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工业漆体积固含量的计算方法探讨
陈海洪1, 2, *，陈中华2, 3，陈剑华2，陈文君3，余飞3
（1.华南理工大学化学与化工学院，广东 广州 510640；2.广州集泰化工有限公司，广东 广州 510520；3.华南理工大学材料科学与工程学院，广东 广州 510640）
1 前言
长期以来，人们研究金属腐蚀的机理和规律，并采用多种技术对金属加以保护。而防止腐蚀发生、延长金属材料的使用寿命一直是一个世界性的研究课题[1]。目前，在金属表面上涂刷防腐涂料是普遍公认的可以延长金属材料使用寿命的方法。而涂料种类、工艺配套、施工质量等都对防腐质量有很大的影响。随着工业漆的发展，涂装业也不断地趋于专业化。本文讨论的体积固含量是涂装业里的重要概念，它是指干膜体积与湿膜体积的比值[2]。根据体积固含量，人们在涂装前可以计算涂料在不同干膜厚度下的理论涂刷面积，即体积固含量 × 10 ÷ 厚度 = 理论涂刷面积(m2/L)，从而可以推算工程的涂料理论用量。由此可见，体积固含量在工业涂料及其涂装业里占有重要的地位。
2 计算方法
2. 1 定义法
根据定义，体积固含量V% = (V1/V2) × 100%。其中，V%─固体体积固含量(以下简称体积固含量)，V1─干膜体积，V2─湿膜体积。对于一块长方体的膜来说，体积 = 底面积 × 厚度，故V% = (V1/V2) × 100% = [(A ×δ1)/(A × δ2)] × 100% = (δ1/δ2) × 100%。其中，δ1─干膜厚度，δ2─湿膜厚度，A─钢板表面积。现代测厚技术比较先进，干膜厚度和湿膜厚度都可以通过仪器很好地测出来。测量厚度时，宜采用喷涂法制板，这样可以获得均匀的涂膜，有利于测量。喷涂后因溶剂挥发而影响湿膜厚度检测，故湿膜测量要在施工后5 min 内完成，以减少误差；干膜厚度则需待漆膜完全干透后测量。不同类型涂料有不同的干燥时间，通常喷涂24 h 后测量干膜厚度，误差较小。定义法测体积固含量是一种直观快捷的测量方法，但缺点是测量干、湿膜厚度时，需获得大量测量值，再取其平均值，以减少测量误差。
2. 2 反算法
2. 2. 1 公式推导
由方法1 知，
V% = (V1/V2) × 100% = (A × δ1) / V2 × 100%，即
V%/δ1 = (A/V2) ×100% (1)
式(1)中，A/V2(单位是m2/m3)表示每体积涂料可涂刷的面积。若式(1)中各物理量的单位以工程常用单位表示，则可得
V% = (A/V2) × δ1 /1 000 (2)
其中，δ1 单位是μm，A/V2 单位则是m2/L(即工程应用所熟悉的理论涂刷面积，TSR)。所以，只要计算出相应厚度的TSR，即可得出该涂料的体积固含量。
2. 2. 2 涂料理论涂刷面积(TSR)的测定
先在感量为0.01 g 的天平上称出已知面积(A)的钢板质量(M1)[3]，然后将涂料均匀喷涂、制板，立即称出喷涂后的钢板质量(M2)，则涂料理论涂刷面积TSR = A/(M2 − M1)。因其标准单位是m2/kg，故需要测出该涂料的湿膜密度ρ2(kg /L，下同)。
由于m2/kg × kg/L = m2/L，故
A/V2 = A/(M2 − M1) × ρ2。
将计算所得的TSR 代入式(2)中(相应厚度已测出)，即可算得涂料的体积固含量。
值得注意的是，用喷涂法制板时，施工中有时需稀释涂料，故在计算时需考虑稀释量。如上述涂料稀释量是Y，则所喷的涂料用量就不是(M2 − M1)，而是(M2 − M1) × (1 − Y)。
与方法1 类似，反算法的误差主要是在检测涂料的理论涂刷面积TSR 和测量厚度过程中产生。
2. 3 体积相加法
根据定义V% = (V1/V2) × 100%，将V1 看作由各固体分体积相加。为方便计算，设某涂料湿膜质量是m2(相应的湿膜密度为ρ2，下同)，各固体分质量分别是ma(相应的密度为ρa)、mb(相应的密度为ρb)、mc(相应的密度为ρc)……，则
V1 = ma/ρa + mb/ρb + mc/ρc + ……
V2 = m2/ρ2，即
V% = (V1/V2) × 100%
= (ma/ρa + mb/ρb + mc/ρc + ……) × (ρ2/m2) × 100%
用体积相加法计算体积固含时，需要注意的是涂料中树脂(或乳液)干体积是由其固形物除以其干密度而得。
对于熟悉涂料配方的研发人员来说，体积相加法是一种不错的理论计算方法。该方法产生的误差来源主要是在计算固体体积时，干膜体积V1 被简单地看作是各固体分体积的相加。事实上，由于分子间隙等原因，各固体分混合后，其实际干膜体积会略小于各固体分体积之和。
2. 4 挥发物体积固含量法
设V(挥)%为涂料中挥发物体积与湿膜体积的比值(即挥发物体积固含量)，则非挥发物的体积固含量
V% = 1 − V(挥)%。
与2.3 方法类似，V(挥)%等于涂料中各挥发物体积含量相加，计算方法不作详细讨论。当体系中挥发物成分较单一，或者各挥发物成分密度接近时，则可使用下面的方法计算V(挥)%。
首先，测得涂料中的质量固体含量m%，那么挥发物的质量含量就是1 − m%，挥发物的密度ρ 可以取各成分的密度平均值，或直接取含量最大的挥发物的密度作为密度平均值(如对于水性涂料，可直接取水的密度作平均密度)，这样就不难算出V%了。
V% = 1 − V(挥)%
= 1 − [m2(1 − m%)/ρ]/(m2/ρ2)
= 1 − (1 − m%)ρ2/ρ
上式中，m%─质量固含量，m1─干膜质量，m2─湿膜质量，ρ1─干膜密度，ρ─挥发物平均密度，ρ2─湿膜密度。
挥发物体积固含量法出现的误差是挥发物的密度实际上并不等于各挥发物密度的平均值，而是等于各挥发物密度与其在挥发物中含量的乘积之和。但是，挥发物成分较为单一或其中一种挥发物所占比例较大的情形下，上述算法很实用。
2. 5 密度法
由V% = (V1/V2) × 100%，得
V% = (m1/ρ1)/(m2/ρ2) × 100%
= (m1/ m2) × (ρ2/ρ1)
= m% × (ρ2/ρ1)
V% = m% × (ρ2/ρ1)所表示的物理意义就是涂料的固体体积固含量等于该涂料的质量固含量乘以湿膜密度与干膜密度的比值。
上式中，质量固含量m%与湿膜密度ρ2 都可以通过常规检测得出，对于干膜密度ρ1，有两种测算方法：
(1) 根据湿膜体积等于干膜体积与挥发物体积之和，得m2/ρ2 = m1/ρ1 + (m2 − m1)/ρ。各变量可以通过计算或检测得出，这样就不难计算出ρ1 的值了。
(2) 根据阿基米德定律[4]，用细钢丝将干漆膜悬挂在天平钩上，将试样全浸入水中，称得其水中的质量(精确到mg)，再按公式(涂料固体分密度 = 空气中干漆膜质量 ÷ (空气中干膝膜质量 − 在水中称得的质量 + 悬挂线质量)计算。该公式的物理意义就是利用质量/体积的原理得出所求的结果。但须注意在水中称重时，漆膜表面及夹层间的汽泡应驱尽，否则测得密度偏低。工程应用时，只需要测出质量固含m%与湿膜密度ρ2，即可利用该方法快速计算出体积固含量。与2.4 所述的挥发物体积固含量法一样，该方法的缺点是挥发物的密度实际上并不等于各挥发物密度的平均值，而是等于各挥发物密度与其在挥发物中含量的乘积之和。
3 实例验证
上述计算方法可用实例来验证其可行性。如有一水性乳胶型防腐漆，其参数如表1 所示。
表1 某水性乳胶型防腐漆参数
用上述不同方法分别计算其体积固含量：
(1) 根据2.1 方法。通过干、湿膜仪器多点测试求平均值，δ1 = 35 μm，δ2 = 89 μm，则
V% = (δ1/δ2) × 100% = 35/89 × 100% = 39.33%
(2) 根据2. 2 方法。已知质量涂刷面积是8.31 m2/kg，其体积涂刷面积是8.31 × 1.35 = 11.22 (m2/L)，则
V% = (A/V2) × δ1/1 000
= 11.22 × 35/1 000
= 39.27%
(3) 根据2.3 方法。V1 为表1 各固体分体积的和，即V1 = 2.38 + 2.57 + 7.03 + 16.96 + 0.17 = 29.11 (cm3)，
V2 为湿膜质量(100 g，见表1)与湿膜密度(1.35 g/cm3，见表1)之比，即V2 = 100/1.35 = 74.07 (cm3)
V% = (V1/V2) × 100% = 29.11/74.07 × 100%= 39.30%
(4) 由表1 可知，挥发物的体积[V(挥)]由水、树脂挥发物和其他挥发物体积相加所得。其中，树脂中的挥发物是水，故树脂挥发物的体积是36 × 51% ÷ 1，则
V(挥)% = V(挥)/V2 × 100%
= (23 + 36 × 51% ÷ 1 + 3.5) ÷ 74.07 × 100%
= 60.56%
V% = 1 − V(挥)%
= 1 − 60.56%
= 39.44%
或由表1 算出质量固含量：
m1 = 10 + 9 + 18 + 36 × 49% + 0.5= 55.14 (g)
即m% = 55.14%，则
V(挥)= (100 − 55.14)/1= 44.86 (cm3)
V% = [1 − V(挥)] × 100%= [1 − 44.86/74.07] × 100%= 39.44%
(5) 根据2.5 方法。质量固含m% = 55.14%，则
ρ1 = m1/V1
= 55.14/(74.07 − 44.86)
= 1.89 (g/cm3)
V% = m% × (ρ2/ρ1)
= 55.14% × 1.35 ÷ 1.89
= 39.38%
方法2.3、2.4 和2.5 计算所得结果与2.1 均较接近，证明理论计算可行。从而可以对该涂料体积固含量作出判断，即该涂料体积固含量在39% ~ 40%之间。
4 研究展望
常规施工时，施工方(或买方)会根据涂料厂家提供的体积固含量估算涂料用量，从而可以对比涂料的性价比。但据笔者多年的施工经验，许多涂料厂家为了使涂料有竞争优势，往往会提供较大的体积固含量，从而误导买方。通过上述方法(如2.5 方法)，操作者只需把样漆质量固含和湿膜密度检测出来，就可以推算其体积固含量了。对于配方师而言，如何提高涂料体积固含量也是过程实验中的重要环节。
