×100%。

对涂布液的颜料分散体而言,其颜料分散体的固含量为:

分散体固含量=颜料粒子质量/(颜料粒子质量+液体质量)×100%。

涂布液质量固含量影响分散液稳定性、黏度、色光及涂层干燥成膜性能。对功能性涂层,涂布液固含量直接影响功能膜的功能性。

(2)体积固含量

涂料行业里常说的“体积固含量”即不挥发物体积分数,是指“在规定条件下,经蒸发后得到的残余物的体积百分数”(GB/T 5206—2015)。

体积固含量涉及涂料配方设计、涂布工艺设计、涂布率计算以及涂布成本控制,还牵涉到环保因素。是涂布工艺设计和成本估算的关键因素。

常用的体积固含量的测算方法如下。

①配方原料累计体积。把配方中各种原料的不挥发物体积累加,即可得到涂料的体积固含量数据。但无法控制颜料的孔隙渗透、固化时涂膜收缩等因素,结果偏差较大。

②按干膜湿膜比例计算。根据“不挥发物体积分数”的定义,干膜与湿膜的比值即为体积固含量,此方法有一定偏差,但简便实用,可作为涂料施工方的辅助检验手段。

③国标或ISO标准方法GB/T 9272—2007(ISO 3233—1998)。标准规定了通过检测干膜密度来测定涂料的体积固含量的方法,是通过测量涂料的质量固含量、原液体涂料密度和干膜密度,把后两者代入质量固含量中,则可算得NVv。

(3)涂布率计算

式(2-1)体积公式的逆运算,把涂膜看作是一个立体,已知其体积(体积固含量)及高度(干膜厚度,μm),计算其底面积(涂布面积,m 2 /L)。

有了理论涂布率,再根据实际施工的损耗率(或上漆率)和涂料成本,即可计算实际涂布率和实际施工的涂料成本。

损耗率主要取决于涂装设备和涂装工艺。对于粉末涂料,可视为固体分为100%的液体涂料,由于它是按kg为单位销售,套用公式(2-1)计算时,需除以粉末密度,将涂布率转换为m 2 /kg。

粉末涂料的密度可参考GB/T 21782.2—2008(仲裁法)和GB/T 21782.3—2008的方法来测定。在涂装施工过程中,以高压静电喷涂工艺涂装的实际涂布率,一般比理论涂布率低10%~15%,个别情况甚至超过20%。

为了使“理论涂布率”更接近实际情况,可从粒径的角度对式(2-2)进行修正,即是将粒径低于10μm和粒径大于90μm的部分剔除,把剩余部分看作是粉末涂料真正可以使用的“体积固含量”:

2.涂布液体积比

涂布液体积比,是用体积分数表达的涂布液分散体的质量性能指标,由式(2-4)计算。

在讨论涂布液流变性时,体积比比固含量更确切,因为固含量受颜料密度影响,密度大的颜料制成的涂料固含量高,但黏度不一定高,体积比则排除了密度影响,可对不同颜料制备的涂料进行比较。特别是涉及几何效应的影响时,体积比更直接,如某涂布液体积比增加到一定程度时(碳酸钙50%,硫酸钡39%),表现出胀流性。

二、粒度分布与Zeta电位

1.粒度分布

粒度分布是指分散样品中,不同粒径颗粒占颗粒总量的百分数。有区间分布和累积分布两种形式。区间分布又称为微分分布或频率分布,它表示一系列粒径区间中颗粒的百分含量。累计分布也称为积分分布,它表示小于或大于某粒径颗粒的百分含量。当样品中所有颗粒的真密度相同时,颗粒的重量分布和体积分布一致。在没有特别说明时,仪器给出的粒度分布一般指重量或体积分布。

激光粒度仪测试粒度分布表征指标如下。

D50是样品的累积粒度分布百分数达到50%时所对应的粒径。物理意义是粒径大于它的颗粒占50%,粒径小于它的颗粒也占50%,D50也叫中位径或中值粒径。D50常用来表示粉体的平均粒度。

D97是样品的累积粒度分布数达到97%时所对应的粒径。物理意义是粒径小于它的颗粒占97%。D97常用来表示粉体粗端的粒度指标。其他如D10、D90等参数的定义与物理意义与D97相似。

比表面积是指单位重量的颗粒的表面积之和。比表面积的单位为m 2 /kg或cm 2 /g。粒度越细,比表面积越大。

粒度分布稳定,表明胶体分散稳定。胶体分散稳定的机理,包括空间位阻和静电荷稳定(双电层),Zeta电位就可以很好地指示颗粒间作用强度,进而预测胶体系统的稳定性。

2.Zeta电位(Zeta Potential)

Zeta电位是指剪切面(Shear Plane)的电位(图2-1),又叫电动电位或电动电势(ζ-电位或ζ-电势),是表征胶体分散系稳定性的重要指标。

图2-1 Zeta电位含义

在涂布液中,表面活性剂吸附在颗粒表面,阳离子表面活性剂会形成带正电的表面,阴离子表面活性剂会形成带负电的表面。各种来源的表面电荷,导致在颗粒表面的电荷变化影响离子在界面的分布,造成表面周围平衡离子的浓度增加,在每一颗粒周围形成一个双电层。

由图2-1可见,Zeta电位是与一个颗粒在某一特定介质中所带的总电荷有关,确切地说,是颗粒在剪切面处的电位,该电位与颗粒表面、分散介质有关,可能与表面电位无关,微小的pH值的变化或离子浓度变化可能会产生很大的Zeta电位变化,Zeta电位与剪切面的位置相关。

如果颗粒带有很多负或正电荷,也就是说带有很高的Zeta电位,它们会相互排斥,从而达到整个体系的稳定;如果颗粒带有很少的负或正电荷,也就是说它的Zeta电位很低,它们会相互吸引,从而达到整个体系的稳定。

水相中颗粒分散稳定性的分界线,一般认为在+30mV或-30mV。如果所有颗粒都带有高于+30mV或低于-30mV的Zeta电位,则该分散体系应该比较稳定。

3.pH值

不同品种纸张的涂布液,有不同的pH值要求(见表2-4)。

表2-4 纸张涂布液的pH值及其影响

涂布液的酸碱性,对涂布液分散稳定性、黏度、黏结力及涂布质量和涂布稳定性能均有影响。

pH值的变化,影响分散体系中颜料颗粒周边的双电层,进而影响颜料的分散稳定性。阿拉伯树胶和明胶的混合溶液,存在沉降等电点,一旦pH值达到等电点值,良好溶解的阿拉伯树胶和明胶就会发生沉降。向胶体中加入电解质能使其沉降,也是由于体系中正负电荷比例变化,破坏胶束周边双电层所致。

涂布干燥过程中pH值变化,可能对涂层形成过程的自组装有影响,有待深入研究。 emrggEXiZEswxp+eOSd0+p8N/6bGIJcWDMjPA/A5Rl2Jl3Bf6OK+/zc17CGddWTD

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