摘要：表面張力在粉末涂料的固化過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用，關(guān)系到其對(duì)底材的浸潤(rùn)和附著力、涂層的表觀性能及缺陷控制等。而粉末涂料在固化過(guò)程中的表面張力如何變化？可行的測(cè)試方法有哪些？目前還沒(méi)發(fā)現(xiàn)此方面的研究報(bào)道。本文綜述介紹了粉末涂料對(duì)鋁合金鈦鋯膜底材的浸潤(rùn)規(guī)律和含固化劑的樹(shù)脂凝膠前后表面張力的測(cè)試方法及變化規(guī)律，為下一步研究粉末涂料固化過(guò)程中表面張力的變化提供了可能的參考方法。

1、引言

界面是粉末涂料與底材最為主要的微結(jié)構(gòu)，起到連接增強(qiáng)相和基體、傳遞應(yīng)力等作用，復(fù)合材料的界面特性由粉末涂料與底材粘結(jié)強(qiáng)度的高低決定。

而獲得高強(qiáng)度粘結(jié)的先決條件是粉末涂料對(duì)底材的良好浸潤(rùn)性，二者之間浸潤(rùn)性又與粉末涂料的表面張力密切相關(guān)。

不同類(lèi)型及不同固化速度的粉末涂料混合后會(huì)導(dǎo)致涂膜失光、縮孔等表面缺陷，這類(lèi)缺陷的產(chǎn)生均與涂膜的表面張力變化有關(guān)。

因此，研究粉末涂料對(duì)底材的浸潤(rùn)規(guī)律及固化過(guò)程中的表面張力的變化，對(duì)揭示界面形成機(jī)制和提高涂膜性能有重要的參考價(jià)值。

2、表面張力的測(cè)定

2.1懸滴法

懸滴法利用選面法確定懸滴外形參數(shù)間接計(jì)算測(cè)試液體表面張力及其色散、極性分量，具有完全平衡的優(yōu)點(diǎn)，但此方法難于保持懸滴穩(wěn)定不變和防止振動(dòng)，以下是其計(jì)算公式：

式中：ρ1、ρg分別為液相和氣相的密度；r為液體的表面張力；de為懸滴外形的最大直徑；ds是與懸滴底部頂點(diǎn)O的垂直距離等于de處的直徑，1/H-S關(guān)系表可查。

2.2吊片法

吊片法利用打毛的鉑片，測(cè)定從液體表面拖拉吊片時(shí)液體對(duì)吊片的最大拉力（即潤(rùn)濕張力），具有完全平衡的特點(diǎn)。

此方法操作簡(jiǎn)單，不需要被測(cè)液體密度數(shù)據(jù)，但需要液體很好潤(rùn)濕吊片，以保證接觸角為零。根據(jù)平衡條件，可以得到

式中：P為吊片的周長(zhǎng)；r為液體的表面張力；M為吊片的重量；Fb為吊片所受浮力；Fv為液體對(duì)樣品施加的黏滯力。

2.3固體表面能的測(cè)定

目前，液體表面張力可直接測(cè)試得到，但固體的表面能只能利用座滴法或吊片法測(cè)試小分子液體與固體表面的接觸角，再依照OWRK理論對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，間接得到固體表面能。

2.3.1 OWRK理論

OWRK理論將液體的表面張力和固體的表面能分別分解為獨(dú)立的色散分量和極性分量，固液兩接觸相間的界面張力滿足如下公式：

式中：rl、rld、rlp分別為液體表面張力、液體表面張力色散分量和極性分量；rs、rsd、rsp分別為固體表面能、固體表面能色散分量和極性分量；為液體與固體的接觸角。

3、粉末涂料固化過(guò)程

粉末涂料通過(guò)靜電噴涂以粉末狀態(tài)吸附在被涂物上面，在一定溫度下經(jīng)過(guò)顆粒結(jié)聚、熔融鋪展及流平、固化后成膜。

將粉末涂料固化過(guò)程大致分為凝膠前和凝膠后兩個(gè)階段，凝膠前涂料體系為液體，可以通過(guò)吊片法測(cè)得體系表面張力，凝膠后體系為固體，固體的表面能利用座滴法間接測(cè)量。

3.1粉末涂料凝膠前不同時(shí)刻的接觸角

研究粉末涂料對(duì)底材的浸潤(rùn)性，主要是通過(guò)氣、液、固三相界面處的接觸角的大小來(lái)表征，當(dāng)θ>90°表示液體不能浸潤(rùn)固體表面；當(dāng)θ<90°表示液體能潤(rùn)濕固體表面；當(dāng)θ=0°即cosθ=1表示液體能完全潤(rùn)濕固體表面。

楊雲(yún)予等人利用接觸角測(cè)量?jī)x在恒溫180℃下，拍出了不同時(shí)刻圓柱狀粉末涂料在鋁合金鈦鋯膜上的熔融和鋪展過(guò)程圖，并記錄了的潤(rùn)濕角，為研究粉末涂料固化過(guò)程中，凝膠前的接觸角變化提供了依據(jù)。

如圖1所示，從涂料的形態(tài)上看，粉末在烘烤過(guò)程中的0~1.5min，涂料顆粒開(kāi)始熔融、結(jié)聚，發(fā)生最大程度的膨脹趨勢(shì)。

而從1.5~4min,涂料的體積開(kāi)始逐漸收縮，在鋁合金鈦鋯膜表面形成一層表面張力局部均勻的分子層，此時(shí)處于流平階段，4min以后，涂料體積收縮得更小，在鋁合金表面鋪展程度更大，到7min，涂料達(dá)到穩(wěn)態(tài)，不再發(fā)生改變。

一直到烘烤結(jié)束的這段時(shí)間，是涂料開(kāi)始固化的時(shí)間，內(nèi)部的環(huán)氧樹(shù)脂與固化劑間發(fā)生交聯(lián)固化反應(yīng)，從而形成均勻且附著力良好的有機(jī)涂層。

由圖2可知，環(huán)氧樹(shù)脂粉末涂料在熔融鋪展過(guò)程中的對(duì)鈦鋯膜的潤(rùn)濕角整體呈降低趨勢(shì)，潤(rùn)濕角由1.5min時(shí)的136°逐步降低至流平終點(diǎn)的74.6°。

這說(shuō)明環(huán)氧樹(shù)脂粉末涂料對(duì)鈦鋯膜的潤(rùn)濕性良好，能夠自發(fā)地在涂層表面進(jìn)行鋪展，且涂層具有良好的附著力。

3.2含固化劑樹(shù)脂凝膠前的表面張力

鄧銳用吊片法測(cè)試了含固化劑的氰酸酯樹(shù)脂體系在恒定溫度120℃下固化過(guò)程中表面張力隨時(shí)間的變化規(guī)律，如下圖所示。

從圖3中，我們可以看到含固化劑的氰酸酯樹(shù)脂體系在恒溫溫度120℃下表面張力變化關(guān)系為線性增加段和表面張力突降段。

作者認(rèn)為在較長(zhǎng)的未固化的時(shí)間段內(nèi)，樹(shù)脂表面張力呈線性增加，可能是由于局部官能團(tuán)反應(yīng)使體系相變，表面能變化較大導(dǎo)致的表面能增加。

而凝膠點(diǎn)后的樹(shù)脂體系由凝膠化變?yōu)椴ＡЩ瑐鹘y(tǒng)測(cè)試液體的方法已經(jīng)不能測(cè)出其表面張力，因此凝膠后樹(shù)脂的表面張力必須以測(cè)固體表面能的方法測(cè)得。

3.3凝膠后固體樹(shù)脂表面張力的測(cè)定

馬全勝利用座滴法間接測(cè)試凝膠后固態(tài)樹(shù)脂的表面能，為研究粉末涂料凝膠后固態(tài)表面能測(cè)試提供了一種測(cè)試方法。

具體方法是將小分子液體滴到固體樹(shù)脂表面，利用視屏方法在線測(cè)試小分子液體與樹(shù)脂片之間的接觸角，按照OWRK等理論對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)算固體的總的表面能，及其極性分量與色散分量。

表2為實(shí)驗(yàn)所用小分子液體的表面張力及極性、色散分量，表3為環(huán)氧618-咪唑體系70℃不同固化時(shí)刻下的樹(shù)脂體系與小分子液體的接觸角。

根據(jù)表3測(cè)得的接觸角，經(jīng)OWRK理論分析，得到環(huán)氧618一咪唑體系在70℃恒溫固化不同時(shí)刻的總表面能和色散與極性分量如圖4、圖5所示。

從圖可以看出，凝膠后環(huán)氧618一咪唑體系總表面能隨固化時(shí)間的延長(zhǎng)呈近似線性下降趨勢(shì)，總表面能中，色散分量占比較大而極性分量占比較小。

色散分量除135min固化時(shí)刻為25mJ/m2外，其他時(shí)間基本穩(wěn)定，而極性分量則呈現(xiàn)出比較明顯的下降趨勢(shì)。

為了更好分析樹(shù)脂體系固化過(guò)程中表面能變化影響因素，作者分別對(duì)0、150、25Omin的環(huán)氧618-咪唑體系的試樣進(jìn)行紅外光譜輔助實(shí)驗(yàn)。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)羥基（3490cm-1吸收帶）在固化反應(yīng)25Omin時(shí)較固化反應(yīng)150min時(shí)減弱，且環(huán)氧基（913cm-1吸收峰）在一定程度上也有所降低。

作者認(rèn)為分子中的羥基吸收帶減弱的原因是隨著反應(yīng)的進(jìn)行，羥基參與了醚化聚合反應(yīng)成鏈，從而導(dǎo)致羥基基團(tuán)減少。

因此作者推斷環(huán)氧618-咪唑體系固化反應(yīng)120min之后表面能極性分量的降低是由于羥基關(guān)能團(tuán)和環(huán)氧官能團(tuán)的變化引起。

馬全勝通過(guò)研究恒溫固化過(guò)程中環(huán)氧樹(shù)脂體系凝膠后表面能的的變化規(guī)律，結(jié)合固化機(jī)制和反應(yīng)特性，分析環(huán)氧618-咪唑體系表面能的色散分量、極性分量的變化。

研究結(jié)果對(duì)掌握環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料固化過(guò)程、揭示界面形成機(jī)制具有重要意義，同時(shí)也為粉末涂料凝膠后表面張力的變化提供了研究方法。

4、結(jié)束語(yǔ)

表面張力在粉末涂料熔融、流平過(guò)程中及固化膜與底材的附著力方面有著重要作用，掌握固化過(guò)程中不同階段表面張力的測(cè)試方法并獲得粉末涂料固化過(guò)程中表面張力變化，對(duì)提高粉末涂料涂膜的附著力及避免固化過(guò)程涂膜表面缺陷的產(chǎn)生具有重要意義。