涂料密度的测试方法及相关标准研究

文/王玉鹏，陈涛

中海油常州涂料化工研究院

摘要：涂料大致可以分为液体涂料、粉末涂料和干涂层等三种形态，对于每种类型的涂料而言，密度都是一项非常重要的指标。对于液体涂料密度，其测试方法有比重杯法、落球法、振动法、压力杯法及比重计法等5种；对于粉末涂料密度，其测试方法有气体置换法和液体置换法等2种；对于干涂层密度，其测试方法有使用涂层试板施涂后通过阿基米德法测定和直接通过阿基米德法测定等2种。本文对每种测试方法的特点、准确性及应用现状进行了详细阐释。

关键词：液体涂料；粉末涂料；干涂层；密度；测试

Study on Testing Methods and Related Standards of Coating DensityWANG Yu-peng，CHEN Tao(CNOOC Changzhou Paint ＆ Coatings Industry Research Institute Co., Ltd.)

Abstract: Coatings can be roughly dividedinto liquid coatings, powder coatings and dry coatings. For each type ofcoating, the density is a very important index. For the density of liquid coating, there are five test methods, such as specific gravity cup method, immersed body method, oscillation method, pressure cup method and areometer method. For powder coating density, the test methods include gas replacement method and liquid replacement method. For dry coating density, the test methods include using a coated test panel to determine dry film density by the Archimedes principle and to determine directly by Archimedes principle. In this paper, the characteristics, accuracy and application status of each test method were explained in detail.

Key words: liquid coating; powder coating; dry coating; density; testing

0 引言

涂料根据其形态大致可以分为三类，即液体涂料、粉末涂料和干涂层，对于每种类型的涂料而言，密度都是一项非常重要的指标，同时在对涂料进行评价的过程中，密度会参与到诸多其他指标（如VOC含量、体积固体含量等）的计算中去，密度测试值的准确与否会直接影响到其他指标的判定，这一点在液体涂料中的体现尤为明显。并且密度也是表征涂料质量与施工性能的重要指标，对于粉末涂料，密度会直接影响到其施工和成膜状况及成本控制；对于干涂层，密度在一定程度上反映涂层的致密度，从而可以据此对涂膜的成膜状况及后期的应用状况进行评估。因此涂料密度测试的准确性至关重要，每种类型的涂料均有不同的表征方法，以下做详细阐释。  

1 液体涂料密度的测定

液体涂料密度的测试方法有比重杯法、落球法、振动法、压力杯法及比重计法等5种。

1.1 比重杯法

该方法是用已知容积的比重杯装满被测产品，用天平测出被测产品的质量，该质量除以比重杯的容积即为被测产品的密度。常用的比重杯为金属比重杯，金属比重杯的杯盖中央有一个小孔，多出的涂料可以通过小孔排出。在使用金属比重杯前要首先对比重杯的体积进行校准。由于物质的体积会受到温度的影响，故在进行体积校准和产品测试时应选择相同的温度，通常选择常温，即在（23.0±0.5）℃条件下进行测试。

一般用煮沸的蒸馏水进行校准，煮沸的目的是除去水中溶解的空气，以防止其影响水的密度。将比重杯装满蒸馏水，然后恒温至规定温度，盖上盖子，擦掉溢出的水，用电子天平快速称量其质量，比重杯的体积即为该质量与试验温度下水的密度之比。进行产品测试时，在相同的试验温度下按相同的方法进行。如果条件允许，最好在恒温室中进行测试，事先将待测样品和试验仪器都放在恒温室中恒温，也可以使用恒温水浴进行调温。

目前使用最多的是金属不锈钢杯，一般以37mL和50mL规格为主，由于比重杯口比较大，便于涂料的装入和清洗，且金属材质结实耐用，故比重杯法是目前涂料行业应用最广泛的一种密度测试方法。但是如果试样中留有在静止时不易消散的气泡，则该方法不适用。

1.2 落球法

落球法是基于阿基米德原理，试验时在样品杯中装适量的待测样品，使其能够浸没落球且落球不会触碰到杯底，记录落球浸没前后天平的读数，该质量即为与落球体积等量的待测样品的质量，由于落球体积一定，该质量除以落球的体积即为待测样品的密度。由于温度对体积的影响很大，故整个试验过程要处在规定的温度下，通常将试验设备以及待测样品都放在恒温室中恒温，待其都达到规定温度时再进行试验。该方法适用于低黏度或中等黏度的样品，对于高黏度涂料及膏状涂料，该方法不适用。由于使用范围有限，故该方法在涂料行业的应用并不广泛。

1.3 振动法

U型振荡法密度计由U型玻璃管或不锈钢管、电磁振荡器、温度控制器及显示装置和数据处理单元等部分组成。该方法基于U形玻璃管的电磁感应振动，物体受激而发生振动时，其振动频率或振幅与物体本身的质量有关。测试时，将待测样品盛放在一个玻璃或不锈钢的U型管中，盛满，将管子的两端进行固定，并开始振动。振动周期和密度呈一定的定量关系，根据此定量关系可以按照式⑴求出液体样品的密度：

式中，A和B是仪器的两个常数，测出振动周期T，即可根据公式计算出密度。使用该方法时同样应处在恒温状态，由于振动法对黏度较大的样品误差较大，故在涂料行业应用也不广泛。

1.4 压杯法

本方法的原理是将被测样品装在压力杯中，通过压力杯施加矢量外力以尽可能消除样品中的气泡，用天平测出被测产品的质量，该质量除以压力杯的体积即为被测产品的密度。该方法一般用于含有气泡的产品密度的测试，这些类型的产品都或多或少含有气泡，这些气泡在做密度测试时仍旧存在且很难消除，如果不能排出，会致使测试值偏小，使用压力杯法可以最大限度地将产品中的气泡通过外力挤出，从而使得到的值更加准确。由于压力杯组件比较多且清洗不便，故使用范围也非常有限。

1.5 比重计法

本方法也是基于阿基米德原理，比重计的质量一定，当比重计在待测样品中处于平衡态时，比重计排开液体的质量等于比重计自身的质量。由于样品的密度不同，比重计沉入液体的体积也不同，将不同的体积对应的密度在比重计上一一标出，即可通过比重计直接读出待测样品的密度。在使用比重计测样品密度时，要根据待测样品的实际情况选择合适的比重计。该方法操作简单，使用方便，但不适合黏度大的涂料及无机富锌涂料等容易沉降的涂料。

以上5种方法都可以用来测试液体涂料的密度，但是最为常用的是比重杯法，目前的涂料标准中，密度测试几乎都是采用GB/T6750—2007。其次是压力杯法，而落球法、振动法和比重计法基本上不用，究其原因是由于落球法和比重计法都是基于阿基米德原理，

将金属球和比重计放入待测涂料中，根据排开涂料的体积计算涂料的密度，由于金属球、比重计都会和涂料有剪切力，如果样品黏度过大，就很难达到平衡状态，会大大降低工作效率。同样，黏度过大时，振动法也会有较大误差。而比重杯法操作简单，普适性强，故被广泛采用。由于比重杯法不适用于含有气泡的样品，但此类涂料只有很少一部分，虽然压力杯法操作繁琐，但是依旧可以作为比重杯法的补充方法而被应用。

1.6 液体涂料密度测试的相关标准

液体涂料密度测试的相关标准见表1。

 

2 粉末涂料密度的测定

粉末涂料密度的测试相对复杂。由于粉末涂料是固体颗粒，每个颗粒自身会有孔隙，同时在堆积时颗粒之间也会有间隙。粉末涂料在测试密度时，通常将这部分空隙除去，得到样品的真体积，样品的质量除以真体积即为样品的真密度。粉末涂料密度测试的关键是测试其真体积，目前有两种方法，即气体置换法和液体置换法。

2.1 气体置换法

气体置换法又称气体比较比重仪法，测试时需要使用气体比较比重仪，该设备结构复杂，由两个带有完全相同的气缸（A和B）组成，气缸之间通过连接阀和压差计连接。测试时将装有试样的试样杯置于气缸B中，同时将两个气缸之间的连接阀关闭，两个活塞做等程运动，则两个气缸之间会形成压差，然后移动气缸B的测量活塞，重新获得等压，从刻度尺读出由此产生的体积变化，即为试样体积。试样的质量除以其体积即为其密度。

该方法是基于理想气体状态方程PV=nRT，由于氦气具有惰性、分子体积小等特点，接近理想气体特性，故一般使用氦气为置换气体。

2.2 液体置换法

本方法是利用液体置换比重杯测试粉末涂料的体积，在测试时利用与样品不发生反应且不使样品溶胀或溶解的液体置换出样品颗粒之间的空气，从而得到样品的真体积。

在测试之前需要先测试置换液体的密度。测试时先在比重杯中加入3~4g粉末涂料并准确称重，然后加入适量置换液体，使置换液体能够充分润湿粉末并完全浸没粉末。之后将比重杯的出口与真空泵相连，同时振动比重杯，以排出粉末中的气体，直至粉/液混合物中再没有气泡溢出时停止。打开比重杯，加入置换液体至刻度线，然后称量总质量，总质量减去样品及比重杯的质量即为置换液体的质量，又知其密度，则可以计算出其体积，比重杯的体积减去置换液体的体积即为样品的体积。又已知其质量，则质量除以体积即为其密度，可按式⑵进行计算：

⑵式中，ρ为试样的密度，g/L；m0为比重瓶的质量，g；m1为比重瓶加试样的质量，g；m2为比重瓶加试样加置换液体的总质量，g；ρ1为置换液体的密度，g/L。气体置换法虽然结构复杂，但其测试结果准确性高，是粉末涂料测试的仲裁法。液体置换法虽然设备相对简单，但其测试结果有可能不准确，这主要是由于：

1）置换液体接触到粉末涂料之后可能会使其溶胀；

2）置换液体不能全部置换掉粉末颗粒之间尤其是颗粒自身空隙之间的气体，且测试速度较慢，在证实能与气体置换法得出相同的结果时才能使用。

2.3 粉末涂料密度测试的相关标准

粉末涂料密度测试的相关标准见表2。 

 

3 干涂层密度的测定

如果样品是干涂层或者液体样品需要测干涂层的密度，可按以下方法进行测试。

3.1 液体样品干涂层密度测试

对于液体涂料，首先将涂料涂覆在底材上，该底材在测试之前已经分别在空气及浸渍液（一般选择水）中称过质量，依据阿基米德原理可以计算出底材的体积。经过特定时间的养护之后，再分别在空气及浸渍液中称重，通过这些测试值可以计算出干涂层的密度，可按式⑶进行计算：

⑶式中，ρ为试样的密度，g/cm³；m₁为底材在空气中的质量，g；m₂为底材浸入浸渍液时的质量，g；m₃为涂覆干涂层的受漆器在空气中的质量，g；m₄为涂覆干涂层的底材浸入浸渍液时的质量，g；ρ₀为浸渍液的密度，g/mL。

目前相关的测试标准有ISO 3233-1：2013、ASTMD 697：2003及GB/T 9272—2007等。

3.2 干涂层密度测试

对于干涂层样品，可选用该方法进行。首先将涂层剥离下来，并称其质量，然后将其用细丝或者丝网固定，通过阿基米德排水法测试干涂层的体积，该涂层的质量除以体积即为其密度。

对于液体涂料也可按该方法进行，只不过首先要将液体涂料制成干涂层，制备时可以按照实际施工用量，施涂在聚四氟乙烯板上，以便于剥离。该方法相较与上一个方法，操作较为简单，省去了称量受漆器的过程，只是目前还没有相关的标准。

4 结语

涂料有多种不同的状态，对于不同状态的样品应选择与之相适应的密度测试方法。对于液体涂料而言，多采用GB/T6750—2007所规定的比重杯法，压力杯法可做为比重杯法的补充。对于粉末涂料，气体置换法和液体置换法都有较多的应用，前者测试结果相对较为准确，但是设备复杂且对人员要求较高；后者测试结果虽然没有前者准确，但是由于其设备简单；操作方便，仍然有很广泛的应用范围。对于干涂层的密度，多按照GB/T9272—2007规定方法进行，对于本身就是涂膜的样品，可采用阿基米德法测试其密度，但是目前并没有相对应的标准。密度对于涂料生产、质控及施工来说，都是一个非常重要的指标，故要针对样品的实际情况灵活选择合适的测试方法，以期得到准确的测试结果，从而保证涂料生产和应用的正常进行。 

文章发表于《现代涂料与涂装》 - 2021年5月