摘要：涂料大致可以分為液體涂料、粉末涂料和干涂層等三種形態(tài)，對(duì)于每種類型的涂料而言，密度都是一項(xiàng)非常重要的指標(biāo)。對(duì)于液體涂料密度，其測(cè)試方法有比重杯法、落球法、振動(dòng)法、壓力杯法及比重計(jì)法等5種；對(duì)于粉末涂料密度，其測(cè)試方法有氣體置換法和液體置換法等2種；對(duì)于干涂層密度，其測(cè)試方法有使用涂層試板施涂后通過阿基米德法測(cè)定和直接通過阿基米德法測(cè)定等2種。本文對(duì)每種測(cè)試方法的特點(diǎn)、準(zhǔn)確性及應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)闡釋涂料在線coatingol.com。
涂料根據(jù)其形態(tài)大致可以分為三類，即液體涂料、粉末涂料和干涂層，對(duì)于每種類型的涂料而言，密度都是一項(xiàng)非常重要的指標(biāo)，同時(shí)在對(duì)涂料進(jìn)行評(píng)價(jià)的過程中，密度會(huì)參與到諸多其他指標(biāo)（如VOC含量、體積固體含量等）的計(jì)算中去，密度測(cè)試值的準(zhǔn)確與否會(huì)直接影響到其他指標(biāo)的判定，這一點(diǎn)在液體涂料中的體現(xiàn)尤為明顯。并且密度也是表征涂料質(zhì)量與施工性能的重要指標(biāo)，對(duì)于粉末涂料，密度會(huì)直接影響到其施工和成膜狀況及成本控制；對(duì)于干涂層，密度在一定程度上反映涂層的致密度，從而可以據(jù)此對(duì)涂膜的成膜狀況及后期的應(yīng)用狀況進(jìn)行評(píng)估。因此涂料密度測(cè)試的準(zhǔn)確性至關(guān)重要，每種類型的涂料均有不同的表征方法，以下做詳細(xì)闡釋。
液體涂料密度的測(cè)試方法有比重杯法、落球法、振動(dòng)法、壓力杯法及比重計(jì)法等5種。
1.1 比重杯法
該方法是用已知容積的比重杯裝滿被測(cè)產(chǎn)品，用天平測(cè)出被測(cè)產(chǎn)品的質(zhì)量，該質(zhì)量除以比重杯的容積即為被測(cè)產(chǎn)品的密度。常用的比重杯為金屬比重杯，金屬比重杯的杯蓋中央有一個(gè)小孔，多出的涂料可以通過小孔排出。在使用金屬比重杯前要首先對(duì)比重杯的體積進(jìn)行校準(zhǔn)。由于物質(zhì)的體積會(huì)受到溫度的影響，故在進(jìn)行體積校準(zhǔn)和產(chǎn)品測(cè)試時(shí)應(yīng)選擇相同的溫度，通常選擇常溫，即在（23.0±0.5）℃條件下進(jìn)行測(cè)試。
一般用煮沸的蒸餾水進(jìn)行校準(zhǔn)，煮沸的目的是除去水中溶解的空氣，以防止其影響水的密度。將比重杯裝滿蒸餾水，然后恒溫至規(guī)定溫度，蓋上蓋子，擦掉溢出的水，用電子天平快速稱量其質(zhì)量，比重杯的體積即為該質(zhì)量與試驗(yàn)溫度下水的密度之比。進(jìn)行產(chǎn)品測(cè)試時(shí)，在相同的試驗(yàn)溫度下按相同的方法進(jìn)行。如果條件允許，最好在恒溫室中進(jìn)行測(cè)試，事先將待測(cè)樣品和試驗(yàn)儀器都放在恒溫室中恒溫，也可以使用恒溫水浴進(jìn)行調(diào)溫。
目前使用最多的是金屬不銹鋼杯，一般以37mL和50mL規(guī)格為主，由于比重杯口比較大，便于涂料的裝入和清洗，且金屬材質(zhì)結(jié)實(shí)耐用，故比重杯法是目前涂料行業(yè)應(yīng)用最廣泛的一種密度測(cè)試方法。但是如果試樣中留有在靜止時(shí)不易消散的氣泡，則該方法不適用。
1.2 落球法
落球法是基于阿基米德原理，試驗(yàn)時(shí)在樣品杯中裝適量的待測(cè)樣品，使其能夠浸沒落球且落球不會(huì)觸碰到杯底，記錄落球浸沒前后天平的讀數(shù)，該質(zhì)量即為與落球體積等量的待測(cè)樣品的質(zhì)量，由于落球體積一定，該質(zhì)量除以落球的體積即為待測(cè)樣品的密度。由于溫度對(duì)體積的影響很大，故整個(gè)試驗(yàn)過程要處在規(guī)定的溫度下，通常將試驗(yàn)設(shè)備以及待測(cè)樣品都放在恒溫室中恒溫，待其都達(dá)到規(guī)定溫度時(shí)再進(jìn)行試驗(yàn)。該方法適用于低黏度或中等黏度的樣品，對(duì)于高黏度涂料及膏狀涂料，該方法不適用。由于使用范圍有限，故該方法在涂料行業(yè)的應(yīng)用并不廣泛。
1.3 振動(dòng)法
U型振蕩法密度計(jì)由U型玻璃管或不銹鋼管、電磁振蕩器、溫度控制器及顯示裝置和數(shù)據(jù)處理單元等部分組成。該方法基于U形玻璃管的電磁感應(yīng)振動(dòng)，物體受激而發(fā)生振動(dòng)時(shí)，其振動(dòng)頻率或振幅與物體本身的質(zhì)量有關(guān)。測(cè)試時(shí)，將待測(cè)樣品盛放在一個(gè)玻璃或不銹鋼的U型管中，盛滿，將管子的兩端進(jìn)行固定，并開始振動(dòng)。振動(dòng)周期和密度呈一定的定量關(guān)系，根據(jù)此定量關(guān)系可以按照式⑴求出液體樣品的密度：
式中，A和B是儀器的兩個(gè)常數(shù)，測(cè)出振動(dòng)周期T，即可根據(jù)公式計(jì)算出密度。使用該方法時(shí)同樣應(yīng)處在恒溫狀態(tài)，由于振動(dòng)法對(duì)黏度較大的樣品誤差較大，故在涂料行業(yè)應(yīng)用也不廣泛。
1.4 壓杯法
本方法的原理是將被測(cè)樣品裝在壓力杯中，通過壓力杯施加矢量外力以盡可能消除樣品中的氣泡，用天平測(cè)出被測(cè)產(chǎn)品的質(zhì)量，該質(zhì)量除以壓力杯的體積即為被測(cè)產(chǎn)品的密度。該方法一般用于含有氣泡的產(chǎn)品密度的測(cè)試，這些類型的產(chǎn)品都或多或少含有氣泡，這些氣泡在做密度測(cè)試時(shí)仍舊存在且很難消除，如果不能排出，會(huì)致使測(cè)試值偏小，使用壓力杯法可以最大限度地將產(chǎn)品中的氣泡通過外力擠出，從而使得到的值更加準(zhǔn)確。由于壓力杯組件比較多且清洗不便，故使用范圍也非常有限。
1.5 比重計(jì)法
本方法也是基于阿基米德原理，比重計(jì)的質(zhì)量一定，當(dāng)比重計(jì)在待測(cè)樣品中處于平衡態(tài)時(shí)，比重計(jì)排開液體的質(zhì)量等于比重計(jì)自身的質(zhì)量。由于樣品的密度不同，比重計(jì)沉入液體的體積也不同，將不同的體積對(duì)應(yīng)的密度在比重計(jì)上一一標(biāo)出，即可通過比重計(jì)直接讀出待測(cè)樣品的密度。在使用比重計(jì)測(cè)樣品密度時(shí)，要根據(jù)待測(cè)樣品的實(shí)際情況選擇合適的比重計(jì)。該方法操作簡單，使用方便，但不適合黏度大的涂料及無機(jī)富鋅涂料等容易沉降的涂料。
以上5種方法都可以用來測(cè)試液體涂料的密度，但是最為常用的是比重杯法，目前的涂料標(biāo)準(zhǔn)中，密度測(cè)試幾乎都是采用GB/T6750—2007。其次是壓力杯法，而落球法、振動(dòng)法和比重計(jì)法基本上不用，究其原因是由于落球法和比重計(jì)法都是基于阿基米德原理，將金屬球和比重計(jì)放入待測(cè)涂料中，根據(jù)排開涂料的體積計(jì)算涂料的密度，由于金屬球、比重計(jì)都會(huì)和涂料有剪切力，如果樣品黏度過大，就很難達(dá)到平衡狀態(tài)，會(huì)大大降低工作效率。同樣，黏度過大時(shí)，振動(dòng)法也會(huì)有較大誤差。而比重杯法操作簡單，普適性強(qiáng)，故被廣泛采用。由于比重杯法不適用于含有氣泡的樣品，但此類涂料只有很少一部分，雖然壓力杯法操作繁瑣，但是依舊可以作為比重杯法的補(bǔ)充方法而被應(yīng)用。
1.6 液體涂料密度測(cè)試的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)
液體涂料密度測(cè)試的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)見表1。
粉末涂料密度的測(cè)試相對(duì)復(fù)雜。由于粉末涂料是固體顆粒，每個(gè)顆粒自身會(huì)有孔隙，同時(shí)在堆積時(shí)顆粒之間也會(huì)有間隙。粉末涂料在測(cè)試密度時(shí)，通常將這部分空隙除去，得到樣品的真體積，樣品的質(zhì)量除以真體積即為樣品的真密度。粉末涂料密度測(cè)試的關(guān)鍵是測(cè)試其真體積，目前有兩種方法，即氣體置換法和液體置換法。
2.1 氣體置換法
氣體置換法又稱氣體比較比重儀法，測(cè)試時(shí)需要使用氣體比較比重儀，該設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由兩個(gè)帶有完全相同的氣缸（A和B）組成，氣缸之間通過連接閥和壓差計(jì)連接。測(cè)試時(shí)將裝有試樣的試樣杯置于氣缸B中，同時(shí)將兩個(gè)氣缸之間的連接閥關(guān)閉，兩個(gè)活塞做等程運(yùn)動(dòng)，則兩個(gè)氣缸之間會(huì)形成壓差，然后移動(dòng)氣缸B的測(cè)量活塞，重新獲得等壓，從刻度尺讀出由此產(chǎn)生的體積變化，即為試樣體積。試樣的質(zhì)量除以其體積即為其密度。
該方法是基于理想氣體狀態(tài)方程PV=nRT，由于氦氣具有惰性、分子體積小等特點(diǎn)，接近理想氣體特性，故一般使用氦氣為置換氣體。
2.2 液體置換法
本方法是利用液體置換比重杯測(cè)試粉末涂料的體積，在測(cè)試時(shí)利用與樣品不發(fā)生反應(yīng)且不使樣品溶脹或溶解的液體置換出樣品顆粒之間的空氣，從而得到樣品的真體積。
在測(cè)試之前需要先測(cè)試置換液體的密度。測(cè)試時(shí)先在比重杯中加入3~4g粉末涂料并準(zhǔn)確稱重，然后加入適量置換液體，使置換液體能夠充分潤濕粉末并完全浸沒粉末。之后將比重杯的出口與真空泵相連，同時(shí)振動(dòng)比重杯，以排出粉末中的氣體，直至粉/液混合物中再?zèng)]有氣泡溢出時(shí)停止。打開比重杯，加入置換液體至刻度線，然后稱量總質(zhì)量，總質(zhì)量減去樣品及比重杯的質(zhì)量即為置換液體的質(zhì)量，又知其密度，則可以計(jì)算出其體積，比重杯的體積減去置換液體的體積即為樣品的體積。又已知其質(zhì)量，則質(zhì)量除以體積即為其密度，可按式⑵進(jìn)行計(jì)算：
⑵式中，ρ為試樣的密度，g/L；m0為比重瓶的質(zhì)量，g；m1為比重瓶加試樣的質(zhì)量，g；m2為比重瓶加試樣加置換液體的總質(zhì)量，g；ρ1為置換液體的密度，g/L。氣體置換法雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但其測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確性高，是粉末涂料測(cè)試的仲裁法。液體置換法雖然設(shè)備相對(duì)簡單，但其測(cè)試結(jié)果有可能不準(zhǔn)確，這主要是由于：
1）置換液體接觸到粉末涂料之后可能會(huì)使其溶脹；
2）置換液體不能全部置換掉粉末顆粒之間尤其是顆粒自身空隙之間的氣體，且測(cè)試速度較慢，在證實(shí)能與氣體置換法得出相同的結(jié)果時(shí)才能使用。
2.3 粉末涂料密度測(cè)試的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)
粉末涂料密度測(cè)試的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)見表2。
如果樣品是干涂層或者液體樣品需要測(cè)干涂層的密度，可按以下方法進(jìn)行測(cè)試。
3.1 液體樣品干涂層密度測(cè)試
對(duì)于液體涂料，首先將涂料涂覆在底材上，該底材在測(cè)試之前已經(jīng)分別在空氣及浸漬液（一般選擇水）中稱過質(zhì)量，依據(jù)阿基米德原理可以計(jì)算出底材的體積。經(jīng)過特定時(shí)間的養(yǎng)護(hù)之后，再分別在空氣及浸漬液中稱重，通過這些測(cè)試值可以計(jì)算出干涂層的密度，可按式⑶進(jìn)行計(jì)算：
⑶式中，ρ為試樣的密度，g/cm3；m1為底材在空氣中的質(zhì)量，g；m2為底材浸入浸漬液時(shí)的質(zhì)量，g；m3為涂覆干涂層的受漆器在空氣中的質(zhì)量，g；m4為涂覆干涂層的底材浸入浸漬液時(shí)的質(zhì)量，g；ρ0為浸漬液的密度，g/mL。
目前相關(guān)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)有ISO 3233-1：2013、ASTMD 697：2003及GB/T 9272—2007等。
3.2 干涂層密度測(cè)試
對(duì)于干涂層樣品，可選用該方法進(jìn)行。首先將涂層剝離下來，并稱其質(zhì)量，然后將其用細(xì)絲或者絲網(wǎng)固定，通過阿基米德排水法測(cè)試干涂層的體積，該涂層的質(zhì)量除以體積即為其密度。
對(duì)于液體涂料也可按該方法進(jìn)行，只不過首先要將液體涂料制成干涂層，制備時(shí)可以按照實(shí)際施工用量，施涂在聚四氟乙烯板上，以便于剝離。該方法相較與上一個(gè)方法，操作較為簡單，省去了稱量受漆器的過程，只是目前還沒有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。
涂料有多種不同的狀態(tài)，對(duì)于不同狀態(tài)的樣品應(yīng)選擇與之相適應(yīng)的密度測(cè)試方法。對(duì)于液體涂料而言，多采用GB/T6750—2007所規(guī)定的比重杯法，壓力杯法可做為比重杯法的補(bǔ)充。對(duì)于粉末涂料，氣體置換法和液體置換法都有較多的應(yīng)用，前者測(cè)試結(jié)果相對(duì)較為準(zhǔn)確，但是設(shè)備復(fù)雜且對(duì)人員要求較高；后者測(cè)試結(jié)果雖然沒有前者準(zhǔn)確，但是由于其設(shè)備簡單；操作方便，仍然有很廣泛的應(yīng)用范圍。對(duì)于干涂層的密度，多按照GB/T9272—2007規(guī)定方法進(jìn)行，對(duì)于本身就是涂膜的樣品，可采用阿基米德法測(cè)試其密度，但是目前并沒有相對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。密度對(duì)于涂料生產(chǎn)、質(zhì)控及施工來說，都是一個(gè)非常重要的指標(biāo)，故要針對(duì)樣品的實(shí)際情況靈活選擇合適的測(cè)試方法，以期得到準(zhǔn)確的測(cè)試結(jié)果，從而保證涂料生產(chǎn)和應(yīng)用的正常進(jìn)行。