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一、涂料成膜的定義

 

成膜（film formation），按GB/T 5206-2015 / ISO 4618: 2014《色漆和清漆 術(shù)語(yǔ)和定義》中2.110描述為：施涂后的涂料由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過(guò)程。對(duì)于粉末涂料，則需要經(jīng)過(guò)一個(gè)由液相到固相的過(guò)程。

 

涂料涂層的成膜過(guò)程示意圖

涂層的成膜過(guò)程包括兩個(gè)過(guò)程：在被涂物體表面涂上涂層和形成堅(jiān)固連續(xù)的漆膜；成膜由干燥和/或固化（硬化）引起，二者可同時(shí)進(jìn)行。

 

涂料成膜方法主要有物理干燥和化學(xué)固化兩種?；瘜W(xué)固化可分為氧聚合固化、固化劑固化、蒸汽固化等。

常見(jiàn)涂料的成膜分類

 

二、涂料成膜方法

 

1. 物理干燥

物理干燥有兩種形式：溶劑的揮發(fā)和聚合物顆?？s聚成膜。對(duì)于溶劑型涂料，涂覆后，溶劑揮發(fā)到大氣中，完成了涂膜的干燥過(guò)程。

 

常用的涂料產(chǎn)品有瀝青涂料、乙烯樹(shù)脂涂料、氯化橡膠涂料和丙烯酸樹(shù)脂涂料。這類涂料的共性如下：

 

可逆性：經(jīng)過(guò)幾個(gè)月甚至幾年，薄膜可以自行溶解或更強(qiáng)的溶劑溶解。溶劑分子會(huì)滲透到粘結(jié)劑分子中，迫使它們分離，然后分解粘結(jié)劑。

溶劑敏感性：由于可逆性，這些涂料不耐自己的溶劑或更強(qiáng)的溶劑。

成膜不依賴于溫度，因?yàn)槌赡み^(guò)程中不存在化學(xué)反應(yīng)。

熱塑性：物理干燥的涂層在高溫下會(huì)軟化。

分散型涂料（如乳膠漆）是在水的蒸發(fā)過(guò)程中，通過(guò)接觸和擠壓聚合物顆粒，由顆粒聚集變?yōu)榉肿泳奂纬蛇B續(xù)的漆膜。這類涂料的共性如下：

 

可逆性：在一定溫度下，其自身或較強(qiáng)的粘合劑或溶劑可重新溶解漆膜；然而，僅僅通過(guò)加水是不可能使漆膜重新分散的。

對(duì)溶劑的敏感性：強(qiáng)溶劑會(huì)對(duì)漆膜產(chǎn)生一定的沖擊。

漆膜的形成與溫度有關(guān)。在軟化點(diǎn)，粘合劑顆?？梢匀诤显谝黄穑ǔＴ? ℃或更高的溫度下。對(duì)于施工溫度，控制在10 ℃以上。

與溶劑型涂料一樣，它是熱塑性的。

重涂性能好。

 

2. 化學(xué)固化

 

化學(xué)固化涂料是由轉(zhuǎn)化成膜材料組成，主要是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)形成的。成膜材料在施工過(guò)程中聚合成聚合物膜。

 

以天然油為成膜材料的涂料，以及含有油成分的天然樹(shù)脂涂料和以石油為原料合成的醇酸樹(shù)脂涂料、酚醛樹(shù)脂涂料和環(huán)氧酯樹(shù)脂涂料，都是依靠氧化聚合成膜。這是一個(gè)自由基鏈聚合的過(guò)程。這些涂層中不飽和脂肪酸的分子量通過(guò)氧化而增加，氧化聚合速率與亞甲基基團(tuán)的數(shù)量和位置以及氧轉(zhuǎn)移速率有關(guān)。為了加快氧化干燥過(guò)程，可以使用烘干機(jī)。在大多數(shù)情況下，氧首先攻擊C—C鍵，或α-亞甲基。使用金屬鹽干燥劑，如鈷、錳、鉛等，將有利于氧的攻擊。因?yàn)槎鄡r(jià)金屬鹽可以作為氧的載體，或者與雙鍵結(jié)合形成更容易受氧攻擊的新化合物。

 

需要固化劑反應(yīng)成膜的涂料通常分為兩種組分。一種成分是基材，包含樹(shù)脂、溶劑、顏料和填料，另一種成分是固化劑。使用時(shí)，將固化劑倒入基材中攪拌均勻后再使用。常見(jiàn)的有環(huán)氧涂料、聚氨酯涂料和不飽和聚酯涂料。

 

涂料的固化機(jī)理包括其他幾種化學(xué)反應(yīng)或聚合過(guò)程：

 

濕固化基材的分子與水蒸氣發(fā)生反應(yīng)，如無(wú)機(jī)硅酸鋅涂料和單組分聚氨酯涂料。

固化基材的二氧化碳分子與空氣中的二氧化碳發(fā)生反應(yīng)，如硅酸鈉/硅酸鉀的無(wú)機(jī)富鋅涂料。

高溫引發(fā)的有機(jī)硅固化反應(yīng)需要在200 ℃下數(shù)小時(shí)才能達(dá)到固化程度。

化學(xué)固化涂料具有以下基本性能。

 

不可逆性：固化后的漆膜不溶。

耐溶劑性：這也是不可逆性導(dǎo)致的。

成膜速度取決于溫度。例如，有些涂料對(duì)成膜最低溫度有特定的要求。低于這個(gè)溫度，薄膜就不能固化。

非熱塑性。粘結(jié)劑的分子在高交聯(lián)狀態(tài)下不會(huì)移動(dòng)，即使在高溫狀態(tài)下也不會(huì)發(fā)生變化。例如，漆膜在高溫下不會(huì)變軟。

嚴(yán)格的重測(cè)間隔。在固化完全完成之前，需要在涂層之間進(jìn)行重涂。已達(dá)到完全固化程度的涂層表面需要在上一層油漆之前進(jìn)行粗糙處理。

 

三、最低成膜溫度的定義

 

最低成膜溫度（MFT）是指高分子乳液粒子如合成乳膠，乳液、聚合物或粘合劑相互聚集成連續(xù)薄膜的最低溫度，表征的是乳液成膜特性的一個(gè)指標(biāo)，也是涂料施工的一個(gè)重要指標(biāo)。這一參數(shù)直接關(guān)系到涂料在低溫環(huán)境下的使用性能，如涂料的附著力、耐久性等。

 

四、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

 

GB/T 9267-2008 / ISO 2115: 1996, IDT《涂料用乳液和涂料、塑料用聚合物分散體 白點(diǎn)溫度和最低成膜溫度的測(cè)定》。為方便使用，便于理解，該標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍擴(kuò)大為涂料用乳液和涂料、塑料用聚合物分散體；標(biāo)準(zhǔn)名稱更改為“涂料用乳液和涂料、塑料用聚合物分散體 白點(diǎn)溫度和最低成膜溫度的測(cè)定”。

DIN ISO 2115:2001《塑料.聚合物分散體.白點(diǎn)溫度和最低膜成形溫度測(cè)定 Plastics - Polymer dispersions - Determination of white point temperature and minimum film-forming temperature》。

 

ASTM D2354-2010(2023)《乳液漆料最低成膜溫度試驗(yàn)方法》。

 

HG/T 4448-2012(2017)《紡織染整助劑 聚合物乳液最低成膜溫度的測(cè)定》。

 

ASTM D1465-2010(2021)《石油蠟粘點(diǎn)和結(jié)點(diǎn)試驗(yàn)方法》。

 

五、檢測(cè)儀器

 

最低成膜溫度測(cè)定儀，其主要結(jié)構(gòu)為一個(gè)金屬梯度板，該梯度板的兩端分別設(shè)置制冷源和加熱源。通過(guò)金屬熱傳導(dǎo)原理，在金屬板上產(chǎn)生不同的溫度梯度。

在該溫度梯度板上涂布一條連續(xù)均勻厚度的乳液或聚合物分散體的濕膜，用干燥的空氣流干燥樣品，樣品同時(shí)受梯度板上溫度影響蒸發(fā)水分而成膜。

由于梯度板上的溫度不同而導(dǎo)致樣品成膜的位置也不同，找到形成連續(xù)透明薄膜和白色不透明（未聚合）的交界點(diǎn)，此點(diǎn)對(duì)應(yīng)梯度板上溫度可以從屏幕顯示得出，該溫度即為樣品的最低成膜溫度（MFT）。

六、影響因素

 

1. 聚合物化學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)MFT的影響

聚合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)決定了其玻璃化溫度（Tg），雖然聚合物的玻璃化溫度與聚合物乳液的MFT沒(méi)有定量關(guān)系，但乳液的MFT總是在其聚合物Tg附近，聚合物Tg較高時(shí)其乳液的MFT一般也隨之較高。

 

2. 聚合物極性對(duì)MFT的影響

具有一定極性的聚合物，由于其乳粒表面所帶的乳化劑和水等極性小分子容易滲透到聚合物顆粒中，產(chǎn)生增塑作用使乳液的MFT比其聚合物的Tg低。對(duì)于非極性或極性很小的聚合物乳液，由于顆粒表面吸附乳化劑穩(wěn)定分子使顆粒表面帶有電荷，顆粒間產(chǎn)生較大的電荷斥力使顆粒不易變形，從而使得該類聚合物乳液MFT較之聚合物Tg高。在共聚物組成中加入少量羧酸單體也可降低其乳液的MFT，但是如果將體系用氨水調(diào)到堿性，由于乳液顆粒表面所帶電荷強(qiáng)度增大，增強(qiáng)了雙電層使乳液粒子間斥力增強(qiáng)，乳液顆粒在成膜時(shí)較難變形導(dǎo)致其MFT提高。

 

3. 增塑劑及成膜助劑對(duì)MFT的影響

增塑劑的加入可降低聚合物的Tg，從而降低乳液MFT。成膜助劑是一種與聚合物混溶性好、揮發(fā)性較低的中高沸點(diǎn)液體，加入后通過(guò)暫時(shí)降低聚合物的Tg促使乳液顆粒融合成膜，即降低了乳液的MFT。

 

最低成膜溫度受多種因素影響，其中涂料的成分和環(huán)境條件是最主要的因素之一。涂料中聚合物的Tg是影響最低成膜溫度的重要參數(shù)，Tg越高，其最低成膜溫度也相應(yīng)較高。此外，涂料中添加劑的種類、顆粒形態(tài)、環(huán)境溫度和濕度等也都會(huì)對(duì)最低成膜溫度產(chǎn)生影響。