摘要：表面張力在粉末涂料的固化過程中起著至關(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、粉末涂料固化過程

粉末涂料通過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，主要是通過氣、液、固三相界面處的接觸角的大小來表征，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程圖，并記錄了的潤(rùn)濕角，為研究粉末涂料固化過程中，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，粉末在烘烤過程中的0~1.5min，涂料顆粒開始熔融、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，是涂料開始固化的時(shí)間，內(nèi)部的環(huán)氧樹脂與固化劑間發(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)氧樹脂粉末涂料在熔融鋪展過程中的對(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°。

這說明環(huán)氧樹脂粉末涂料對(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脂體系在恒定溫度120℃下固化過程中表面張力隨時(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)后的樹脂體系由凝膠化變?yōu)椴ＡЩ?，傳統(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脂表面，利用視屏方法在線測(cè)試小分子液體與樹脂片之間的接觸角，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)。

為了更好分析樹脂體系固化過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。

馬全勝通過研究恒溫固化過程中環(huán)氧樹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)氧樹脂基復(fù)合材料固化過程、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

表面張力在粉末涂料熔融、流平過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程涂膜表面缺陷的產(chǎn)生具有重要意義。