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涂料

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涂料
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油漆(英语:paint)是一种材料或混合物,涂覆于固体表面并待其干燥后,可形成膜状覆盖层。

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混合水至适当比例的颜料

在艺术领域,油漆用于创作图像,即“绘画”。油漆可制成多种颜色和类型,主要分为油性水性两大类,各具特性。

原始形式的油漆早在数万年前的洞穴壁画中便已出现。[1][2]

油性与水性油漆所需清洁溶剂不同。[3] 两者的固化过程亦会因被涂物(如房屋)的外部环境温度而异。

历史

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油漆与史前艺术

油漆被用于人类最早期的艺术创作之一。一些以红、黄赭石,赤铁矿、二氧化锰及木炭绘制的洞穴壁画,可能由早期智人在距今约 4 万年前完成。[4] 油漆的历史甚至可能更久:2003–2004 年,南非考古学家在布隆博斯洞穴发现距今约 10 万年的人工赭石混合物,被认为可作类似油漆的材料使用。[5][6] 同处洞穴的进一步发掘在 2011 年出土了一整套用于研磨颜料并调配原始“漆状物”的工具。[6][7]

新石器时代与古代漆艺

位于奥克尼群岛的布罗德加尔遗址(约 5000 年前)内壁发现,个别石块涂覆了黄、红、橙三色,其颜料由赤铁矿加动物脂肪、乳或蛋调制。[8][9]

埃及丹德拉神庙逾 2000 年前的彩绘墙面,历经多年风化仍色彩鲜明。古埃及人以树胶调色,且各色分开涂布,不作混合;常用六色:白、黑、蓝、红、黄、绿。其中红色多用深色朱砂(minium)。[10]

油画的起源与欧洲技术

现存最早的油画为约公元 650 年阿富汗巴米扬山谷崖室佛教壁画,以核桃油与罂粟籽油为黏合剂绘制。[11] 古罗马作家老普林尼亦记载亚尔代亚城(Ardea)在罗马建城前就有彩绘天花板,历经数百年仍鲜艳如初。

13 世纪,油性涂料用于蛋彩画细节;14 世纪钱尼诺·钱尼尼记述先以蛋彩绘制,再覆以薄层油彩的技法。早期欧洲画家已知植物性油料干燥缓慢,获取和使用颇为不便,故油画罕见,且慢干特性曾被视为劣势。[12] 当时颜料以植物、沙土等研磨;蛋黄作黏合剂,使颜料固化附着。

配方改良与建筑涂饰

弗拉芒派影响下的安东内罗·达·梅西纳(安东尼奥·达·梅西纳)据瓦萨里所误称将油画带入意大利[13],实则他改进配方,加入黄丹(氧化铅)。17 世纪英格兰萨里郡汉普顿宫的室内油漆仍存:先涂底漆,再覆多层底色与复杂装饰面漆,所用颜料与油须以研钵手工研磨成糊。这一过程令画匠接触白铅粉,易导致铅中毒。

工业革命与现代油漆技术

1718 年,马歇尔·史密斯(Marshall Smith)在英国发明了一种“颜色研磨机”(Machine or Engine for the Grinding of Colors)。该装置的具体运作方式已无从考证,但它显著提高了颜料研磨效率。不久,埃默顿与曼比公司(Emerton and Manby)便开始宣传采用此类省力技术研磨的廉价油漆,并在广告中夸称:

“一磅颜料若用马力研磨机(Horse-Mill)研磨,足以涂刷十二码的面积;若用其他方式研磨,其覆盖量不及一半。”

随着工业革命在 18 世纪中期正式展开,油漆开始在蒸汽动力的研磨厂中生产;同时,人们发现氧化锌的白色衍生物可替代含铅颜料。进入 19 世纪,室内墙面涂装逐渐成为常态——既因装饰需求,也因油漆能防止潮湿导致墙体腐朽。亚麻仁油因价廉易得,也愈发常被用作黏合剂。

1866 年,美国宣伟公司(英语:Sherwin-Williams)成立,成为大型油漆制造商,并发明了可开桶即用的预调合油漆。

第二次世界大战期间,亚麻仁油供应短缺催生了人造树脂——醇酸树脂alkyd)。醇酸树脂成本低、易于制造,且着色持久耐用。[14]

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种类

含色素涂料(Pigmented)

20 世纪的油漆通常依赖颜料,并以液体为分散介质使其悬浮。

结构色涂料(Structural)

21 世纪出现了利用结构色的“涂料”。其做法是在铝薄片上点缀尺寸更小的铝纳米颗粒,通过调控纳米颗粒大小而非混配矿物颜料来生成任意颜色。这类涂料重量仅为传统涂料的一小部分,对航空器和公路车辆尤具优势;它们还能反射阳光热量,户外使用不易降解。初步实验显示,与传统涂料相比,表面温度可降低约 20–30 ℉,且成分毒性更低。[15]

制备流程始于一片薄的双面镜:研究人员在薄片两侧沉积金属纳米颗粒,再将大张薄片研磨成小片,即得颜料薄片。[15]

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组成

载体

载体是构成涂料“湿膜”的主体,通常只包含成膜物;若需稀释,则再加稀释剂(溶剂或水),成为“成膜物 + 稀释剂”的组合。[16][17] 油漆干燥/固化后,几乎所有稀释剂都会挥发,只剩成膜物留在被涂表面。因此,配方中一个关键参数是载体固体分(vehicle solids,又称 resin solids):即湿漆重量中属于成膜物的那一部分,也就是最终留在涂膜中的聚合物骨架。油漆干后仅余固体部分的体积被称为体积固体分(volume solid)。

成膜物(Binder / Film Former)

成膜物是油漆必不可少的“成膜”组分。[18] 它决定涂膜的光泽、耐久、柔韧与韧性等性能。[19] 常见成膜物包括人工或天然树脂——醇酸、丙烯酸、乙烯-丙烯酸、乙酸乙烯乙烯(VAE)、聚氨酯聚酯三聚氰胺环氧硅烷硅氧烷——以及各类干性油。

按成膜方式可分为 热塑性热固性 两大机制。[20]

热塑性成膜机制(Thermoplastic Mechanisms)

有些涂膜只需冷却成膜物即可成形。例如蜡彩(encaustic)或蜂蜡漆受热呈液态,冷却后即硬化;再次加热时,又可重新软化甚至熔化。

靠溶剂挥发干燥、且将固体成膜物溶解在溶剂中的涂料称为清漆(lacquer)。溶剂蒸发后形成固体膜层,由于缺乏化学交联,膜层可再次被溶剂溶解,因此在需要高度化学耐受性的场合并不适用。经典硝化纤维清漆以及以溶剂溶解染料、不上浮木纹的非升纹着色剂(non-grain-raising stain)皆属此类。不同配方性能有别,一般而言,清漆相较于通过聚合或聚结固化的体系,耐紫外性能较好、耐腐蚀性能较差

英国所称 emulsion paint、美国所称 latex paint 均指水性分散体,其成膜物为亚微米级聚合物颗粒,如丙烯酸、乙烯-丙烯酸(PVA)、苯乙烯-丙烯酸等。[21] 在美国语境中,“latex” 仅表示“水分散体”,并不含天然橡胶。此类涂料由乳液聚合制得,成膜过程称为聚结:水分及微量助成膜溶剂先后挥发,使聚合物颗粒软化、互渗并熔合为不可逆网状结构,成膜后便无法再溶于原先载体。残留表面活性剂与部分聚合物的水解作用,使得涂膜长期受水时仍可能软化并逐渐降解。美国普遍使用 “latex paint” 这一名称,而在英国则使用 “emulsion paint”,几乎不称 “latex paint”。

热固性成膜机制(Thermosetting mechanisms)

通过聚合反应固化的涂料多为一组分两组分体系:组分混合后发生化学反应,生成交联膜。某些配方在化学固化前,需先经溶剂挥发以形成初步干膜。典型例子包括双组分环氧树脂漆或聚氨酯漆。[22][23]

所谓“干性油”看似在空气中自然干燥,实则同样经历交联:溶剂首先挥发,随后数天至数月内与空气中的氧反应,形成交联网络。[16] 经典醇酸磁漆即属此类;其氧化固化通常借助金属络合催干剂,例如萘酸钴(常用辛酸钴)。

近期环保法规严格限制挥发性有机化合物(VOC),工业界因而开发了替代固化方式:

  • 紫外光固化涂料(UV curing)——采用低分子量单体/寡聚体配方,可在极低甚至零溶剂条件下流平;若含少量溶剂,一般先行挥发,再以紫外光触发交联。
  • 粉末涂料——完全不含溶剂,干粉经静电喷涂附着后,通过加热基材实现流平与固化。[24]

复合成膜机制(Combination mechanisms)

所谓“催化清漆”(catalyzed lacquers)或“交联乳胶漆”(crosslinking latex)的体系,旨在通过传统干燥 + 催化交联反应双重方式成膜。另一类称为 塑溶胶/有机溶胶(plastisol/organosol)的涂料,则将 PVC 颗粒与增塑剂混合,经烘烤(stoving)后熔融聚结形成涂膜。

稀释剂/溶剂/稀释油(Diluent / Solvent / Thinner)

稀释剂的主要作用是溶解成膜聚合物并调节黏度;其本身易挥发,最终不留于漆膜中。同时它还能影响涂料的流平性、施工性及液态存储稳定性,其根本任务是在涂布阶段承载非挥发性组分。以油基室内墙漆为例,若需铺展较稠的亚麻仁油,必须加入更稀薄的油品作稀释剂。稀释剂的作用仅在涂装过程中;一旦挥发完成,剩余漆膜即固定于基材表面。并非所有涂料都必须含稀释剂,部分配方可做到“零稀释剂”。

颜料、染料与填料

颜料是分散于油漆中的固体颗粒或薄片,通常用于为涂膜着色。其着色机理包括选择性吸收特定波长的光线,以及散射/反射光线。颜料粒径对散射效果至关重要,可借助 赫格曼刮板细度计(Hegman gauge)测量。与之相对,染料可完全溶解于涂料中,仅依选择性吸收产生颜色。[25] 油漆可配方为仅含颜料、仅含染料、两者兼有或两者皆无。

颜料亦可赋予涂膜特殊的物理或光学特性,此时称为功能颜料[26] 其中重要一类为填料/体质颜料(extender pigments),多用于增加涂层厚度、降低成本,或提高涂膜的韧性及质感。[27] 常见填料多为廉价惰性材料,如硅藻土、滑石、石灰石、重晶石、粘土等;要求耐磨的地坪漆中往往加入细石英砂。

部分颜料兼具装饰与功能双重作用。例如某些装饰性颜料通过吸收紫外光来阻隔有害辐射,保护基材,因而又称隐藏颜料(hiding pigments),典型品种包括二氧化钛、酞菁蓝、红铁氧等。

部分颜料具有毒性,如含铅颜料。美国消费品安全委员会 1978 年禁止住宅用铅基涂料之前,制造商已逐步以钛白(二氧化钛)替代白铅。现代涂料中使用的二氧化钛常包覆二氧化硅/氧化铝/氧化锆,以提高户外耐久性或通过优化颜料在漆膜中的间距来增强遮盖力。[28]

片状氧化铁(micaceous iron oxide,MIO)是取代含铅防腐涂料的另一选择,较多数油漆对钢材提供更强的抗水与抗光损伤保护。MIO 研磨成细粉后多呈闪亮层片,可反射光线,减缓紫外降解并屏蔽树脂基体。与常见的球形颜料不同,玻璃鳞片或 MIO 等片状颜料重叠排列,可阻碍水分子渗透。[29] 为获得最佳性能,MIO 需含高比例的薄片状颗粒,ISO 10601 设定了两级 MIO 含量标准。[30] 工业用 MIO 通常来源于赤铁矿。

按来源区分,颜料可分为天然合成两大类。天然颜料采自土壤或植物,包括金属氧化物、炭黑及各类粘土、碳酸钙、云母、硅石和滑石等;合成颜料则涵盖实验室合成的有机/无机着色剂、煅烧粘土、硫酸钡(blanc fixe)、沉淀碳酸钙及气相法二氧化硅等。颜料与染料的化学类型依颜色索引(Color Index)系统分类,具有重要的商业意义。[31]

添加剂

除了成膜物、稀释剂与颜料三大类别外,油漆配方还可加入少量添加剂,用量虽小,却能显著改善产品性能。常见功能包括:调节质感、控制表面张力、提升流平性与成膜外观、延长湿缘(wet edge)时间、增强颜料分散与稳定、赋予抗冻性、抑泡或消泡、防止结皮、在丙烯泼彩中生成“细胞”等。

常用添加剂类型有:

  • 催化剂(catalyst)
  • 增稠剂(thickener)
  • 稳定剂(stabilizer)
  • 乳化剂(emulsifier)
  • 纹理剂(texturizer)
  • 附着力促进剂(adhesion promoter)
  • 紫外稳定剂(UV stabilizer)
  • 消光剂/哑光剂(flattener、de-glossing agent)
  • 杀菌剂(biocide)等。

添加剂通常不会显著改变配方中各主要组分的重量百分比。[32]

变色涂料

多种技术可使油漆呈现可逆变色效果。

  • 热致变色(thermochromic)油墨/涂层含有受热会构象变化的材料,因而随温度升降而变色。热致变色液晶已用于水族箱用温度条、宣传用变色杯与吸管等产品。
  • 光致变色(photochromic)材料常见于变色眼镜等。与热致变色类似,其分子在光能作用下改变构象,导致颜色变化。
  • 在涂料中加入卤变色(halochromic)化合物或其他有机颜料亦可实现变色效果。一项专利提出利用此特性于浅色室内墙漆:湿漆呈粉色,干燥后恢复白色,便于均匀地涂刷多层。[33] 阿什兰公司 2005 年推出的铸造耐火涂层亦采用同理。[34][35]
  • 电致变色(electrochromic)涂料可随电流变化而改色。日产汽车据报研发基于顺磁氧化铁颗粒的电致变色漆:电磁场改变颗粒间距,从而改变颜色与反射特性;电磁场可由车体金属导电层产生。[36] 该技术亦能应用于塑料基材,如乘客机舷窗的一键调光。
  • 通过虹彩效应(iridescence)亦可实现角度相关的色彩变化,如商业产品 ChromaFlair。

艺术用漆

自文艺复兴时期起,可干性油画颜料(以亚麻仁油 linseed oil 为主)便一直是美术创作最常用的涂料类型,至今仍普遍使用。20 世纪,随着丙烯及其他乳胶体系的发展,丙烯颜料等水性涂料进入市场,扩大了艺术媒材的选择。

牛奶漆milk paint,亦称 casein paint)以牛奶天然乳化液为媒介,19 世纪非常流行,今日仍见应用。最早为西方艺术家使用的蛋彩egg tempera,媒介为生蛋黄与油的乳状混合物)及以蜂蜡为基质的蜡彩encaustic)亦沿用至今。

水粉画gouache)是不透明的水彩变体,水粉与水彩均以阿拉伯胶为黏合剂、以水为稀释剂,但水粉因遮盖力更强,又称“设计色”或“体性色”。

海报颜料poster paint)属胶泥漆(distemper)范畴,多用于学生习作或儿童绘画;品牌众多,品质不一,廉价产品若长期留在纸面,常见龟裂或褪色现象。

常见木器涂料品种

硝基涂料(NC)

硝基漆是以硝化纤维素为主体,加入树脂、增塑剂、溶剂和助剂配制而成。硝基漆是单组分漆,是挥发成膜。及主漆和天那水按比例混合的液体。因具有毒性,目前已极少使用[37]

不饱和聚酯涂料(PE)

不饱和聚酯,简称PE,在在木器涂装中一般用作中涂层(打磨底漆)和面漆,不作底漆使用,三液反应性主要用作钢琴烤漆。

聚氨酯涂料(PU)

由主漆、固化剂反应成膜,因生成物含氨酯化学键,固称聚氨酯涂料。由主漆,固化剂,稀释剂按比例混合搅匀即可使用,其中稀释剂起溶解树脂和调节粘度作用。

路面标线涂料种类

热熔涂料

粉末状的涂料,通过加热设备——热熔釜融化成流质的液态,并充分搅拌均匀,用于标线机械施划交通标线。

常温型标线涂料

分水性涂料和溶剂型涂料,涂料不需加热。在常温下直接用于路面划线施工。通过标线机喷涂于路面固化形成标线。

双组份涂料

双组份涂料是由A组份和B组份组成,AB组份混合后发生交联反应,涂敷于路面,在路面上固化形成一层耐久性涂层。

施作工具

1.曲柄毛刷:用途刷间隙、凹面转折面等较小面积处。

2.直型毛刷:一般大面积的平面途刷施做。

3.滚筒刷:用于高黏度或需要快速施做大面积时使用。

4.毛笔:特别用在需要细处修边、修饰跟勾勒之处。

5.气式喷涂(Air spray):将高压空气通入装有油漆的压力容器中,借由压力推送至喷嘴喷出的涂装方式。

6.无气式喷涂(Airless spray):利用动力工具将漆料加压,推送至喷嘴喷出的涂装方式。由于空气不与漆料混合送出,故称为无气式喷涂。

脚注

外部链接

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