1 第7章 涂料与涂装技术 2 涂料与涂装技术 7 1涂料与涂装概论 7 2现代涂装技术 7 3特种高分子涂层 3 7 1涂料与涂装概论 将有机涂料涂覆于物体表面并干燥成膜的过程称之为涂装 涂装技术是迅速发展的表面工程领域里异军突起的一门新兴技术 它是利用高分子涂料特有的各种性能 按照一定的涂装方法涂装于工件表面 生成坚韧耐磨 附着力强 具有防锈 防腐 耐酸碱 耐潮湿 抗高温等的表面涂层 起到保护 装饰 标志和其他特殊的作用 4 7 2涂料 一 涂料的主要组成成膜物质 颜料 溶剂 助剂等四部分组成 5 1 成膜物质 成膜物质是组成涂料的基础 具有粘接涂料中其它组分形成涂膜的功能 并对涂料和涂膜的性质起决定性作用 成膜物质一般是天然油脂 天然树脂和合成树脂 6 现代涂料成膜物质一般分为两大类 一类称为非转化型成膜物质 它们在涂料成膜过程中组成结构不发生变化 即成膜物质与涂膜的组成结构相同 在涂膜中可以分析出成膜物质的原有结构 这类成膜物质及其组成的涂膜具有热塑性 受热软化 冷却后又变硬 多具有可溶 可熔性 如天然树脂 合成的高分子线型聚合物即热塑性树脂等 7 另一类成膜物质称为转化型成膜物质 它们在成膜过程中组成结构发生变化 形成与原来组成结构完全不相同的涂膜 由于转化型成膜物质具有能起化学反应的官能团 在热氧或其它物质的作用下能够聚合成与原有结构不同的不溶 不熔的网状高聚物 即热固性高聚物 因而所形成的涂膜是热固性的 通常具有网状结构 如 干性油和半干性油 漆酚 多异氰酸酯的加成物和合成聚合物等 8 2 颜料 颜料一般为微细的粉末状有色物质 是有色涂料的一个主要组分 它使涂膜呈现色彩 并具有一定遮盖被涂物件表观的能力 以发挥其装饰和保护作用 颜料还能增强涂膜的力学性能和耐蚀性能 或者为涂膜提供某一种特定功能 如防腐蚀 导电 防延燃等 9 颜料的分类 颜料按其来源可分为天然颜料和合成颜料两类 或按其化学成分分为无机颜料和有机颜料 按其作用可分为着色颜料 体质颜料 防锈颜料和特种颜料四种 每一类都有很多品种 10 颜料按其作用分类 着色颜料 如钛白 铁红 铬黄 铝粉等 具有着色性 遮盖性以及增强涂膜的耐久性 耐候性和耐磨性 体质颜料 如太白粉 滑石粉等 具有增强涂膜厚度 加强涂膜经久 坚硬 耐磨等作用 防锈颜料 如铝粉 锌粉 红丹 Pb304 等 能增强涂膜的防锈能力 特种颜料 发光颜料 荧光颜料 示温颜料等 11 3 溶剂 溶剂的作用是将涂料的成膜物质溶解或分解为液态 以便易于施工 施工后又能从薄膜中挥发至大气中 从而使液态薄膜形成固态的涂膜 溶剂原则上不构成涂膜 也不应存留在涂膜之中 因此 溶剂组分通常是可挥发性液体 12 溶剂所带来的问题 溶剂组分在施工成膜以后要挥发掉 造成资源的损失 特别是使用具有光化学反应性的溶剂 在涂料生产和施工过程中造成环境污染 危害人类健康 有的溶剂挥发需要较长的时间 努力解决这些问题 是涂料发展的一个重要方向 目前已取得不少明显成果 13 4 助剂 助剂指用于改善涂料生产 贮存 施工和成膜过程中各种性能的辅助物质 其用量少 作用大 因此 助剂的使用技术已成为现代涂料发展的重要内容之一 14 根据作用机理的不同 现代涂料的助剂可分为以下四大类型 生产过程中使用的助剂 如消泡剂 润湿剂 分散剂 乳化剂等 贮存过程中使用的助剂 如防结皮剂 防沉淀剂等 施工过程中使用的助剂 如催干剂 固化剂 流平剂 防流挂剂等 改善涂膜性能的助剂 如增塑剂 平光剂 防霉剂 阻燃剂 防静电剂 紫外光吸收剂等 15 涂料的分类 为便于判别涂料产品的类型及其差异 达到产品系列化的目的 按国家标准局的规定 目前我国涂料产品是以涂料中的主要成膜物质为基础来分类的 若主要成膜物质由两种以上的树脂混合而成 则按在成膜物质中起决定作用的一种树脂作为分类的依据 以此方法将成膜物质分为十七大类 如表7 1所示 16 表7 1按成膜物质分类 序号成膜物质类别命名代号1油脂Y2天然树脂T3酚醛树脂F4沥青L5醇酸树脂C6氨基树脂A7硝基纤维素Q8纤维脂 纤维醚M 9过氯乙烯树脂G10烯类树脂X11丙烯酸树脂B12聚脂树脂Z13环氧树脂H14聚氨基甲酸脂S15元素有机聚合物W16橡胶J17其他E 17 7 4涂装工艺 使涂料在被涂表面成膜的全部工艺过程称为涂装工艺 具体的涂装工艺要根据工件的材质 形状 使用要求 涂装用工具 涂装时的环境 生产成本等加以合理选用 涂装工艺的一般工序是 涂前表面预处理 涂装 干燥固化 18 一 涂前表面预处理 为了获得优质涂层 涂前表面处理是十分重要的 对于不同工件材料和使用要求 有各种具体规范 主要包括以下内容 1 清除表面的各种污垢 2 对清洗过程的金属工件进行各种化学处理 以提高涂层的附着力和耐蚀性 3 机械方法进行处理以消除表面缺陷和得到合适的表面粗糙度 19 预处理材料主要包括 脱脂剂 浸蚀剂 表调剂 磷化剂 钝化剂等 脱脂剂主要用于除掉物体表面的油脂 油污及附着物 浸蚀剂用于除掉物体表面的腐蚀物 氧化物 表调剂起到表面调整 表面活化作用 磷化剂在表面形成一层磷酸盐化学转化膜 提高表面粗糙度 提高有机涂膜的附着力和复合耐蚀性 钝化剂在表面形成一层氧化物或铬酸盐化学转化膜 提高有机涂膜的附着力和耐蚀性 20 涂装预处理工艺 漆前表面处理的选择视被处理物的外表情况和要求的涂装水平而定 金属件的预处理工艺一般工艺如下 l 普通装饰性涂装 采用常规脱脂及浸蚀处理 2 普通防护装饰性涂装 一般要进行脱脂 浸蚀及磷化处理 3 高级涂装 采用脱脂 浸蚀 表面调整 磷化及钝化处理 21 二 涂装 目前涂装的方法很多 简要介绍如下1 手工涂装法A 刷涂 用刷子涂漆的一种方法B 揩涂 用手工将蘸有稀漆的棉球揩拭工件 进行装饰性涂装的方法 C 滚刷涂 用一直径不大的空心圆柱 表层由羊毛或合成纤维做的多孔吸附材料构成 蘸漆后对平面进行滚刷 效率较高 D 刮涂 采用刮刀对粘稠涂料进行厚膜涂装 22 2 浸涂 淋涂和转鼓涂装法 A 浸涂 将工件浸入涂料中吊起后滴尽多余涂料的涂装方法B 淋涂 用喷嘴将涂料喷淋在工件上形成涂层的方法 C 转鼓涂装法 将工件置于鼓形容器内利用回转的方法来涂装 23 3 空气喷涂法 用压缩空气的气流使涂料雾化 并使其在气流带动下涂装到工件表面 喷涂装置包括喷枪 压缩空气供给和净化系统 输漆装置和胶管等 24 4 高压无气喷涂法 将涂料储存在密闭容器内 通过外部装置提高容器内的压力 使涂料经过输送管道以大约100m s的高速从小孔内喷出 随着冲击空气和高压的急速下降 涂料内溶剂急剧挥化 体积突然膨胀而使涂料分散雾化 然后高速地喷涂在工件表面 形成高质量的涂层 因涂料要经受高压 并且雾化不用压缩空气 故称为高压无气喷涂 25 5 幕式涂装法 使涂料呈连续的幕状落下 使装载在运输带上的工件通过幕下时上漆 主要用于平面涂装 也可涂装一定程度的曲面 效率很高 26 6 辊涂法 在辊 辊筒 上形成一定厚度的湿涂层 随后工件通过辊筒时将部分或全部湿涂层转涂到工件上去 可涂一面 也可同时涂双面 效率高 不产生漆雾 用于胶合板 金属板 纸 布等的涂装 27 7 气溶胶涂装法 在压力容器 即是涂料容器 又是增压器 中密封灌入涂料和液化气体 喷射剂 利用液化气体的压力进行自压喷雾 28 8 抽涂 将工件顶推经过有孔的捋具 边捋边涂 它最适用于棒状或线状物的涂装 29 现代涂装技术 9 静电涂装10 电泳涂装11 粉末涂装将在下一节中专门介绍 30 12 自动喷涂 用机器代替人的操作而实现喷涂自动化 涂装机器人和涂装生产线使涂装技术满足现代化生产的要求 例如用于汽车车身的自动喷漆机主要有喷枪作水平方向往复运动的顶喷机和喷枪作垂直方向往复运动的侧喷机两种 它们都是由往复运动机构 上下升降机构 涂料控制机构 喷枪 自动换色装置 自动控制系统及机体等部分组成 31 7 2现代涂装技术 7 2 l静电喷涂一 静电喷涂的原理与工艺 静电喷涂是以接地的被涂物作为阳极 涂料雾化器作为阴极 接上负高电压 在两极间形成高压静电场 当电压足够高时 雾化器头部的锐边或极针会产生电子逸出 因电场强度很大 使逸出的电子动能很大 当电子以高速撞击空气分子时 使空气分子电离 产生电晕放电 使喷枪头部附近的空气被击穿 形成了空气电离区 1 形成空气电离区 涂料经喷枪喷嘴雾化后喷出 被雾化的涂料微粒通过喷头边缘或极针接触带电 经过气体电离区时再次带电 成为负离子漆粒 在电场力的作用下 涂料粒子呈弧状轨迹 迅速向异极性工件表面飞去 在工件表面放电 使静电消失 涂料便牢固地沉积在工件表面 形成了均匀的涂膜 2 形成涂膜 34 三 静电喷涂主要设备 1 室体 2 喷前工件 3 自动喷枪传动装置 4 喷枪 5 观察窗 6 输送链 7 喷毕工件 8 门洞 9 油水分离器气源 10 气管 11 静电发生器 12 高压电缆 13 油管 14 贮漆罐 图7 2室式静电喷涂设备示意图 35 四 静电喷涂的特点与应用范围 静电喷涂由于采用了先进的喷涂设备 与手工喷漆法相比 具有以下特点 1 提高涂料利用率静电涂装是利用静电引力将涂料粒子涂到被涂物上 因而能大幅度减少因喷雾回弹和分散的损失 提高了涂料利用率 手工喷涂的涂料利用率为30 70 而静电喷涂的涂料利用率可达80 90 2 提高产品质量由于静电效应使涂膜均匀丰满 光滑 附着力强 可达到高精装饰要求 3 生产效率高 劳动强度低 可大批量流水线生产传送带速度最快可达24m min 而手工喷涂最快只能4m min 静电喷涂易于实现自动化 节省人力 改善卫生环境 减少公害 降低成本 37 7 2 2电泳涂装 一 电泳涂装的原理与工艺电泳涂装是将被涂工件浸在水溶性涂料中作为阳极 或阴极 另有一相对应的阴极 或阳极 在两极间通直流电 靠电场所产生的物理化学作用 使涂料涂敷在工件上的一种涂装方法 其工艺过程是一个非常复杂的电化学反应 包括 电泳 电解 电沉积和电渗四个同时进行的过程 1 电泳 在直流电场作用下 分散在极性介质 一般为水 中的带电胶体粒子向与它所带电荷相反的电极方向移动 称为电泳 2 电解 当电流通过电解质水溶液时 水发生电解反应 在阴极放出氢气 阳极放出氧气 以可溶性金属作被涂物时阳极附近有金属离子溶出 3 电沉积 带电粒子到达相反的电极后 放电成膜的现象称为电沉积 电沉积是电泳涂装过程中的主要反应 4 电渗 是电泳的逆过程 即在电场的作用下 沉积在被涂工件上湿膜中的水分 从涂膜内渗出移向漆液中的现象 称为电渗 40 目前采用的电泳涂装主要是阳极电泳和阴极电泳两种 近10年来由于阴极电泳克服了阳极电泳涂装漆膜耐蚀性差 泳透力低等缺点 显示出优异性能 获得了迅速发展 目前对钢铁工件进行电泳涂装时 一般工艺流程分三部分 即工件表面预处理 电泳涂装 后处理 41 三 电泳涂装的主要设备 1 电泳槽及辅助设备 1 电泳槽电泳涂装时电泳过程是在电泳槽内进行的 所以合理设计 制造及选取电泳槽是非常重要的 需要考虑槽的形状 尺寸大小及材料等因素 2 溢流槽其作用是控制电泳槽内漆液的高度 槽内装有过滤网以排除机械杂质和漆液表面的泡沫 防止泡沫沾附在工件和漆膜表面影响涂膜质量 溢流槽容量通常取电泳槽容量的1 10 3 搅拌循环系统对于小型电泳槽可用机械搅拌器 大多数情况下采用泵循环较多 由循环泵 管路和喷嘴组成 循环搅拌次数应根据漆液组成及槽容量大小而定 一般在1小时内循环4 6次 流速约0 6 1 2m min 4 直流电源一般直流电源采用硅或硒整流器 将交流电源进行整流而获得 为确保直流电源有足够的输出电压和电流 整流器的容量按每平方米工件电流为20 50A来计算 5 导电机构由直流电源输出的直流电一般通过三种导电方式接地 阴极接地法 槽体接地法和阳极接地法 43 2 冲洗及无离子水装置 工件在电泳涂装前后需要冲洗 一般用无离子水进行冲洗 无离子水通过装有螺旋体的淋洗喷嘴 可以使水分散成伞形雾状水束 效果较好 喷嘴出口的