漆膜的力學(xué)性質(zhì)

    作為保護(hù)層的涂料，經(jīng)常受到各種力的作用，如摩擦、沖擊、拉伸等，因此要求漆膜有必要的力學(xué)性能。

1、無定型聚合物力學(xué)性質(zhì)的特點(diǎn)

材料的力學(xué)性質(zhì)主要是指材料對外力作用響應(yīng)的情況。當(dāng)材料受到外力作用，而所處的條件使它不能產(chǎn)生慣性移動時，它的幾何形態(tài)和尺寸將產(chǎn)生變化，而幾何尺寸變化的難易又與材料原有的尺寸有關(guān)，用原有尺寸除以受力后的形變尺寸就稱為應(yīng)變。材料發(fā)生應(yīng)變時，其分子間和分子內(nèi)的原子間的相對位置和距離便要發(fā)生變化。由于原子和分子偏離原來的平衡位置，于是產(chǎn)生了原子間和分子間的回復(fù)內(nèi)力，它抵抗著外力，并傾向恢復(fù)到變化前的狀態(tài)。達(dá)到平衡時，回復(fù)內(nèi)力與外力大小相等，方向相反。定義單位面積上的回復(fù)內(nèi)力為應(yīng)力，其值與單位面積上的外力相等。產(chǎn)生單位形變所需的應(yīng)力稱為模量。

模量=應(yīng)力/應(yīng)變

根據(jù)外力形式不同，如拉伸力、剪切力和靜壓力，模量分別稱為楊氏模量、剪切模量和體積模量。從材料的觀點(diǎn)來看，模量是材料抵抗外力形變能力，它與材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)和聚集態(tài)結(jié)構(gòu)有關(guān)，是材料最重要的參數(shù)。

2、漆膜的強(qiáng)度

① 應(yīng)力-應(yīng)變曲線與聚合物的強(qiáng)度

聚合物材料受拉伸力作用而發(fā)生伸長，在拉伸至斷裂發(fā)生之前的應(yīng)力-應(yīng)變（以伸長率表示）曲線稱為拉伸曲線，曲線的終點(diǎn)是材料斷裂的點(diǎn)，即為材料強(qiáng)度的表示。

② 漆膜的展性

用于卷鋼，罐頭等涂料在金屬表面成膜后要經(jīng)受加工成形時的各種考驗(yàn)，要求漆膜在加工成形時，即使受到很大的形變，不至斷裂，也不至過分的減薄。在加工時，不僅拉伸力，而且還有壓縮力，而且位置不同，受力也不同，因此很難有相應(yīng)的測試方法來準(zhǔn)確地予以描述。但是，無疑聚合物材料是否適應(yīng)這種要求，是和其應(yīng)-應(yīng)變曲線相關(guān)的，而最重要的又是拉伸曲線的情況，其中斷裂伸長是一個重要量度。如果聚合物膜處于硬玻璃態(tài)，即在脆折溫度以下，斷裂伸長很低，漆膜是硬而脆的，在加工中必然脆裂。如果漆膜是在高彈態(tài)，漆膜盡管有很大的伸長，在外力撤銷后有很大的回彈力，但漆膜很軟。理想的情況是漆膜處于軟玻璃態(tài)，即處于脆折溫度Tb以上和玻璃溫度Tg以下。此時漆膜在外力作用下有相當(dāng)大的伸長（強(qiáng)迫高彈形變），而且這種形變可保留下來，即漆膜有一定的展性，漆膜表現(xiàn)出硬和韌的性質(zhì)。因此選擇涂料的成膜物時，不僅要注意其Tg而且要注意Tb，通常將Tg和Tb之差除以Tg所得之值q作為展性高低的衡量。

聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和聚苯乙烯（PS）玻璃化溫度很接近，但PMMA比PS具有更好的加工性質(zhì)，其原因在于PMMA的Tb遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于PS的Tb。在Tb和Tg之間的聚合物分子雖然不能有鏈段的自由運(yùn)動，但它們的基團(tuán)仍可進(jìn)行轉(zhuǎn)動，PS上的苯基轉(zhuǎn)動困難，而PMMA的酯基轉(zhuǎn)動比較容易，因此PS比PMMA表現(xiàn)得更為脆性。下表列舉了幾種典型聚合物材料Tg，Tb和q值，以供比較。

幾種聚合物的Tg，Tb和q

在涂料中不會使用像上表中那樣的均聚物，因?yàn)?span lang="EN-US" style="margin-top: 0px; margin-right: 0px; margin-bottom: 0px; margin-left: 0px; padding-top: 0px; padding-right: 0px; padding-bottom: 0px; padding-left: 0px; word-wrap: break-word; line-height: 25px; ">Tg太高，一般都是共聚物；另外用于金屬表面的涂料，如卷鋼涂料，一般都不是熱塑性的，而是交聯(lián)型的，因此共聚物的組成，交聯(lián)度的大小對Tg和Tb的影響，亦即對脆性和展性的影響，是設(shè)計配方時需要注意的。

③ 漆膜的伸長與復(fù)原

木器對涂料的要求是多方面的，但很重要的是其伸長與復(fù)原性質(zhì)，漆膜必須能隨木器的吸水膨脹而伸長，又能隨木器的干燥收縮而復(fù)原。通常伸長不夠可引起漆膜沿木器紋理方向產(chǎn)生裂紋，因此斷裂伸長和裂紋有密切關(guān)系。另外，如果伸長后的漆膜不能隨木器的收縮而恢復(fù)的話，則可產(chǎn)生皺紋。如果漆膜處于軟玻璃態(tài)，即有展性的狀態(tài)，它在木器膨脹時，可因強(qiáng)迫高彈形變而有較大的伸長，這種形變，如前所述，是鏈段運(yùn)動引起分子取向的結(jié)果，外力撤銷后，不能完全復(fù)原，即使對其加反方向的力（即收縮時的力），也不可能復(fù)原。如果漆膜處于Tg以上的高彈態(tài)，可有很高的伸長率，由于形變發(fā)生在鏈段可以自由運(yùn)動的情況下，撤除外力，特別是有反向收縮作用時，形變易于恢復(fù)。另一方面，當(dāng)木器膨脹引起的漆膜形變被長期保持時，由于力學(xué)松弛，應(yīng)力可逐漸減小。

④ 漆膜的耐磨性

涂料的耐磨性和漆料的磨擦系數(shù)、脆性、彈性有關(guān)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，耐磨性和斷裂功有密切關(guān)系，斷裂功可以由應(yīng)力-應(yīng)變曲線所包圍的面積來衡量。已經(jīng)討論過，應(yīng)力和應(yīng)變曲線的形成是和應(yīng)變的速度相關(guān)的，為了衡量耐磨性，應(yīng)該是用相應(yīng)于磨擦速度的斷裂功。由于測試方法的限制，有時在室溫測得的耐磨性數(shù)據(jù)往往和實(shí)際結(jié)果不符，其原因可能是應(yīng)變速度和應(yīng)力時間不匹配，有時將試樣在較低溫度下測量，則可得到較好的結(jié)果，按照溫度-時間等效性原則，降低測試溫度相當(dāng)于提高了應(yīng)變速度。涂料中以聚氨酯涂料的耐磨性為最好，這可能是因?yàn)榫郯滨シ肿娱g可形成氫鍵的緣故，在應(yīng)力下，聚氨酯由于氫鍵的作用，表現(xiàn)出較高的硬度；當(dāng)應(yīng)力較高時，氫鍵斷裂吸收能量，從而保護(hù)了共價鍵；一旦外力撤銷，氫鍵又可形成。耐耐磨性也和摩擦系數(shù)大小有關(guān)。涂料中加入石臘或含氟表面活性劑可以降低摩擦系數(shù)，增加耐摩擦性。涂料中大顆粒的惰性顏料粒子也可增加耐摩擦性，其原因可能是減少了漆膜的接觸面積，從而減少了表面與表面間的力的傳遞。

⑤ 漆膜的抗沖擊

沖擊強(qiáng)度是在高速沖擊條件下的耐斷裂性。在應(yīng)力-應(yīng)變曲線上，沖擊強(qiáng)度也和斷裂功有關(guān)，但相應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)該是高速條件下的曲線。高抗沖擊的聚合物膜依賴于將能量吸收和轉(zhuǎn)化的情況，因?yàn)閮?nèi)耗是將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱的一種量度，內(nèi)耗愈大，吸收沖擊能量愈大，所以內(nèi)耗也是抗沖擊性的一種重要量度，聚合物在玻璃化溫度轉(zhuǎn)變區(qū)內(nèi)耗有一峰值，玻璃態(tài)的抗沖擊強(qiáng)度趨于極大。由于沖擊作用極為急速，聚合物分子鏈段往往在完成松弛運(yùn)動和分散應(yīng)力之前便出現(xiàn)斷裂，只有分子鏈柔順的聚合物處于高彈態(tài)時，才有較好的抗沖擊性，因此一般認(rèn)為玻璃化溫度的高低和抗沖擊性有密切的關(guān)系。但要注意玻璃化溫度并非衡量抗沖擊性的可靠標(biāo)準(zhǔn)，例如聚苯乙烯Tg為100℃，聚碳酸酯的Tg為150℃，但聚苯乙烯的抗沖擊強(qiáng)度要比碳酸酯差的多，這是因?yàn)榫厶妓狨ピ?span lang="EN-US" style="margin-top: 0px; margin-right: 0px; margin-bottom: 0px; margin-left: 0px; padding-top: 0px; padding-right: 0px; padding-bottom: 0px; padding-left: 0px; word-wrap: break-word; line-height: 25px; ">-60℃有一個很大的β內(nèi)耗峰，而聚苯乙烯在室溫以下沒有β轉(zhuǎn)變，對抗沖擊無貢獻(xiàn)，其它次級峰都很小，對抗沖擊都不起大的作用。由此可知，玻璃態(tài)的聚合物在低溫具有強(qiáng)的次級內(nèi)耗峰者，則有較好的抗沖擊性。

⑥ 影響聚合物材料強(qiáng)度的因素

從微觀上來看，聚合物材料的斷裂破壞都意味著外力破壞或克服了化學(xué)鍵、氫鍵及范德華力。因此聚合物材料強(qiáng)度可根據(jù)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論計算。因?yàn)橛嬎闶窃诜浅＠硐氲那闆r下進(jìn)行的，所得結(jié)果和實(shí)際強(qiáng)度差距非常之大，實(shí)際強(qiáng)度要比理論強(qiáng)度差很多。弄清楚理論計算與實(shí)際結(jié)果差異的原因，對于如何提高材料強(qiáng)度意義很大。影響聚合物實(shí)際強(qiáng)度的因素很多，有些因素如溫度、作用力速度，以及顏料和聚合物共混等對漆膜強(qiáng)度的影響。