3.1　塑料涂層選擇機(jī)理

涂料的種類很多，選擇塑料用涂料體系，必須保證選擇的涂料體系對塑料有足夠的附著力。要獲得足夠的附著力必須遵循一些基本原則：首先涂料能對塑料底材進(jìn)行充分潤濕；邊界層要有足夠的內(nèi)聚強(qiáng)度；塑料和涂料的過渡層要盡量避免內(nèi)應(yīng)力積累等。底材的潤濕程度可通過測定涂料潤濕塑料時(shí)的接觸角來判定，接觸角的大小可直接反映底材表面自由能的大小。接觸角小，潤濕性就好，而表面能越低的底材越難潤濕。對低表面能的塑料底材，為得到良好的潤濕，常在涂料中加入一些助劑如有機(jī)硅偶聯(lián)劑，降低液體涂料的表面張力。合適涂料的選擇僅僅是獲得良好附著力的前提條件，塑料底材表面的特性對涂料在其表面的附著起主要作用，而這和塑料的加工有一定關(guān)系，如塑料底材在注塑時(shí)，注塑壓力、溫度、時(shí)間、注塑冷卻速率等因素都對其表面性能有明顯影響；塑料零件噴涂前所處的條件對附著力也有較大影響，例如溫度、濕度、內(nèi)應(yīng)力以及表面粗糙度。內(nèi)應(yīng)力可以在零件注塑過程或表面加工過程中形成。涂料在噴涂及固化過程中，溶劑遷移或加熱塑料使其松弛、收縮，可有效降低內(nèi)應(yīng)力。由此可知復(fù)合塑料底材的結(jié)晶度越高，涂料在其表面的附著力越小。

常規(guī)金屬表面自由能為（5～50）×10-5J/cm2，塑料表面自由能則明顯低、極性小，其表面自由能往往低于1×10-5J/cm2，表面難以附著[3]。研究者就涂料在塑料底材上的附著，提出多種理論，如擴(kuò)散理論、溶解度參數(shù)理論、靜電理論、化學(xué)鍵合理論、吸附和機(jī)械咬合理論等[2～4]。每種理論都能從某個(gè)層面上描述涂料在塑料表面的附著狀態(tài)，但對塑料涂層的實(shí)際應(yīng)用都存在著偏差，其中擴(kuò)散理論得到較為廣泛的認(rèn)可。該理論認(rèn)為涂層附著力的大小與涂料擴(kuò)散到塑料底材內(nèi)部能力的大小密切相關(guān)。其實(shí)各種理論并不矛盾，例如涂料一旦滲透到塑料底材中，滲透物與塑料底材間存在的靜電和機(jī)械咬合現(xiàn)象，會(huì)明顯增強(qiáng)兩者之間的附著力。要想涂料滲透到塑料底材當(dāng)中，首先要使它能很好地潤濕底材，這在實(shí)際生產(chǎn)中可以通過調(diào)配涂料各組分的比例，使之在底材上鋪展開來，此時(shí)涂層和塑料底材之間通過各種作用力而結(jié)合到一起。如果成膜樹脂與塑料基材的溶解度參數(shù)選擇適當(dāng)，就能使漆膜與塑料表面形成一個(gè)互混層，這時(shí)涂料與塑料之間的靜電和機(jī)械咬合力就會(huì)起作用?；セ鞂与m有助于附著，但是要靠涂料中的溶劑對塑料的輕微溶解來實(shí)現(xiàn)，如果把握不當(dāng)使涂料過分溶蝕塑料底材表面，將會(huì)使塑料底材表面凹凸不平，漆膜起皺，流平性不好，影響外觀。因此所用溶劑的溶解度參數(shù)要盡量與塑料的溶解度有一些偏差。由于塑料和涂料均是較為復(fù)雜的體系，存在著物理、化學(xué)等方面的不均一性，因此在界面存在著內(nèi)應(yīng)力，如收縮應(yīng)力、熱應(yīng)力和變形應(yīng)力等，這些應(yīng)力均會(huì)對涂料的附著力造成不利影響，因而需要添加合適的助劑及選擇適當(dāng)?shù)耐苛象w系來加以消除。不同的塑料底材也要根據(jù)結(jié)構(gòu)相似、極性相近原理選擇合適的涂料體系。

從以上分析出發(fā)，設(shè)計(jì)塑料用涂料的配方時(shí)，除保證涂料的樹脂施工時(shí)不拉絲、易于流平、常溫易自干、漆膜豐滿度好、耐候性好外，選擇溶劑體系是配方的關(guān)鍵。設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)娜軇w系，可提供與塑料底材相近的溶解度參數(shù)，做到對底材附著力好又不明顯溶蝕底材，保證漆膜流平性好，外觀平整光滑，干燥速率適宜。每種塑料底材都有固定的溶解度參數(shù)δM，而選擇的溶劑體系溶解度參數(shù)δR可根據(jù)式（3-1）求得：

δR=φ1δ1+φ2δ2+φ3δ3+…+φiδi

（3-1）

式中,φi是溶劑體系中某一組分的體積分?jǐn)?shù);δi是該溶劑的溶解度參數(shù)。同樣依照式（3-2）可計(jì)算涂料的溶解度參數(shù)：

δp=φRδR+φSδS

（3-2）

式中,φR，φS分別為溶劑和樹脂的體積分?jǐn)?shù)；δR，δS分別為溶劑和樹脂的溶解度參數(shù)。有了涂料的溶解度參數(shù)δp，可以與塑料底材的溶解度參數(shù)δM相比，判斷溶劑體系是否合適。一般來說|δp-δM|>2（J/cm3）1/2時(shí)，易在塑料底材上產(chǎn)生良好附著而不溶蝕底材[5]。如HIPS的δM為8.6～9.7（J/cm3）1/2，所選涂料的δp應(yīng)在10.6～11.7（J/cm3）1/2之間才比較匹配。

選擇合適涂料體系的另一種方法是實(shí)驗(yàn)法，按照實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行調(diào)試。將不同的溶劑按照比例混合在一起，并將混合的溶劑涂在塑料底材上，以混合溶劑剛好浸蝕塑料底材為準(zhǔn)。以這樣的溶劑配制涂料，一般經(jīng)過幾次實(shí)驗(yàn)就可確定漆料體系。在確定溶劑體系時(shí)，同時(shí)還要兼顧溶劑的揮發(fā)速率。溶劑揮發(fā)太快，漆料流平性不好，易產(chǎn)生針孔、泛白等現(xiàn)象；溶劑揮發(fā)太慢，漆料易流淌，固化速率太慢。一些常見溶劑的溶解度參數(shù)和揮發(fā)速率常數(shù)在溶劑手冊上可查到。

由于表面能的差異，塑料表面涂裝比在鋼鐵、木材上要困難得多，要根據(jù)不同的塑料底材選擇不同配方的涂料，并且有時(shí)涂裝前還要對表面進(jìn)行處理。使用的處理方法有紫外線照射處理、等離子放電、重鉻酸鉀和高錳酸鉀酸性溶液清洗和溶劑清洗等。但這些方法存在著問題，如在表面處理過程中產(chǎn)生廢液、增加費(fèi)用等。因此現(xiàn)在這些方法只在一些特定場合使用，人們主要還是希望能在涂料配方上完善。此外，在涂裝過程中，大氣的溫度和濕度也是影響涂料附著力的重要因素，應(yīng)加以注意。

根據(jù)前面的描述，塑料表面的涂層選擇是和塑料本身材料直接相關(guān)的。目前塑料的種類主要有聚烯烴、PS、ABS、PC、PMMA、聚酰胺和聚醚等。其中，聚烯烴、ABS和PS塑料的應(yīng)用最為廣泛。ABS、PVC塑料的極性較大，和多種涂料有較強(qiáng)的親和力，可選擇的涂料品種就比較多，如熱塑性丙烯酸酯漆、醇酸改性丙烯酸漆、聚氨酯漆、硝基漆、聚烯烴類漆等；PS、HIPS等塑料對溶劑敏感，容易被溶劑溶蝕，且耐溫性較差，一般選擇常溫自干的熱塑性丙烯酸漆、改性丙烯酸漆或硝基漆等，并選擇適當(dāng)?shù)南♂寗粚τ诜菢O性的聚烯烴PP、PE，涂料在其表面難以潤濕和附著，且它們的耐溶劑性很強(qiáng)，難度最大，比較實(shí)際的辦法是加涂一薄層底漆（過渡層），此底漆中往往含有一部分氯化烯烴（CPO），以增加附著力。由于不同塑料底材的結(jié)構(gòu)、極性有很大差別，因此不同的塑料底材要選用不同的涂料體系。表3-1給出常見塑料的涂料體系[3]。