如何计算工业漆体积固含量

从实验探讨分析了解，依据工业漆体积固体含量，能够计算出涂料在不相同干膜厚度的理论涂刷面积，并进而退出工程涂料理论用量。本文从计算方法定义、公式推导、实例验证三个部分研究分析得出工业漆体积固含量的计算方式，该计算办法在配方设计及涂料施工应用方面具有非常重要的指导作用。
一直以来，人们分析探讨金属腐蚀的机理和规律，并应用不同的技术对金属加进行维护。而避免腐蚀发生、延长金属材料的使用寿命一直都是一个世界性的研究课题 [1] 。现今为止，在金属表面上涂刷防腐涂料是广泛认同的能够延长金属材料应用寿命的办法。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。随着工业漆的不断发展，涂装业也趋于专业化。本文主要探讨的体积固含量是涂装业里的非常重要的问题，它是指干膜体积与
湿膜
体积的比值 [2] 。 根据体积固含量， 人们在涂装前能够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(m 2 /L)，进而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具有非常重要的影响。
体积固含量计算方法
一、定义法
二、反算法测量体积
1、公式推导
由方法 1 知，
V% = (V1 /V2 ) × 100% = (A × δ1 ) / V2  × 100%，即
V%/δ 1  = (A/V2 ) ×100%     (1)
式(1)中，A/V 2 (单位是 m 2 /m 3 )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，δ 1 单位是 μm，A/V2 单位则是 m 2 /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、 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(M 1 ) [3] ，然后将涂料均匀喷涂、制板，立即称出喷涂后的钢板质量(M 2 )，则涂料理论涂刷面积TSR = A/(M 2 ? M 1 )。因其标准单位是 m 2 /kg，故需要测出该涂料的湿膜密度 ρ 2 (kg /L，下同)。
由于 m 2 /kg × kg/L = m 2 /L，故
A/V 2  = A/(M 2 ? M 1 ) × ρ 2 。
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(M 2 ? M 1 )，而是(M 2 ? M 1 ) × (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。
3、 体积相加法
根据定义 V% = (V 1 /V 2 ) × 100%，将 V 1 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m 2 (相应的湿膜密度为 ρ 2 ，下同)，各固体分质量分别是 m a (相应的密度为 ρ a )、 m b (相应的密度为 ρ b )、 m c (相应的密度为 ρ c )……，则
V 1  = m a /ρ a  + m b /ρ b  + m c /ρ c  + ……
V 2  = m 2 /ρ 2 ，即
V% = (V 1 /V 2 ) × 100%
= (m a /ρ a  + m b /ρ b  + m c /ρ c  + ……) × (ρ 2 /m 2 ) × 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 V 1 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。
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 ? [m 2 (1 ? m%)/ρ]/(m 2 /ρ 2 )
= 1 ? (1 ? m%)ρ 2 /ρ
上式中，m%─质量固含量，m 1 ─干膜质量，m 2 ─湿膜质量，ρ 1 ─干膜密度，ρ─挥发物平均密度，ρ 2 ─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。
25、 用密度法测量体积固含量
由 V% = (V 1 /V 2 ) × 100%，得
V% = (m 1 /ρ 1 )/(m 2 /ρ 2 ) × 100%
= (m 1 / m 2 ) × (ρ 2 /ρ 1 )
= m% × (ρ 2 /ρ 1 )
V% = m% × (ρ 2 /ρ 1 )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 ρ 2 都可以通过常规检测得出，对于干膜密度 ρ 1 ，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 m 2 /ρ 2  = m 1 /ρ 1  + (m 2 ? m 1 )/ρ。各变量可以通过计算或检测得出，这样就不难计算出 ρ 1 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ρ 2 ，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。
三、  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。
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，δ 1  = 35 μm，δ 2  = 89 μm，则
V% = (δ 1 /δ 2 ) × 100% = 35/89 × 100% = 39.33%
(2) 根据2. 2方法。已知质量涂刷面积是8.31 m 2 /kg，
其体积涂刷面积是 8.31 × 1.35 = 11.22 (m 2 /L)，则
V% = (A/V 2 ) × δ 1 /1 000
= 11.22 × 35/1 000
= 39.27%
(3) 根据 2.3 方法。V 1 为表 1 各固体分体积的和，即 V 1  = 2.38 + 2.57 + 7.03 + 16.96 + 0.17 = 29.11 (cm 3 )，V 2 为湿膜质量(100 g，见表 1)与湿膜密度(1.35 g/cm 3 ，见表 1)之比，即
V 2  = 100/1.35 = 74.07 (cm 3 )
V% = (V 1 /V 2 ) × 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)/V 2  × 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：
m 1  = 10 + 9 + 18 + 36 × 49% + 0.5
= 55.14 (g)
即 m% = 55.14%，则
V(挥)= (100 ? 55.14)/1
= 44.86 (cm 3 )
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
ρ 1  = m 1 /V 1
= 55.14/(74.07 ? 44.86)
= 1.89 (g/cm 3 )
V% = m% × (ρ 2 /ρ 1 )
= 55.14% × 1.35 ÷ 1.89
= 39.38%
4   总结
从实验结果表明：体积相加法、挥发物体积固含量法、密度法与公式推导都较为接近，可确定此理论计算办法可行应用。并且对该涂料体积固含量进行判定，即该涂料体积固含量在 39% ~ 40%之间。
5   研究展望
在常规施工操作过程中，施工方会依据涂料厂家给的体积固含量来大约估算涂料使用量，进而能够对比涂料的性价比。笔者多年的施工经验了解，很多涂料厂家为获得涂料强有力的竞争优势，往往会给出比较大的体积固含量，这样会误导买方。