涂层材料稳定性研究

树脂基涂层材料低发射率稳定性及工艺研究批量性制备涂层发射率的一致性研究1.引言低红外发射率涂料制备成本较低，硬度、附着力等力学性能良好，因此被广泛应用于各个领域。当批量性生产时，由于实验室用机械搅拌设备不适用于大批量料浆，使得料浆中存在以下问题需要优化。首先，树脂与溶剂的混合不够均匀，易使湿料不均一造成漆膜发花，其次大块填料和较大颗粒无法均匀破碎，填料与树脂溶剂之间润湿程度较小，导致填料在湿膜中聚沉现象严重，树脂与基板的接触面积骤减，间接造成力学性能较差；并且力度较弱的人工搅拌不足以破坏较大粒径，造成涂膜粗糙，也会使发射率升高。种种问题，使得在小批量放大至大批量制备红外低发射率涂层时，相同的原料配方而发射率不同。因此我们需采取并优化批量性制备涂层的制备工艺，确保发射率和力学性能在批量性制备时保持一致性和稳定性。在此首要的问题是选取合适的可用于大批量分散的机械设备，考虑到工业生产和实验室现有器械两个因素，我们选定了高速分散机作为批量性制备低红外发射率涂料的设备，高速分散机广义上是搅拌机的一种。由于采用高速搅拌机（比如圆盘锯齿型搅拌器）可以在局部形成很强的紊流，通常对物料有很强的分散乳化效果，所以又被称为分散机。高速分散机主要分为液压升降分散机，气动升降分散机，手摇升降分散机等。它采用电磁调速、变频调速等各种规格，运转稳定有力，适合各种粘度，操作维护简单，分散效果好，生产效率高，对物料可进行快速分散和溶解。2.高速分散机批量性制备低红外发射率涂料的理论分析高速分散机的结构图如图所示，高速分散机工作原理简单，它通过搅拌器把能量直接施加在料浆上，当启动高速分散机并调节转速后，料浆会伴随着搅拌器以一定的转速做圆周运动，其中，搅拌器末端处由圆周运动的规律可知：nRv2MRnF224式中，v：线速度，m/s；R：转动半径，m；F：作用力，N；M：转动质量，kg；n：转速，r/min。在搅拌过程中，料浆和填料由于受到搅拌器较大的剪切力，团聚颗粒与较大粒子可被破碎，减小填料的聚沉程度，所以有很强的分散效果。2.1实验验证（粒径分析）2.2模型建立由粒径分析的相关数据可知，人工搅拌后的料浆填料的平均粒径较大，高速分散机处理过的料浆填料的平均粒径更小，且高速分散机叶盘的转速越大，填料的平均粒径越小，说明分散和粉碎效果越好。根据填料的破碎程度及其在料浆中的分布规律，可建立如下图所示模型。当料浆不受高速分散机作用或者受到较弱的作用时，填料粒子在湿膜中的分布如图1所示，剪切力较低不足以破坏较大的片状铝粉，使其喷涂后微观粒子在重力的作用下悬浮于湿膜的中下部，造成涂层表面不平整，增大漫反射，使发射率较高。当料浆受到高速分散机较强的作用时，填料粒子在湿膜中的分布如图2所示，剪切力较大破碎了大的片状铝粉，使其喷涂后更易上浮，干燥后易于形成致密平整的涂层，减小了漫反射，使发射率较低。通过控制高速分散机相关的工艺参数，可以保证大批量分散后的料浆发射率与小批量制备保持一致性，因此可用来批量性生产红外低发射率涂料。高速分散机的工艺参数有叶片直径，料筒直径，装料高度，分散时间，分散转速等等，在此根据高速分散机说明书，当叶片直径为D时，容器直径应取3.4-3.9D，叶片离地面高度为0.5-0.7D，装料高度取2.4-3D，可得到较好的分散效果，此为已确定的工艺参数，在此不予讨论，主要讨论分散时间，分散温度，分散转速，料浆黏度四个参数对于批量性制备低红外发射率涂料的影响。分散时间对料浆的影响在于，时间过短时可能填料树脂及溶剂的混合不均匀，时间增长时不仅可使成分间充分的混合及润湿，也可能使填料粒子疲劳磨损，粒径减小，使发射率降低。分散温度对料浆的影响在于，温度对反应速率的影响十分显著，几乎所有反应速率都随温度的升高而增大，根据Arrhenius公式可知，RTEaAek当升高温度，可增大速率系数K，从而增大填料与树脂及溶剂的润湿程度，有利于片状铝粉在湿膜中更好的定向排列，从而降低发射率大小。分散转速对料浆的影响在于，转速过低不能使铝粉颗粒很好的破碎，不能使填料与粘合剂充分的润湿，不能使树脂与溶剂均一的混合，得不到良好的分散效果。所以增大转速有利于得到良好的料浆体系，当得到了良好的分散状态后，进一步增大转速可能使料浆发射率达到某一定值后保持恒定不变，也可能增大产热量使铝粉变黑，增大功率增加成本。料浆黏度对分散体系的影响在于，当保持转速恒定时，降低料浆黏度，也可以增大剪切力与搅动程度，促进填料的破碎，润湿与分散。可用雷诺数表征料浆搅动程度，由雷诺数公式可知，/**Re2DN式中，Re为雷诺数，N为转速，D为直径，ρ为密度，η为料浆动力粘度，由*可得/*Re2DN式中v为料浆运动粘度。由公式可知，转速N，运动粘度v同时影响着料浆的雷诺数，因此需通过实验确定转速与粘度的关系。3.高速分散机批量性制备低红外发射率涂层工艺参数研究3.1分散时间对批量性制备涂层的影响研究3.1.1实验部分为了分析时间对于料浆的影响，设置以下时间梯度：5min，20min，40min，60min，80min，100min，其他工艺参数统一控制为温度20℃，转速2000r/min，料浆黏度20s，制备涂层后测量涂层表面状况，发射率大小，及力学性能。3.1.2实验结果与机理分析3.1.2.1分散时间对批量性制备涂层发射率的影响研究0204060801000.250.300.350.400.450.500.550.600.650.70发射率平均值时间(min)样板平均值从上图中可以看出，在使用高速分散机批量性制备时，其他工艺参数统一的情况下，当分散时间为5min时，发射率约为0.55，分散时间为20min时，发射率为0.45，发射率降低约0.1，总体说来，在0-20min内随着分散时间的增加，涂层发射率逐渐减少。这可能是涂料配方初始混合搅拌的结果，在初始混合阶段，一方面填料不断破碎，并逐渐分散在料浆中，一方面黏稠状的树脂与溶剂不断混合直至均一。所以在0-20min的初始混合阶段，随时间的增加，料浆体系越来越均匀，使发射率逐渐减小。当分散时间超过20min后，发射率在0.43左右波动。其中分散时间为40min，60min，100min时，发射率分别约为0.40，0.44，0.42。总体来看，发射率保持恒定，不随分散时间的增加而降低。说明分散时间为20min时，料浆体系已达到均一，此时随着分散时间的增加，填料不再破碎，树脂与溶剂的混合达到均一，分散时间对料浆的状态基本无影响。分散时间超过20min后，决定发射率的大小不再是时间参数，可能是其他参数。3.1.2.2分散时间对批量性制备涂层致密度的影响研究分散时间白点数白点面积平均尺寸致密度5min57751658.9510.10320min1286117959.1720.23440min1183113489.5930.22560min1089105569.6930.20980min98382668.4090.164100min1236118049.550.234（注：此方法使用金相显微镜+ImageJ软件，可统计出金相截图中黑色无填料沟槽区域与白色铝粉填料区域并对比，可简要比较出表面状况的好坏。）涂层表面状况的好坏可简要通过致密度表征，统计致密度需先对涂层进行微观截图，然后用软件统计微观粒子覆盖微观截图的程度。从表格统计可以看出，在0-20min内，当分散时间为5min，20min时，涂层致密度分别为0.103和0.234，随着时间的增加，致密度不断变大，且微观截图中的白点数从577增长到1286，说明填料颗粒的破碎程度也显著增强，白点所占面积也从5165增大到11795，说明填料铝粉的有序排列面积越大，所以发射率随时间的增加而降低，总的说来，涂层的表面状况不断变好。在分散时间超过20min后，从表格可以看到，涂层的致密度约在0.20左右波动，且微观截图的白点数约稳定在1000左右，说明填料颗粒的破碎程度已基本不变，白点面积约稳定在10000左右，说明填料铝粉的有序排列面积也已达到稳定，随着分散时间的增加，树脂溶剂的混合达到均匀，料浆体系不再变化，涂层的表面状况基本稳定。所以发射率随时间的增加而基本保持恒定，可以得出结论，当使用高速分散机批量性制备涂层时，控制分散时间为20min即可。3.1.2.3分散时间对批量性制备涂层微观形貌的影响研究3.1.2.4分散时间对批量性制备涂层力学性能的影响研究分散时间硬度附着力5minH4级20min3H2级40min2H1级60min3H1级80min2H2级100min2H2级填料粒子的破碎，填料与粘合剂之间的润湿程度对于涂层的力学性能也有较大的影响，一般说来，填料粒子破碎程度越大，则填料与粘合剂的润湿越均匀，则涂层的力学性能越好。从上表中可以看出，当分散时间为5min时，涂层的力学性能很差，硬度仅为H，附着力为4级，无法满足工程应用，这可能与两个因素有关，一方面由于分散时间较短，使填料破碎程度很小，且分散在料浆中的填料很少，所以涂层的硬度较差。另一方面黏稠状的树脂未能与溶剂混合至均匀，使体系严重的不均一，喷涂的料浆中只有少量的树脂与基板产生锚固作用，所以涂层的附着力仅为4级。当分散时间达到20min时，可以看出，涂层的力学性能相比分散时间5min的有了显著的提升，力学性能由H升高到2H，附着力由4级升高到1级。这就是料浆体系不断混合至均匀的结果。当分散时间超过20min时，涂层的力学性能基本保持不变，虽然硬度或附着力偶然出现不一致，这可能是由于误差的原因。表格可间接的说明，在此条件下，填料破碎程度达到最大，树脂溶剂混合达到均匀，料浆体系已达稳定。3.1.3本节小节该小节主要讨论了分散时间对于涂层的表面状况的影响，从涂层的发射率，致密度，SEM图，力学性能的统计上可以看出，使用高速分散机对料浆进行分散搅拌时，料浆由于填料的颗粒状态，树脂与溶剂的密度差异等因素，存在一个初始混合阶段，在初始混合阶段，填料颗粒不断破碎，不断均匀的分散至料浆中，且树脂与溶剂不断混合直至整个体系均匀。涂层的性能也逐渐变优，由实验可得，涂层发射率不断减小，致密度不断增大，表面状况不断变好，且力学性能逐渐满足工程应用。在初始混合阶段之后，由于料浆中填料的破碎达到稳定，树脂溶剂的混合达到均匀，仅随着分散时间的增加，料浆体系不会再变化，从而涂层的各项性能也基本保持恒定。由以上分析可知，分散时间控制在初始混合阶段是很重要的，本实验当分散温度为20℃，转速为2000r/min，料浆黏度为20s时，初始混合阶段约为20min，实际操作中，当工艺参数发生改变时，根据实际情况适量增减分散时间即可。3.2分散温度对批量性制备涂层的影响3.2.1实验部分为了分析温度对于料浆的影响，设置以下时间梯度：10℃（室温），20℃，30℃，40℃，其他工艺参数统一控制为分散时间20min，转速4000r/min，料浆黏度20s，制备涂层后测量涂层表面状况，发射率大小，及力学性能。3.2.2实验结果与机理分析3.2.2.1分散温度对批量性制备涂层发射率的影响研究101520253035400.080.100.120.140.160.180.200.220.240.260.280.300.32发射率分散温度（℃）样板平均值从上图中可以看出，在使用高速分散机批量性制备涂层时，其它工艺参数统一的情况下，发射率与分散温度的关系大致呈现“U”形，在分散温度低于27℃时，发射率随着分散温度的增加而逐渐降低，当温度高于27℃之后，发射率随分散温度的增加而逐渐升高，当分散温度约为27℃时，发射率达到最低点，约为0.12。这是温度对物理变化及化学反应影响的原因，几乎所有反应速率及反应程度都随温度的升高而增大。在本实验中当升高温度时，填料颗粒的破碎程度增大，且填料粒子与树脂的润湿程度增大，同时树脂与溶剂的混合更加均匀，使得料浆体系更加均一；而且由于温度的适当增加，使得喷涂后湿膜的溶剂更易挥发，带动片状铝粉在湿膜上层排列，以上所述三个因素，使得喷涂后片状铝粉在湿膜中可