漆膜的力學性質(zhì)

    作為保護層的涂料，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性能。

1、無定型聚合物力學性質(zhì)的特點

材料的力學性質(zhì)主要是指材料對外力作用響應的情況。當材料受到外力作用，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，用原有尺寸除以受力后的形變尺寸就稱為應變。材料發(fā)生應變時，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內(nèi)力，它抵抗著外力，并傾向恢復到變化前的狀態(tài)。達到平衡時，回復內(nèi)力與外力大小相等，方向相反。定義單位面積上的回復內(nèi)力為應力，其值與單位面積上的外力相等。產(chǎn)生單位形變所需的應力稱為模量。

模量=應力/應變

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。從材料的觀點來看，模量是材料抵抗外力形變能力，它與材料的化學結構和聚集態(tài)結構有關，是材料最重要的參數(shù)。

2、漆膜的強度

① 應力-應變曲線與聚合物的強度

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)生之前的應力-應變（以伸長率表示）曲線稱為拉伸曲線，曲線的終點是材料斷裂的點，即為材料強度的表示。

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，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，因此很難有相應的測試方法來準確地予以描述。但是，無疑聚合物材料是否適應這種要求，是和其應-應變曲線相關的，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大的伸長（強迫高彈形變），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遠遠低于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動，但它們的基團仍可進行轉動，PS上的苯基轉動困難，而PMMA的酯基轉動比較容易，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，因為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，是設計配方時需要注意的。

③ 漆膜的伸長與復原

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系。另外，如果伸長后的漆膜不能隨木器的收縮而恢復的話，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，可因強迫高彈形變而有較大的伸長，這種形變，如前所述，是鏈段運動引起分子取向的結果，外力撤銷后，不能完全復原，即使對其加反方向的力（即收縮時的力），也不可能復原。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。另一方面，當木器膨脹引起的漆膜形變被長期保持時，由于力學松弛，應力可逐漸減小。

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。實驗結果證實，耐磨性和斷裂功有密切關系，斷裂功可以由應力-應變曲線所包圍的面積來衡量。已經(jīng)討論過，應力和應變曲線的形成是和應變的速度相關的，為了衡量耐磨性，應該是用相應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)往往和實際結果不符，其原因可能是應變速度和應力時間不匹配，有時將試樣在較低溫度下測量，則可得到較好的結果，按照溫度-時間等效性原則，降低測試溫度相當于提高了應變速度。涂料中以聚氨酯涂料的耐磨性為最好，這可能是因為聚氨酯分子間可形成氫鍵的緣故，在應力下，聚氨酯由于氫鍵的作用，表現(xiàn)出較高的硬度；當應力較高時，氫鍵斷裂吸收能量，從而保護了共價鍵；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。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

沖擊強度是在高速沖擊條件下的耐斷裂性。在應力-應變曲線上，沖擊強度也和斷裂功有關，但相應的應力-應變曲線應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化的情況，因為內(nèi)耗是將機械能轉化為熱的一種量度，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變區(qū)內(nèi)耗有一峰值，玻璃態(tài)的抗沖擊強度趨于極大。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動和分散應力之前便出現(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，因此一般認為玻璃化溫度的高低和抗沖擊性有密切的關系。但要注意玻璃化溫度并非衡量抗沖擊性的可靠標準，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度要比碳酸酯差的多，這是因為聚碳酸酯在-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轉變，對抗沖擊無貢獻，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鍵、氫鍵及范德華力。因此聚合物材料強度可根據(jù)其結構進行理論計算。因為計算是在非常理想的情況下進行的，所得結果和實際強度差距非常之大，實際強度要比理論強度差很多。弄清楚理論計算與實際結果差異的原因，對于如何提高材料強度意義很大。影響聚合物實際強度的因素很多，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度的影響。