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涂料施工常常会出现一些问题，涂膜开裂是比较常见的弊病，具体反映在漆膜表面出现深浅大小各不相同的裂纹，如从裂纹处能见到下层表面，则称为“开裂”; 如漆膜呈现龟背花纹样的细小裂纹，则称为“龟裂”。一直以来，避免涂料开裂要从两方面入手，一方面配方的开发过程实验室测试要通过一定的条件; 另一方面现场施工中要遵循正确的施工规范和体系配套。长期以来，在配方的设计过程中，涂膜会不会开裂，涂膜厚度多少时会发生开裂，不同的底材对开裂影响多大等，一直是凭经验和实际测试来判别，缺乏一个有效的数学模型来帮助配方开发人员进行理论计算和预测。
本研究从原材料入手，研究不同的乳液粒径，不同的颜填料以及这两者之间不同混合比例对开裂性能的影响，试图从中找到避免涂料开裂产生的理论基础。
1 实验部分
1. 1 试剂与仪器
滑石粉( 1 250 目) : 广东蕉岭广福; 重钙( 500 目、2 500目) : 福建三农碳酸钙; 煅烧高岭土( MK201) : 内蒙古蒙西高岭土; 水洗高岭土( TSP88) : 广东湛江理科; 闪烧高岭土( UltrexOP) : 山西安格; 二氧化钛( RTC90) : 美国Huntman; 二氧化钛( Kronos 2190) : 德国Kronos; 云母粉( CDM1250) : 济南美高; 气相二氧化硅( AEROSIL) : 德固赛赢创; 硅溶胶: Ludox; ITO: 上海沪正纳米有限公司; 乳液RL1、RL2、RL3、RL4、RL5、RL6、RL7、RL8: 自制。
1. 2 主要设备
光学显微镜( CX31 － 32C02) : 日本OLYMPUS; 扫描电子显微镜( Hitachi S － 3400N) : 日本日立公司; 激光粒度分析仪( Malvern 2000 ) : 英国马尔文公司; 最低成膜温度测试仪( MFFT60) : 英国Sheen 公司; 示差扫描量热仪DSC( Q20) : 英国沃特斯公司; 高速分散机( SJF － 400) : 上海现代环境工程技术有限公司; 分析天平( BSA3202S) : 德国赛多利斯。
1. 3 实验工艺
( 1) 乳液薄膜的制备: 将自制乳液用不同厚度的湿膜制备器制于玻璃板上，不加入任何成膜助剂和助溶剂;
( 2) 粉体薄膜的制备: 用高速分散机将粉体在高速( 3 000 r /min) 下分散成均一的分散体后用不同厚度的制备器制于玻璃板上;
( 3) 涂料的制备: 先用高速分散机将粉体在高速( 3 000 r /min) 下分散成均一的分散体后，加入乳液在搅拌机上低速进行混合。在室温下干燥7 d 后制得的薄膜在光学显微镜下进行观察。
1. 4 计算公式
2 结果与讨论
2. 1 不同涂膜厚度下自制乳液的开裂性能
在加入适量的成膜助剂，并在高于乳液MFFT 的环境温度下，乳液所形成的膜是不会开裂的。而在没有成膜助剂，环境温度高于乳液Tg的情况下，乳液所形成的膜也不会开裂。只有在没有添加成膜助剂，同时乳液在低于Tg的情况下成膜，才会发生开裂的问题。将自制的RL1 乳液在15 ℃下进行了不同漆膜厚度的成膜实验，在光学显微镜下观察到的情况如图1 所示。
由图1 可以看出，在没有添加成膜助剂，同时成膜温度低于Tg情况下，RL1 乳液膜在不同的膜厚表现出了不一样的开裂性能。在乳液干膜2 μm 的情况下，电子显微镜下没有发现开裂的迹象; 乳液干膜达到6 μm，涂膜表面有了一些细微的裂纹; 当乳液干膜达到10 μm 的时候，涂膜开裂已经非常严重，整个涂膜呈现条状裂纹，裂纹宽度达到了20 μm; 随着RL 乳液干膜厚度到34 μm，涂膜开裂呈现龟甲状，裂纹宽度达到了30 ～ 40 μm。可见对于RL1 乳液而言，最低的成膜厚度在6 μm。而且随着干膜厚度的增加，开裂的面积增大。对其他自制的乳液均进行了最低成膜厚度的测试，结果如表1 所示。
把表1 中的A 比表面积和最低成膜厚度作图，可以得出最低成膜厚度和乳液比表面积关系，如图2 所示。
根据毛细管理论，成膜过程中毛细管压力要和胶凝应力形成一种平衡。如果毛细管压力大于胶凝应力，就会发生开裂现象; 如果毛细管压力小于胶凝应力，形成的涂膜就不会产生开裂，如图3 所示。
毛细管压力Pcap = Ø?Aγcos( θ) /( 1 －Ø?) 式( 7)
式( 1) 中: Ø?—非挥发体积固含; A—比表面积; γ—表面张力［1］。可见，毛细管压力和乳液颗粒的比表面积成正比。而胶凝应力和涂膜的厚度也一定存在一定的关系，不过目前并没有一个理论的公式。因此通过图2 中数据点的拟合，可以得出乳液比表面积和最低涂膜厚度的一个经验型的拟合公式。
2. 2 不同涂膜厚度下不同填料的开裂性能
不同的粉料不仅反映在粉料的微观结构各不相同，有片状、方形、针状、无定型等，同样在粒径分布上也各不相同。这就意味着不同的粉料抵御开裂的性能各不相同，同时裂纹的表观形式也多样化。同样对单纯粉料在不同厚度下的开裂性能情况作了测试，图4 中给出了不同粉料的裂纹扩展模式。具体如何把裂纹扩展模式，裂纹大小和填料比表面积以及填料微观结构联系在一起，将另作专题论述。本研究仅对填料比表面积和最低涂膜厚度的关系作一个探讨。不同填料比表面积和最低涂膜厚度的关系如表2 所示。同样，对A 比表面积和最低成膜厚度作图，得到图5。
同样，根据毛细管压力模型，也可从图5 中得出填料比表面积和最低涂膜厚度之间的经验型公式。
2. 3 讨论
虽然对不同的乳液比表面积、填料比表面积和最低涂膜厚度作图得到了不一样的经验公式。把这些数据放在一张图中再去分析，如图6 所示。
从更大的范围来看，其符合总趋势。乳液之所以得到了不同的系数，仅仅是因为在一个很小的范围内数据拟合出现的偏差。从图6 中的数据来看，可以完全有理由相信，所有不成膜的物质( 包括乳液和粉料) 都存在一个最低的涂膜厚度，低于这个涂膜厚度就不会发生开裂现象，而高于这个涂膜厚度就会开裂。这个最低的涂膜厚度是物质比表面积的乘幂函数，经验公式从数据分析满足式( 9) 。
3 结语
( 1) 不同的乳液、填料都具有不同的干燥模式并且发展出不同的裂纹模式。但是所有的开裂行为都遵循同一个原则: 如果涂膜在高于其Tg的温度下成膜，将不会存在开裂现象; 如果涂膜在低于其Tg
的温度下成膜，则不发生开裂的最低涂膜厚度直接取决于其比表面积。
( 2) 根据毛细管压力模型，所有的乳液、填料不发生开裂的最低涂膜厚度和比表面积的关系都可以归一演化成一个方程
。这个方程在实际工作过程中可以给广大的使用者一个大致的指导来计算最低的涂膜厚度以避免漆膜发生开裂的可能性。
