0 　引　言

涂料配方設(shè)計是一種具有創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)性的研發(fā)工作 , 任何一種涂料產(chǎn)品都必須滿足特定的使用環(huán)境和所需壽命。涂料配方設(shè)計是采用多種基元組分 , 經(jīng)匹配組合、物理化學作用、產(chǎn)生特性疊加、協(xié)同增效等交互影響與滲透 , 使涂料產(chǎn)品達到預想的應(yīng)用效果 ; 涂料配方設(shè)計應(yīng)以成膜物化學結(jié)構(gòu)和成膜機理為依據(jù) , 預測涂料性能并確定成膜條件與方式 ; 涂料配方設(shè)計應(yīng)以熟知成膜物和顏填料基本特性為基礎(chǔ) , 充分考慮助劑和溶劑 ( 包括水 ) 的功效 , 確定涂料的基本組成 ; 在保證涂料應(yīng)用性能前提下 , 還應(yīng)受到成本的制約。

1 　涂料配方設(shè)計基本要求

1 . 1 　掌握涂料應(yīng)用要求

涂料配方設(shè)計應(yīng)堅持以涂料產(chǎn)品應(yīng)用技術(shù)指標為切入點 , 以滿足應(yīng)用要求為目的。在從事涂料配方設(shè)計時 , 必須牢記涂料產(chǎn)品應(yīng)用性能 , 采取達到應(yīng)用性能的措施 , 如深入用戶單位調(diào)查、交流 ; 有的放矢地確定涂料應(yīng)用技術(shù)指標 ; 了解涂料性能指標間相互影響 ( 如高耐磨性涂膜應(yīng)降低涂膜表面磨擦系數(shù)與提升涂膜硬度相結(jié)合 ; 涂膜的豐滿度不同于涂膜的光澤等 ) ; 被保護底材 , 涂料固化條件 , 涂裝技術(shù)及施工方法等都是涂料應(yīng)用要求內(nèi)容。

1 . 2 　涂料檢測標準與產(chǎn)品確認

開發(fā)涂料新產(chǎn)品時 , 開發(fā)者與涂料配方設(shè)計師應(yīng)共同商定執(zhí)行的涂料檢測標準 , 產(chǎn)品驗收方法及確定產(chǎn)品達到要求的應(yīng)用指標 , 作為新產(chǎn)品驗收考證依據(jù)。當涂料檢測標準無法與實際應(yīng)用性能相吻合或標準中的指標與應(yīng)用性能無關(guān)聯(lián)時 , 應(yīng)與供應(yīng)商、使用單位協(xié)商修訂驗收指標和方法 ; 也可采用已知的實用涂料產(chǎn)品作參比試驗 , 最終確定新開發(fā)產(chǎn)品是否符合預測應(yīng)用技術(shù)要求。必要時 , 對新開發(fā)的涂料產(chǎn)品要通過現(xiàn)場應(yīng)用的試用考核 , 合格后再正式推向市場。

1 . 3 　涂料配方設(shè)計路線

用戶提出開發(fā)任務(wù)時 , 可能包括多個應(yīng)用技術(shù)指標 , 配方設(shè)計師應(yīng)將全部應(yīng)用技術(shù)指標認真分析、分清主次、確定主要指標 ( 通常對完成配方設(shè)計起關(guān)鍵作用 ) 。并兼顧次要應(yīng)用技術(shù)指標 , 避免影響涂料整體功效。特別要正確處理和解決相互矛盾或影響的應(yīng)用技術(shù)指標 , 如涂膜的交聯(lián)密度與柔韌性、涂膜的親水性與防水性、涂膜耐蝕性與裝飾性等都是配方設(shè)計技術(shù)路線應(yīng)均衡考慮的關(guān)鍵技術(shù)。在制定涂料配方技術(shù)路線時 , 應(yīng)注意以下兩點。

(1) 確定成膜物及固化體系。成膜物是涂膜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)構(gòu)架 , 應(yīng)根據(jù)涂料應(yīng)用性能、使用環(huán)境及壽命 , 確定可以供選擇的成膜物類型與品種 , 根據(jù)被保護底材特性與涂裝要求 , 確定涂料固化體系及成膜方式。 (2) 確定主要技術(shù)措施。選擇涂料組成要素 ; 確定合理的顏填料體積分數(shù) ; 驗證各組分對涂料性能的貢獻 , 強化主要應(yīng)用技術(shù)指標 ; 對配方組成進行優(yōu)化調(diào)整 , 突出涂料特性 ; 模擬應(yīng)用環(huán)境 , 全面考核涂料應(yīng)用性能。

1 . 4 　涂料配方設(shè)計的內(nèi)容

通常 , 色漆配方設(shè)計的主要內(nèi)容有基料類型選擇、顏填料品種選擇及 PVC 值確定、助劑匹配、溶劑確定、基本配方和生產(chǎn)配方確定等。環(huán)境友好涂料配方設(shè)計還應(yīng)注意以下內(nèi)容。

(1) 改進、提升現(xiàn)有產(chǎn)品性能。涂料配方設(shè)計師應(yīng)在保留原產(chǎn)品已有性能基礎(chǔ)上進行再創(chuàng)造 , 使涂料適應(yīng)環(huán)保的要求。值得提示的是 : 在改進現(xiàn)有涂料產(chǎn)品的配方設(shè)計中 , 應(yīng)避免同質(zhì)競爭、墨守成規(guī) ; 沖破舊框架、開辟新途徑、實現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新。 (2) 開發(fā)適應(yīng)性配套化涂料。不同應(yīng)用領(lǐng)域及不同的被保護位需要采用不同的涂料品種及不同的保護方法 , 因此在實際上不可能任何領(lǐng)域及被保護部位都能采用同一涂料品種。涂料配方設(shè)計師應(yīng)開發(fā)適應(yīng)性好的配套系列化產(chǎn)品 , 防止在應(yīng)用中的“張冠李戴”現(xiàn)象。 (3) 開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)涂料 , 避免仿造或“克隆”模式。首先 , 涂料產(chǎn)品性能突破應(yīng)以創(chuàng)新理念和創(chuàng)新技術(shù)為先導 , 新的成膜物、顏填料的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用研究 , 助劑開發(fā)利用等 , 是開發(fā)新型涂料品種的前提與基礎(chǔ) , 配方設(shè)計師應(yīng)樹立創(chuàng)新思維 , 采用創(chuàng)新技術(shù) , 啟動靈感與智慧 , 創(chuàng)造出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品。 (4) 基材及其表面處理。涂料配方設(shè)計者應(yīng)特別注意涂料成膜后與被保護基材 ( 或稱底材 ) 間的粘結(jié)性 , 基材的材質(zhì)不同 , 選擇涂料體系也應(yīng)不同。 (5) 涂料使用環(huán)境。環(huán)境因素在涂料的選擇上非常重要 , 是干燥還是潮濕 ; 是室內(nèi)還是室外 ; 是腐蝕環(huán)境 , 還是通常的大氣環(huán)境 ; 是南方氣候 ( 光照充足多雨 ) 還是北方氣候等 , 均直接影響著涂料體系的選擇。涂料配方設(shè)計師應(yīng)將涂料使用環(huán)境作為選擇涂料品種的依據(jù)之一。否則 , 會導致配方設(shè)計失敗。除上述環(huán)境因素外 , 還應(yīng)關(guān)注如下參數(shù) : 涂膜使用溫度、濕度 ( 干燥、潮濕、浸水、艦船等 ) 、接觸化學藥品 ( 煙霧、酸、堿、溶劑、油等 ) 、輻射、生物污染 ( 生物侵蝕、霉 ) 等。

2 　環(huán)境友好涂料組成

2. 1 　成膜物

涂料中的成膜物包括基料、活性稀釋劑、交聯(lián)劑和固化劑等參與成膜的物質(zhì)。

(1) 成膜物的類型 : 成膜物的類型、化學結(jié)構(gòu)、成膜機理和涂膜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等都影響并決定涂料的應(yīng)用性能。如由酚醛樹脂形成的涂膜堅韌光亮、耐水和耐化學介質(zhì)好 , 但泛黃嚴重 ; 醇酸樹脂形成的涂膜附著力和耐久性較佳 , 但耐水和耐堿性差 ; 雙酚 A 型環(huán)氧樹脂形成的涂膜附著力和防介質(zhì)滲透性優(yōu) , 但外用易粉化 ; 丙烯酸樹脂與氨基樹脂 ( 或異氰酸酯加成物 ) 形成的涂膜保光性和保色性好 ; 氟碳樹脂由于含 C — F 鍵 , 不容易被紫外線破壞 , 則表現(xiàn)出超常的耐候性 : 有機硅樹脂含有 Si — O 鍵 , 形成涂膜的耐溫性優(yōu)異等。另外 , 由于成膜物的類型不同 , 其成膜方式和涂裝方法存在差別。如乙烯基酯樹脂和活性稀釋劑組成的涂料應(yīng)采用自由基引發(fā)聚合固化或 UV 固化成膜 , 其涂裝時可采用刷、輥、噴等方法 ; 氣干型醇酸樹脂及活性稀釋劑為成膜物的涂料應(yīng)采用自動氧化聚合固化成膜 , 涂裝時可用噴、刷涂等方法 ; 羥基聚酯樹脂與氨基樹脂為成膜物的涂料應(yīng)在烘烤條件下進行縮聚固化成膜 , 涂裝時可用噴涂等方法?？傊?SPAN lang=EN-US> , 不同類型的成膜物以不同的成膜方式成膜 , 其涂裝方法不完全相同 , 這是配方設(shè)計應(yīng)該牢記的。

(2) 成膜物的主要性能 : 成膜物結(jié)構(gòu)及成膜機理的差異 , 導致涂膜具有不同的理化性能。

欲使涂料達到應(yīng)用要求 , 涂料配方設(shè)計師掌握成膜物形成涂膜性能至關(guān)重要 , 更要注意的是 , 有的涂料應(yīng)用性能需要將涂料各組分科學搭配才會實現(xiàn)。①成膜物的溶解或分散狀態(tài)。在涂料成膜的全過程 , 成膜物都應(yīng)保持良好、均一的溶解或分散狀態(tài) , 保證形成均勻結(jié)構(gòu)涂膜 , 避免涂膜產(chǎn)生弊病。

②成膜物對顏填料的潤濕性。應(yīng)采取必要的技術(shù)措施 , 保證成膜物對顏填料有優(yōu)良的潤濕效果。通常將著色顏料制成色漿 , 有利于在涂料中分散。不同成膜物含有不同類型和數(shù)量的活性官能團 , 如羥基、氨基、羥基、環(huán)氧基和烷氧基等。通常含羧基高的成膜物對顏填料潤濕效果好 , 易于研磨分散 ; 但羧基含量高 , 會影響涂料貯存穩(wěn)定性。應(yīng)選擇、搭配適應(yīng)性好的顏填料和有效助劑等。成膜物中的活性官能團對顏填料的潤濕分散作用有時會產(chǎn)生正、負兩種效應(yīng) , 應(yīng)充分發(fā)揮正面效應(yīng) , 避免或削減負面效應(yīng)。

(3) 活性稀釋劑的利用 : 在無溶劑涂料、高固體分涂料和 UV 固化涂料中 , 利用適當?shù)幕钚韵♂寗┛商岣?font color="blue">涂料施工固體分、降低涂裝黏度、滿足應(yīng)用要求。根據(jù)涂料不同性能和使用環(huán)境 , 選用不同化學結(jié)構(gòu)與用量的活性稀釋劑。活性稀釋劑應(yīng)與涂料各組分有良好的相容性 , 保證涂料好的貯存穩(wěn)定性 , 與涂料中其他成膜物有均一同步的固化成膜性。

2. 2 　顏填料

顏填料是色漆中不可缺少的組分之一。由不同品種的顏填料組成的涂料會呈現(xiàn)不同性能 , 如三氧化二鉻、鐵黑等有優(yōu)異的耐高溫性 ; 云母氧化鐵是片狀結(jié)構(gòu) , 提升了涂膜防介質(zhì)滲透性 , 增加了耐腐蝕性和耐老化性等 ; 金屬閃光鋁粉使涂膜具有新穎、悅目的金屬光澤等。應(yīng)掌握顏填料的基本性能及其在涂料中的功效。

(1) 顏填料的特性。在涂料中的顏填料有顏色、細度、遮蓋力、著色力、吸油量、分散性、密度、耐光性、屏蔽性、耐溫度、耐酸堿、耐候性、耐氧化性、耐水性、耐毒菌性等性能 , 有的顏填料具有功能性和無毒害性。

(2) 顏填料體積分數(shù)。在配方設(shè)計時 , 底漆和面漆應(yīng)選用不同類型的顏填料、采用不同顏填料體積分數(shù)。

(3) 顏填料的選擇。下面介紹二氧化鈦選擇、顏料的配色規(guī)則和混合填料 ( 體質(zhì)顏料 ) 的選擇。

①二氧化鈦的選擇

涂料配方設(shè)計中 , 二氧化鈦用量占有很大的比例 , 不同級別的二氧化鈦用途不同、價格不同 , 選擇合適級別的二氧化鈦是極其重要的。配方設(shè)計師應(yīng)根據(jù)涂料性能和服務(wù)對象選擇二氧化鈦。例如 , 具有高耐候性的二氧化鈦適合用于汽車涂料 ; 具有不透光性的二氧化鈦主要用于平光乳膠漆 ; 具有優(yōu)異光學性能的二氧化鈦主要用于陶瓷涂料和水性工業(yè)涂料。另外 , 根據(jù)實際需要采用白色體質(zhì)顏料替代涂料中少部分二氧化鈦 , 既可滿足涂料的應(yīng)用性能 , 又可降低涂料成本。

②顏料的配色規(guī)則

在涂料配方設(shè)計時 , 顏料的配色規(guī)則如下 : ( a) 盡可能選用紅、黃、藍、白、黑五種基本顏料調(diào)配涂料顏色 ;( b) 盡量選用性能相近的著色顏料混合配色 , 防止涂料色澤變化不一 ;( c) 選擇明度不一的同色彩著色顏料配色 , 形成主次分明、明暗協(xié)調(diào)的顏色 ;( d) 不同著色顏料之間的密度差不應(yīng)太大 , 著色顏料之間不發(fā)生反應(yīng) , 如色淀紅 C 與鉻黃混用時 , 紅色易褪 ;( e) 配色時可加入少量染料 , 提高涂料的色澤鮮艷度 ;( f) 在同一涂料配方體系中 , 著色顏料的品種不宜過多 , 以免帶入雜色 , 使涂料色澤黯淡。

③混合填料的選擇

在涂料配方設(shè)計中 , 選用不同的填料混合使用時 , 不同粒徑的填料作用不同。如粗的填料可使涂料色彩保留時間長 , 抗粉化能力也比微細填料高 ; 而細的填料用在涂料中 , 可以提高 TiO 2 的使用效率 , 提高干遮蓋力。對于不同種類的填料 , 在涂料中所起的作用也各不相同。如 CaCO 3 抗粉化比黏土類填料好 , 但耐沾污性不好。而一些板狀、層狀高嶺土的抗粉化能力和保色性比水洗高嶺土好。

在涂料配方設(shè)計中 , 填料的用量和填料的品種應(yīng)根據(jù)所需涂料產(chǎn)品的性質(zhì)、類別來進行選擇。在基本配方中 , PVC 應(yīng)保持不變 , PVC /CPVC 的比例不變 , 基料的量也不變。此時通過調(diào)整不同填料的配比來得到性能良好的配方。值得提示的是 : 選用混合填料時 , 應(yīng)充分利用復配改性技術(shù)和協(xié)同增效技術(shù)。

2. 3 　助劑

涂料配方中添加適量的助劑 , 對改善涂料制造性、貯存性、涂裝性、成膜性及應(yīng)用性等有重要作用。選用助劑時 , 需注意以下要點。

(1) 助劑的正、負效應(yīng) : 大多數(shù)助劑在發(fā)揮其特殊功效的同時 , 都會引起不同程度的負作用。如防結(jié)皮劑會影響涂料干燥速率 : 觸變型防沉劑會影響流平性和光澤等 ; 有些阻燃劑會影響涂膜防潮性 ; 流平劑過量時 , 會影響涂膜耐腐蝕性等。應(yīng)采取技術(shù)措施充分利用助劑的正效應(yīng)、防止負效應(yīng)。 (2) 助劑的特性與用法 : 全面掌握助劑的結(jié)構(gòu)與特性 , 保證助劑發(fā)揮功效 ; 滿足實用要求。不同品種與特性的助劑應(yīng)采用不同的使用方法。如低黏度硅油 , 應(yīng)配成 1% 的溶液使用 ; 防結(jié)皮劑和催干劑應(yīng)分別添加到涂料中 ; 有機膨潤土應(yīng)制成預凝膠后再加入到涂料中 , 才能充分發(fā)揮防沉效果等。在選擇高固體分環(huán)氧涂料的流平防縮孔劑時 , 采用聚醚 ( 或聚酯 ) 改性的有機硅助劑可取得好的效果 , 如 Levaslip825 、 435 和 EFKA3232 改性有機硅助劑 ( 用量占涂料質(zhì)量的 0 . 2% ) 都呈現(xiàn)較好的流平防縮孔作用。值得注意的是 3232 助劑與 435 助劑 ( 或 825 助劑 ) 匹配使用時 , 效果不明顯。采用 201 甲基硅油和 209 甲基羥基硅油時 , 效果不佳。 (3) 助劑的用量 : 通常在涂料中添加少量的助劑即可達到預計效果 , 如果加入過量的助劑 , 會產(chǎn)生不良效果。下面介紹一些助劑在涂料中的用量。①成膜助劑 : 成膜助劑在涂料配方中的用量一般以乳液固體含量的百分比表示。成膜助劑的量提高 , 會更顯著地降低涂料的 MFT, 但是成膜助劑的用量大時 , 會增大涂料貯存時乳液凝膠化的傾向 , 因而并不是用量越大越好。應(yīng)根據(jù)乳液的 T g 和涂料將來可能碰到的涂裝環(huán)境溫度條件、成膜助劑對乳液 MFT 降低的效果 , 根據(jù)試驗或經(jīng)驗確定適當?shù)挠昧?。②有機硅助劑 : 通常有機硅助劑的添加量約為涂料總質(zhì)量的 0 . 01% ～ 1 . 0% 。用于增滑時 , 添加量要相應(yīng)增大 , 否則 , 效果不明顯。作錘紋效應(yīng)劑時 , 添加量大 , 則得細紋 ; 量小 , 則得粗紋。用于消泡時 , 100% 硅油的常用量為基料總質(zhì)量的 0 . 05% , 涂料的固體分越高、黏度越大、泡壁會越厚或涂料要長期貯存 , 就需較大用量 , 尤其在水性氨基樹脂涂料中用量經(jīng)常達到涂料總質(zhì)量的 0. 6% ～ 1% 。③流平劑和消泡劑 : 選擇聚酯高固體分涂料的助劑時 , 應(yīng)充分考慮助劑的功效和對性能的影響。例如 , 流平劑用量小于 0 . 4% 時 , 涂膜流平性不佳、出現(xiàn)橘皮 ; 消泡劑用量小于 0. 2% 時 , 起不到消泡效果 ; 流平劑用量大于 0 . 7% 或消泡劑用量大于 0 . 4% 時 , 導致涂膜的層間附著力下降。經(jīng)試驗確定 : 流平劑用量為 0 . 55% 、消泡劑用量為 0 . 3% , 涂膜光滑平整 , 附著力良好。另外 , 潤濕分散劑、防霉劑、光引發(fā)劑、催干劑、觸變劑、增稠劑、附著力促進劑和功能助劑等都有其嚴格限定的用量。

2. 4 　溶劑

溶劑對成膜物的溶解或分散使其形成均勻性、調(diào)整出適宜的黏度并保護涂料貯存穩(wěn)定性等。涂膜干燥過程中 , 有機溶劑或水逐步揮發(fā)最終形成完美的涂膜。溶劑的性質(zhì)、安全性及毒性是環(huán)境友好涂料配方設(shè)計時必須考慮的問題。

(1) 溶劑的基本特性 : 涂料配方設(shè)計者應(yīng)全面了解溶劑的溶解能力、黏度、揮發(fā)速率、表面張力、電阻率、反應(yīng)性、毒性及安全性等特性 , 合理確定溶劑品種及溶劑體系。在水性涂料中 , 采用水作溶劑或稀釋劑 , 利用極性溶劑作助溶劑或成膜助劑。

(2) 高固體分涂料中的溶劑選擇 : 在設(shè)計高固體分涂料配方時 , 應(yīng)選用合適的溶劑 , 保證涂料的施工黏度及涂裝性能。①溶劑的作用 : 在高固體分涂料中 , 正確掌握和選擇溶劑是配方設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。從對高固體分涂料成膜物的溶解能力和降低黏度考慮 , 應(yīng)選擇含有— OR 、— COOR 、— SO 3 R 、— CO —、— CN 、— NO 2 等氫鍵受體基團的溶劑 , 基團中的 R H 。常用的有酮類、酯類、醚酯類和二價酸酯 (DBE) 等。為滿足涂料的施工性 , 應(yīng)采用混合溶劑。選擇環(huán)境友好溶劑并利用溶劑的特性有效地改進涂料的施工性、貯存穩(wěn)定性是高固體分涂料確定溶劑體系的前提條件。②溶劑體系的確定 : 雖然高固體分涂料中溶劑含量較少 , 但溶劑的重要作用比在溶劑型涂料中更突出。溶劑揮發(fā)過快 , 使噴涂后的濕膜流平性差 , 易出現(xiàn)凹坑、橘皮等問題 , 需要加入高沸點芳烴溶劑來解決 ; 溶劑揮發(fā)過慢 , 易造成垂直面上涂膜流掛 , 可加入二甲苯來改善。選擇溶劑時 , 應(yīng)注意的另一個問題就是涂料的貯存穩(wěn)定性。在涂料中 , 如果含有一定比例的氨基樹脂 , 在貯存期間黏度會增大 , 但對高固體分涂料來說 , 黏度增大 , 意味著施工時需添加較多溶劑 , 勢必降低固體分 , 加入一定量的醇醚溶劑可使貯存期內(nèi)的黏度基本穩(wěn)定不變。另外 , 施工時如用靜電噴涂 , 則需加入二丙酮醇調(diào)整涂料的靜電阻值。

試驗證明 : 采用溶解能力強的 DBE 等環(huán)境友好溶劑作混合溶劑的主溶劑 , S - 150 、二甲苯、丙二醇乙醚和二丙酮醇等作混合溶劑的輔助溶劑 , 組成高固體分涂料的混合溶劑體系 , 可獲得較理想的效果。上述選配混合溶劑體系的規(guī)則適用于醇酸、聚酯、丙烯酸和環(huán)氧高固體涂料。