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基于涂料树脂表面张力分析漆膜缩孔产生原因——缩孔形成原理

2023-09-13

  2 缩孔及形成原理

  在高装饰性汽车涂装生产中,造成高返修率的涂膜缺陷是颗粒和缩孔,是现场中最有机会的漆膜弊病之一,它不仅影响涂膜外观质量,而且露底缩孔破坏了涂膜的完整性,缩孔现象一旦产生,用一般打磨、抛光的修饰方法无法消除,严重的露底缩孔需要打磨到底层再进行喷漆、烘干,大面积的缩孔还会导致车身返工,严重影响生产效率和质量。

  2.1 缩孔形成原理

  缩孔是涂膜表面出现的各种不规则四陷的总称,从形状上可分为平面式、火山口式、点式、露底式和气泡式等,通常以一滴或一小块杂质为中心,周围形成一个环形的棱。出现这种现象与缩孔施主的低表面张力有关。如果其表面张力较高,则不可能展开并形成缩孔,只有在表面张力较低时才有可能。

  涂料配方中,如果各组分表面张力不匹配,就有可能产生缩孔。在涂膜涂布的过程中,由于产生了巨大的新鲜表面,因而涂料内部具有低表面张力的组分将吸附至表面层,并且带动部分物料向周边迁移。这种流动所带动的物料流动有可能形成缩孔。这种吸附过程是一个时间过程。若体系的黏度很小,体系能很快流平;若体系的黏度很大,表面吸附和物料流动过程很慢,则形成缩孔的可能性较小。只有在黏度适中偏低的时候,才会产生缩孔。

  外界的物理扰动也使表面组成发生变化,造成涂膜表面的表面张力分布不均匀,各处表面张力并不相等。低表面张力部分将向高表面张力处迁移,并带动部分漆料一起迁移,从而产生局部的流动而导致缩孔的形成。如果液膜足够厚,则液体可以从底部补充进人凹陷处,使缩孔弥合。但若液膜较薄,没有液体可以补充,则将形成永久性缩孔。

  在涂层干燥过程中,如果因溶剂挥发而产生表面张力梯度,也有可能造成缩孔。设溶剂的表面张力为γ?,成膜物质的表面张力为γ2,底材的表面张力为γs。若γ?<γs<γ2,当涂料涂布时,开始涂料的表面张力γc=γ?<γs,则涂膜可以铺展;随着溶剂的挥发,涂膜的表面张力逐渐提高,当漆表面张力γc达到γs甚至超过γs时,即有可能产生缩孔。但若此时体系的黏度已极大,表面张力不足以拉破涂层时,就可以避免缩孔。而若γ2<γ?<γs,当高表面张力的溶剂挥发时,由于成膜物质的表面张力低于底材,因此不会对流平产生影响,且表面组成中,溶剂的含量少,它的挥发不会产生显著的表面张力梯度,产生缩孔的可能性不大。

  外来污染物也一样。若外来污染物的表面张力γ3>γc,则它不会在湿涂膜表面铺展,因此不会造成表面张力梯度;而若污染物是低表面张力物质,则它在高表面张力的涂层上铺展,并取代原表面,这种不规则流动就会造成缩孔,图1表示了不同表面张力大小对涂料施工的影响。当表面存在表面张力梯度时,缩孔的形成还取决于涂料本身的流动性。Fink和Jensen指出,在湿涂膜上表面张力梯度的作用下,流体由一点向另一点流动时,就会产生缩孔。而在缩孔区域内,如果流动量大,还可能形成露底缩孔,见图2。所以,在一定条件下,缩孔是由下式(1)决定的:(1)式中,Q为单位时间流动的涂料量;h为湿膜厚度;η为涂膜的黏度;Δγ为横截面上表面张力梯度。由此可知,要减少缩孔,就应该使涂料的流动性小,而流动性的大小又取决于涂膜厚度、涂层黏度及表面张力梯度。

  2.2 缩孔产生原因

  缩孔总是由于表面张力梯度造成的,而表面张力的形成主要是由于涂料施工过程中,涂膜中含有低表面张力的活性物质,要想在减少缩孔,必须杜绝涂膜施工过程中的活性物质污染。

  可以总结缩孔产生的原因可能是:(1)涂料配方中,各组分的表面张力不匹配,体系中低表面张力组分如各种表面活性剂含量过多、溶剂表面张力低于其他物质的表面张力等,均容易造成缩孔;(2)底材本身表面张力太低或涂料表面张力太高造成涂料对底材润湿不良;(3)底材上有油污,造成局部表面张力过低,使涂料润湿涂布不良;(4)涂料施工的工艺要求不合理,如车身擦净后仍允许设置接触车身、低表面张力物质未消除即进行喷涂、喷涂膜厚要求过薄、喷涂设备的空气压力/空气流量太低(雾化和成形空气)、不同颜色品种油漆混合生产时,低表面张力漆雾在高表面张力漆上造成污染;(5)在汽车涂装施工过程中,不可避免的要有人的操作,从电泳的加料、PVC喷涂、到打磨、擦净、油漆喷涂、油漆调整等等,员工衣物、手上的低表面张力物质在操作过程中被带到车身上会导致缩孔;(6)调黏度度时有油水等物质带人;(7)原漆及稀释料在包装运输或贮存等过程中混入了油、水、尘埃等杂质;(8)湿膜过厚、黏度度过小等。

  2.3 缩孔的预防

  防止缩孔的形成需要认识产生这种弊病的原因。如果由外来缩孔施主所致,则需小心防止表面污染。若这种方法行不通,或缩孔是自发产生的话,则需重新调整配方。如果是溶剂的表面张力过低造成的,则可以通过添加具有低表面张力的表面活性剂和具有良好相容性的表面控制剂来降低液膜的表面张力,使其低于缩孔施主的表面张力;但如果添加量过多,则会因体系中表面张力不匹配而适得其反。因为在涂料组分中表面活性物质在涂料涂布过程中形成大量新鲜表面时,会从体相中吸附表面活性剂;同时,大量的表面活性剂可能与涂料产生不相溶性,在涂料干燥过程中,其浓度发生变化,超出其溶解度,生成少最不溶的液滴,就会导致缩孔,例如,涂料中加入过量硅油就易产生缩孔,有机硅化合物的表面张力与所用涂料的差别很大,即使被稀释10-10 mol/L的浓度时,也会引起缩孔。

  3 总结

  在涂料成膜过程中,随着涂膜的铺展和溶剂的挥发,涂层的界面特性也不断发生改变,所引起的物料流动将对涂膜的完整性产生影响。因此,研究这些动态过程对涂料表面特性的影响,分析其成因,研究相应的对策,将有助于对涂层表面进行控制,防止涂膜缺陷的形成。

  漆膜缩孔的原因较多,必须根据企业的实际情况和各自的涂装工艺进行详细的分析和反复的试验,才有可能找到真正的原因,从而确定预防措施。对缩孔缺陷因以预防为主,加强涂装现场管理,把隐患消灭在萌芽状态。对于已经发生的缩孔缺陷,应从涂料、涂装工艺、涂装环境等各个方面分析解决。

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