3.1　塑料涂层选择机理

涂料的种类很多，选择塑料用涂料体系，必须保证选择的涂料体系对塑料有足够的附着力。要获得足够的附着力必须遵循一些基本原则：首先涂料能对塑料底材进行充分润湿；边界层要有足够的内聚强度；塑料和涂料的过渡层要尽量避免内应力积累等。底材的润湿程度可通过测定涂料润湿塑料时的接触角来判定，接触角的大小可直接反映底材表面自由能的大小。接触角小，润湿性就好，而表面能越低的底材越难润湿。对低表面能的塑料底材，为得到良好的润湿，常在涂料中加入一些助剂如有机硅偶联剂，降低液体涂料的表面张力。合适涂料的选择仅仅是获得良好附着力的前提条件，塑料底材表面的特性对涂料在其表面的附着起主要作用，而这和塑料的加工有一定关系，如塑料底材在注塑时，注塑压力、温度、时间、注塑冷却速率等因素都对其表面性能有明显影响；塑料零件喷涂前所处的条件对附着力也有较大影响，例如温度、湿度、内应力以及表面粗糙度。内应力可以在零件注塑过程或表面加工过程中形成。涂料在喷涂及固化过程中，溶剂迁移或加热塑料使其松弛、收缩，可有效降低内应力。由此可知复合塑料底材的结晶度越高，涂料在其表面的附着力越小。

常规金属表面自由能为（5～50）×10-5J/cm2，塑料表面自由能则明显低、极性小，其表面自由能往往低于1×10-5J/cm2，表面难以附着[3]。研究者就涂料在塑料底材上的附着，提出多种理论，如扩散理论、溶解度参数理论、静电理论、化学键合理论、吸附和机械咬合理论等[2～4]。每种理论都能从某个层面上描述涂料在塑料表面的附着状态，但对塑料涂层的实际应用都存在着偏差，其中扩散理论得到较为广泛的认可。该理论认为涂层附着力的大小与涂料扩散到塑料底材内部能力的大小密切相关。其实各种理论并不矛盾，例如涂料一旦渗透到塑料底材中，渗透物与塑料底材间存在的静电和机械咬合现象，会明显增强两者之间的附着力。要想涂料渗透到塑料底材当中，首先要使它能很好地润湿底材，这在实际生产中可以通过调配涂料各组分的比例，使之在底材上铺展开来，此时涂层和塑料底材之间通过各种作用力而结合到一起。如果成膜树脂与塑料基材的溶解度参数选择适当，就能使漆膜与塑料表面形成一个互混层，这时涂料与塑料之间的静电和机械咬合力就会起作用。互混层虽有助于附着，但是要靠涂料中的溶剂对塑料的轻微溶解来实现，如果把握不当使涂料过分溶蚀塑料底材表面，将会使塑料底材表面凹凸不平，漆膜起皱，流平性不好，影响外观。因此所用溶剂的溶解度参数要尽量与塑料的溶解度有一些偏差。由于塑料和涂料均是较为复杂的体系，存在着物理、化学等方面的不均一性，因此在界面存在着内应力，如收缩应力、热应力和变形应力等，这些应力均会对涂料的附着力造成不利影响，因而需要添加合适的助剂及选择适当的涂料体系来加以消除。不同的塑料底材也要根据结构相似、极性相近原理选择合适的涂料体系。

从以上分析出发，设计塑料用涂料的配方时，除保证涂料的树脂施工时不拉丝、易于流平、常温易自干、漆膜丰满度好、耐候性好外，选择溶剂体系是配方的关键。设计恰当的溶剂体系，可提供与塑料底材相近的溶解度参数，做到对底材附着力好又不明显溶蚀底材，保证漆膜流平性好，外观平整光滑，干燥速率适宜。每种塑料底材都有固定的溶解度参数δM，而选择的溶剂体系溶解度参数δR可根据式（3-1）求得：

δR=φ1δ1+φ2δ2+φ3δ3+…+φiδi

（3-1）

式中,φi是溶剂体系中某一组分的体积分数;δi是该溶剂的溶解度参数。同样依照式（3-2）可计算涂料的溶解度参数：

δp=φRδR+φSδS

（3-2）

式中,φR，φS分别为溶剂和树脂的体积分数；δR，δS分别为溶剂和树脂的溶解度参数。有了涂料的溶解度参数δp，可以与塑料底材的溶解度参数δM相比，判断溶剂体系是否合适。一般来说|δp-δM|>2（J/cm3）1/2时，易在塑料底材上产生良好附着而不溶蚀底材[5]。如HIPS的δM为8.6～9.7（J/cm3）1/2，所选涂料的δp应在10.6～11.7（J/cm3）1/2之间才比较匹配。

选择合适涂料体系的另一种方法是实验法，按照实验结果进行调试。将不同的溶剂按照比例混合在一起，并将混合的溶剂涂在塑料底材上，以混合溶剂刚好浸蚀塑料底材为准。以这样的溶剂配制涂料，一般经过几次实验就可确定漆料体系。在确定溶剂体系时，同时还要兼顾溶剂的挥发速率。溶剂挥发太快，漆料流平性不好，易产生针孔、泛白等现象；溶剂挥发太慢，漆料易流淌，固化速率太慢。一些常见溶剂的溶解度参数和挥发速率常数在溶剂手册上可查到。

由于表面能的差异，塑料表面涂装比在钢铁、木材上要困难得多，要根据不同的塑料底材选择不同配方的涂料，并且有时涂装前还要对表面进行处理。使用的处理方法有紫外线照射处理、等离子放电、重铬酸钾和高锰酸钾酸性溶液清洗和溶剂清洗等。但这些方法存在着问题，如在表面处理过程中产生废液、增加费用等。因此现在这些方法只在一些特定场合使用，人们主要还是希望能在涂料配方上完善。此外，在涂装过程中，大气的温度和湿度也是影响涂料附着力的重要因素，应加以注意。

根据前面的描述，塑料表面的涂层选择是和塑料本身材料直接相关的。目前塑料的种类主要有聚烯烃、PS、ABS、PC、PMMA、聚酰胺和聚醚等。其中，聚烯烃、ABS和PS塑料的应用最为广泛。ABS、PVC塑料的极性较大，和多种涂料有较强的亲和力，可选择的涂料品种就比较多，如热塑性丙烯酸酯漆、醇酸改性丙烯酸漆、聚氨酯漆、硝基漆、聚烯烃类漆等；PS、HIPS等塑料对溶剂敏感，容易被溶剂溶蚀，且耐温性较差，一般选择常温自干的热塑性丙烯酸漆、改性丙烯酸漆或硝基漆等，并选择适当的稀释剂；对于非极性的聚烯烃PP、PE，涂料在其表面难以润湿和附着，且它们的耐溶剂性很强，难度最大，比较实际的办法是加涂一薄层底漆（过渡层），此底漆中往往含有一部分氯化烯烃（CPO），以增加附着力。由于不同塑料底材的结构、极性有很大差别，因此不同的塑料底材要选用不同的涂料体系。表3-1给出常见塑料的涂料体系[3]。

表3-1　不同塑料及选择的涂料体系