0 　引　言

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

1 　涂料配方設計基本要求

1 . 1 　掌握涂料應用要求

涂料配方設計應堅持以涂料產品應用技術指標為切入點 , 以滿足應用要求為目的。在從事涂料配方設計時 , 必須牢記涂料產品應用性能 , 采取達到應用性能的措施 , 如深入用戶單位調查、交流 ; 有的放矢地確定涂料應用技術指標 ; 了解涂料性能指標間相互影響 ( 如高耐磨性涂膜應降低涂膜表面磨擦系數與提升涂膜硬度相結合 ; 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 , 涂裝技術及施工方法等都是涂料應用要求內容。

1 . 2 　涂料檢測標準與產品確認

開發涂料新產品時 , 開發者與涂料配方設計師應共同商定執行的涂料檢測標準 , 產品驗收方法及確定產品達到要求的應用指標 , 作為新產品驗收考證依據。當涂料檢測標準無法與實際應用性能相吻合或標準中的指標與應用性能無關聯時 , 應與供應商、使用單位協商修訂驗收指標和方法 ; 也可采用已知的實用涂料產品作參比試驗 , 最終確定新開發產品是否符合預測應用技術要求。必要時 , 對新開發的涂料產品要通過現場應用的試用考核 , 合格后再正式推向市場。

1 . 3 　涂料配方設計路線

用戶提出開發任務時 , 可能包括多個應用技術指標 , 配方設計師應將全部應用技術指標認真分析、分清主次、確定主要指標 ( 通常對完成配方設計起關鍵作用 ) 。并兼顧次要應用技術指標 , 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用技術指標 , 如涂膜的交聯密度與柔韌性、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計技術路線應均衡考慮的關鍵技術。在制定涂料配方技術路線時 , 應注意以下兩點。

(1) 確定成膜物及固化體系。成膜物是涂膜網絡結構的基礎構架 , 應根據涂料應用性能、使用環境及壽命 , 確定可以供選擇的成膜物類型與品種 , 根據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) 確定主要技術措施。選擇涂料組成要素 ; 確定合理的顏填料體積分數 ; 驗證各組分對涂料性能的貢獻 , 強化主要應用技術指標 ; 對配方組成進行優化調整 , 突出涂料特性 ; 模擬應用環境 , 全面考核涂料應用性能。

1 . 4 　涂料配方設計的內容

通常 , 色漆配方設計的主要內容有基料類型選擇、顏填料品種選擇及 PVC 值確定、助劑匹配、溶劑確定、基本配方和生產配方確定等。環境友好涂料配方設計還應注意以下內容。

(1) 改進、提升現有產品性能。涂料配方設計師應在保留原產品已有性能基礎上進行再創造 , 使涂料適應環保的要求。值得提示的是 : 在改進現有涂料產品的配方設計中 , 應避免同質競爭、墨守成規 ; 沖破舊框架、開辟新途徑、實現產品創新。 (2) 開發適應性配套化涂料。不同應用領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域及被保護部位都能采用同一涂料品種。涂料配方設計師應開發適應性好的配套系列化產品 , 防止在應用中的“張冠李戴”現象。 (3) 開發具有自主知識產權涂料 , 避免仿造或“克隆”模式。首先 , 涂料產品性能突破應以創新理念和創新技術為先導 , 新的成膜物、顏填料的發現與應用研究 , 助劑開發利用等 , 是開發新型涂料品種的前提與基礎 , 配方設計師應樹立創新思維 , 采用創新技術 , 啟動靈感與智慧 , 創造出具有自主知識產權的產品。 (4) 基材及其表面處理。涂料配方設計者應特別注意涂料成膜后與被保護基材 ( 或稱底材 ) 間的粘結性 , 基材的材質不同 , 選擇涂料體系也應不同。 (5) 涂料使用環境。環境因素在涂料的選擇上非常重要 , 是干燥還是潮濕 ; 是室內還是室外 ; 是腐蝕環境 , 還是通常的大氣環境 ; 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。涂料配方設計師應將涂料使用環境作為選擇涂料品種的依據之一。否則 , 會導致配方設計失敗。除上述環境因素外 , 還應關注如下參數 : 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、交聯劑和固化劑等參與成膜的物質。

(1) 成膜物的類型 : 成膜物的類型、化學結構、成膜機理和涂膜網絡結構等都影響并決定涂料的應用性能。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 型環氧樹脂形成的涂膜附著力和防介質滲透性優 , 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采用自由基引發聚合固化或 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 , 這是配方設計應該牢記的。

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

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

②成膜物對顏填料的潤濕性。應采取必要的技術措施 , 保證成膜物對顏填料有優良的潤濕效果。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量的活性官能團 , 如羥基、氨基、羥基、環氧基和烷氧基等。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 , 會影響涂料貯存穩定性。應選擇、搭配適應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生正、負兩種效應 , 應充分發揮正面效應 , 避免或削減負面效應。

(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 , 利用適當的活性稀釋劑可提高涂料施工固體分、降低涂裝黏度、滿足應用要求。根據涂料不同性能和使用環境 , 選用不同化學結構與用量的活性稀釋劑?；钚韵♂寗c涂料各組分有良好的相容性 , 保證涂料好的貯存穩定性 , 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不同性能 , 如三氧化二鉻、鐵黑等有優異的耐高溫性 ; 云母氧化鐵是片狀結構 , 提升了涂膜防介質滲透性 , 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。在配方設計時 , 底漆和面漆應選用不同類型的顏填料、采用不同顏填料體積分數。

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

①二氧化鈦的選擇

涂料配方設計中 , 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。配方設計師應根據涂料性能和服務對象選擇二氧化鈦。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 ; 具有優異光學性能的二氧化鈦主要用于陶瓷涂料和水性工業涂料。另外 , 根據實際需要采用白色體質顏料替代涂料中少部分二氧化鈦 , 既可滿足涂料的應用性能 , 又可降低涂料成本。

②顏料的配色規則

在涂料配方設計時 , 顏料的配色規則如下 : ( a) 盡可能選用紅、黃、藍、白、黑五種基本顏料調配涂料顏色 ;( 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、明暗協調的顏色 ;( d) 不同著色顏料之間的密度差不應太大 , 著色顏料之間不發生反應 , 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。

在涂料配方設計中 , 填料的用量和填料的品種應根據所需涂料產品的性質、類別來進行選擇。在基本配方中 , PVC 應保持不變 , PVC /CPVC 的比例不變 , 基料的量也不變。此時通過調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 , 應充分利用復配改性技術和協同增效技術。

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 : 大多數助劑在發揮其特殊功效的同時 , 都會引起不同程度的負作用。如防結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。應采取技術措施充分利用助劑的正效應、防止負效應。 (2) 助劑的特性與用法 : 全面掌握助劑的結構與特性 , 保證助劑發揮功效 ; 滿足實用要求。不同品種與特性的助劑應采用不同的使用方法。如低黏度硅油 , 應配成 1% 的溶液使用 ; 防結皮劑和催干劑應分別添加到涂料中 ; 有機膨潤土應制成預凝膠后再加入到涂料中 , 才能充分發揮防沉效果等。在選擇高固體分環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 ( 用量占涂料質量的 0 . 2% ) 都呈現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。應根據乳液的 T g 和涂料將來可能碰到的涂裝環境溫度條件、成膜助劑對乳液 MFT 降低的效果 , 根據試驗或經驗確定適當的用量。②有機硅助劑 : 通常有機硅助劑的添加量約為涂料總質量的 0 . 01% ～ 1 . 0% 。用于增滑時 , 添加量要相應增大 , 否則 , 效果不明顯。作錘紋效應劑時 , 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常達到涂料總質量的 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、調整出適宜的黏度并保護涂料貯存穩定性等。涂膜干燥過程中 , 有機溶劑或水逐步揮發最終形成完美的涂膜。溶劑的性質、安全性及毒性是環境友好涂料配方設計時必須考慮的問題。

(1) 溶劑的基本特性 : 涂料配方設計者應全面了解溶劑的溶解能力、黏度、揮發速率、表面張力、電阻率、反應性、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 : 在設計高固體分涂料配方時 , 應選用合適的溶劑 , 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計的重要環節。從對高固體分涂料成膜物的溶解能力和降低黏度考慮 , 應選擇含有— 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 , 應采用混合溶劑。選擇環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。溶劑揮發過快 , 使噴涂后的濕膜流平性差 , 易出現凹坑、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 , 應注意的另一個問題就是涂料的貯存穩定性。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的黏度基本穩定不變。另外 , 施工時如用靜電噴涂 , 則需加入二丙酮醇調整涂料的靜電阻值。

試驗證明 : 采用溶解能力強的 DBE 等環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則適用于醇酸、聚酯、丙烯酸和環氧高固體涂料。