0 　引　言

涂料配方设计是一种具有创新性和挑战性的研发工作 , 任何一种涂料产品都必须满足特定的使用环境和所需寿命。涂料配方设计是采用多种基元组分 , 经匹配组合、物理化学作用、产生特性叠加、协同增效等交互影响与渗透 , 使涂料产品达到预想的应用效果 ; 涂料配方设计应以成膜物化学结构和成膜机理为依据 , 预测涂料性能并确定成膜条件与方式 ; 涂料配方设计应以熟知成膜物和颜填料基本特性为基础 , 充分考虑助剂和溶剂 ( 包括水 ) 的功效 , 确定涂料的基本组成 ; 在保证涂料应用性能前提下 , 还应受到成本的制约。

1 　涂料配方设计基本要求

1 . 1 　掌握涂料应用要求

涂料配方设计应坚持以涂料产品应用技术指标为切入点 , 以满足应用要求为目的。在从事涂料配方设计时 , 必须牢记涂料产品应用性能 , 采取达到应用性能的措施 , 如深入用户单位调查、交流 ; 有的放矢地确定涂料应用技术指标 ; 了解涂料性能指标间相互影响 ( 如高耐磨性涂膜应降低涂膜表面磨擦系数与提升涂膜硬度相结合 ; 涂膜的丰满度不同于涂膜的光泽等 ) ; 被保护底材 , 涂料固化条件 , 涂装技术及施工方法等都是涂料应用要求内容。

1 . 2 　涂料检测标准与产品确认

开发涂料新产品时 , 开发者与涂料配方设计师应共同商定执行的涂料检测标准 , 产品验收方法及确定产品达到要求的应用指标 , 作为新产品验收考证依据。当涂料检测标准无法与实际应用性能相吻合或标准中的指标与应用性能无关联时 , 应与供应商、使用单位协商修订验收指标和方法 ; 也可采用已知的实用涂料产品作参比试验 , 最终确定新开发产品是否符合预测应用技术要求。必要时 , 对新开发的涂料产品要通过现场应用的试用考核 , 合格后再正式推向市场。

1 . 3 　涂料配方设计路线

用户提出开发任务时 , 可能包括多个应用技术指标 , 配方设计师应将全部应用技术指标认真分析、分清主次、确定主要指标 ( 通常对完成配方设计起关键作用 ) 。并兼顾次要应用技术指标 , 避免影响涂料整体功效。特别要正确处理和解决相互矛盾或影响的应用技术指标 , 如涂膜的交联密度与柔韧性、涂膜的亲水性与防水性、涂膜耐蚀性与装饰性等都是配方设计技术路线应均衡考虑的关键技术。在制定涂料配方技术路线时 , 应注意以下两点。

(1) 确定成膜物及固化体系。成膜物是涂膜网络结构的基础构架 , 应根据涂料应用性能、使用环境及寿命 , 确定可以供选择的成膜物类型与品种 , 根据被保护底材特性与涂装要求 , 确定涂料固化体系及成膜方式。 (2) 确定主要技术措施。选择涂料组成要素 ; 确定合理的颜填料体积分数 ; 验证各组分对涂料性能的贡献 , 强化主要应用技术指标 ; 对配方组成进行优化调整 , 突出涂料特性 ; 模拟应用环境 , 全面考核涂料应用性能。

1 . 4 　涂料配方设计的内容

通常 , 色漆配方设计的主要内容有基料类型选择、颜填料品种选择及 PVC 值确定、助剂匹配、溶剂确定、基本配方和生产配方确定等。环境友好涂料配方设计还应注意以下内容。

(1) 改进、提升现有产品性能。涂料配方设计师应在保留原产品已有性能基础上进行再创造 , 使涂料适应环保的要求。值得提示的是 : 在改进现有涂料产品的配方设计中 , 应避免同质竞争、墨守成规 ; 冲破旧框架、开辟新途径、实现产品创新。 (2) 开发适应性配套化涂料。不同应用领域及不同的被保护位需要采用不同的涂料品种及不同的保护方法 , 因此在实际上不可能任何领域及被保护部位都能采用同一涂料品种。涂料配方设计师应开发适应性好的配套系列化产品 , 防止在应用中的“张冠李戴”现象。 (3) 开发具有自主知识产权涂料 , 避免仿造或“克隆”模式。首先 , 涂料产品性能突破应以创新理念和创新技术为先导 , 新的成膜物、颜填料的发现与应用研究 , 助剂开发利用等 , 是开发新型涂料品种的前提与基础 , 配方设计师应树立创新思维 , 采用创新技术 , 启动灵感与智慧 , 创造出具有自主知识产权的产品。 (4) 基材及其表面处理。涂料配方设计者应特别注意涂料成膜后与被保护基材 ( 或称底材 ) 间的粘结性 , 基材的材质不同 , 选择涂料体系也应不同。 (5) 涂料使用环境。环境因素在涂料的选择上非常重要 , 是干燥还是潮湿 ; 是室内还是室外 ; 是腐蚀环境 , 还是通常的大气环境 ; 是南方气候 ( 光照充足多雨 ) 还是北方气候等 , 均直接影响着涂料体系的选择。涂料配方设计师应将涂料使用环境作为选择涂料品种的依据之一。否则 , 会导致配方设计失败。除上述环境因素外 , 还应关注如下参数 : 涂膜使用温度、湿度 ( 干燥、潮湿、浸水、舰船等 ) 、接触化学药品 ( 烟雾、酸、碱、溶剂、油等 ) 、辐射、生物污染 ( 生物侵蚀、霉 ) 等。

2 　环境友好涂料组成

2. 1 　成膜物

涂料中的成膜物包括基料、活性稀释剂、交联剂和固化剂等参与成膜的物质。

(1) 成膜物的类型 : 成膜物的类型、化学结构、成膜机理和涂膜网络结构等都影响并决定涂料的应用性能。如由酚醛树脂形成的涂膜坚韧光亮、耐水和耐化学介质好 , 但泛黄严重 ; 醇酸树脂形成的涂膜附着力和耐久性较佳 , 但耐水和耐碱性差 ; 双酚 A 型环氧树脂形成的涂膜附着力和防介质渗透性优 , 但外用易粉化 ; 丙烯酸树脂与氨基树脂 ( 或异氰酸酯加成物 ) 形成的涂膜保光性和保色性好 ; 氟碳树脂由于含 C — F 键 , 不容易被紫外线破坏 , 则表现出超常的耐候性 : 有机硅树脂含有 Si — O 键 , 形成涂膜的耐温性优异等。另外 , 由于成膜物的类型不同 , 其成膜方式和涂装方法存在差别。如乙烯基酯树脂和活性稀释剂组成的涂料应采用自由基引发聚合固化或 UV 固化成膜 , 其涂装时可采用刷、辊、喷等方法 ; 气干型醇酸树脂及活性稀释剂为成膜物的涂料应采用自动氧化聚合固化成膜 , 涂装时可用喷、刷涂等方法 ; 羟基聚酯树脂与氨基树脂为成膜物的涂料应在烘烤条件下进行缩聚固化成膜 , 涂装时可用喷涂等方法。总之 , 不同类型的成膜物以不同的成膜方式成膜 , 其涂装方法不完全相同 , 这是配方设计应该牢记的。

(2) 成膜物的主要性能 : 成膜物结构及成膜机理的差异 , 导致涂膜具有不同的理化性能。

欲使涂料达到应用要求 , 涂料配方设计师掌握成膜物形成涂膜性能至关重要 , 更要注意的是 , 有的涂料应用性能需要将涂料各组分科学搭配才会实现。①成膜物的溶解或分散状态。在涂料成膜的全过程 , 成膜物都应保持良好、均一的溶解或分散状态 , 保证形成均匀结构涂膜 , 避免涂膜产生弊病。

②成膜物对颜填料的润湿性。应采取必要的技术措施 , 保证成膜物对颜填料有优良的润湿效果。通常将着色颜料制成色浆 , 有利于在涂料中分散。不同成膜物含有不同类型和数量的活性官能团 , 如羟基、氨基、羟基、环氧基和烷氧基等。通常含羧基高的成膜物对颜填料润湿效果好 , 易于研磨分散 ; 但羧基含量高 , 会影响涂料贮存稳定性。应选择、搭配适应性好的颜填料和有效助剂等。成膜物中的活性官能团对颜填料的润湿分散作用有时会产生正、负两种效应 , 应充分发挥正面效应 , 避免或削减负面效应。

(3) 活性稀释剂的利用 : 在无溶剂涂料、高固体分涂料和 UV 固化涂料中 , 利用适当的活性稀释剂可提高涂料施工固体分、降低涂装黏度、满足应用要求。根据涂料不同性能和使用环境 , 选用不同化学结构与用量的活性稀释剂。活性稀释剂应与涂料各组分有良好的相容性 , 保证涂料好的贮存稳定性 , 与涂料中其他成膜物有均一同步的固化成膜性。

2. 2 　颜填料

颜填料是色漆中不可缺少的组分之一。由不同品种的颜填料组成的涂料会呈现不同性能 , 如三氧化二铬、铁黑等有优异的耐高温性 ; 云母氧化铁是片状结构 , 提升了涂膜防介质渗透性 , 增加了耐腐蚀性和耐老化性等 ; 金属闪光铝粉使涂膜具有新颖、悦目的金属光泽等。应掌握颜填料的基本性能及其在涂料中的功效。

(1) 颜填料的特性。在涂料中的颜填料有颜色、细度、遮盖力、着色力、吸油量、分散性、密度、耐光性、屏蔽性、耐温度、耐酸碱、耐候性、耐氧化性、耐水性、耐毒菌性等性能 , 有的颜填料具有功能性和无毒害性。

(2) 颜填料体积分数。在配方设计时 , 底漆和面漆应选用不同类型的颜填料、采用不同颜填料体积分数。

(3) 颜填料的选择。下面介绍二氧化钛选择、颜料的配色规则和混合填料 ( 体质颜料 ) 的选择。

①二氧化钛的选择

涂料配方设计中 , 二氧化钛用量占有很大的比例 , 不同级别的二氧化钛用途不同、价格不同 , 选择合适级别的二氧化钛是极其重要的。配方设计师应根据涂料性能和服务对象选择二氧化钛。例如 , 具有高耐候性的二氧化钛适合用于汽车涂料 ; 具有不透光性的二氧化钛主要用于平光乳胶漆 ; 具有优异光学性能的二氧化钛主要用于陶瓷涂料和水性工业涂料。另外 , 根据实际需要采用白色体质颜料替代涂料中少部分二氧化钛 , 既可满足涂料的应用性能 , 又可降低涂料成本。

②颜料的配色规则

在涂料配方设计时 , 颜料的配色规则如下 : ( a) 尽可能选用红、黄、蓝、白、黑五种基本颜料调配涂料颜色 ;( b) 尽量选用性能相近的着色颜料混合配色 , 防止涂料色泽变化不一 ;( c) 选择明度不一的同色彩着色颜料配色 , 形成主次分明、明暗协调的颜色 ;( d) 不同着色颜料之间的密度差不应太大 , 着色颜料之间不发生反应 , 如色淀红 C 与铬黄混用时 , 红色易褪 ;( e) 配色时可加入少量染料 , 提高涂料的色泽鲜艳度 ;( f) 在同一涂料配方体系中 , 着色颜料的品种不宜过多 , 以免带入杂色 , 使涂料色泽黯淡。

③混合填料的选择

在涂料配方设计中 , 选用不同的填料混合使用时 , 不同粒径的填料作用不同。如粗的填料可使涂料色彩保留时间长 , 抗粉化能力也比微细填料高 ; 而细的填料用在涂料中 , 可以提高 TiO 2 的使用效率 , 提高干遮盖力。对于不同种类的填料 , 在涂料中所起的作用也各不相同。如 CaCO 3 抗粉化比黏土类填料好 , 但耐沾污性不好。而一些板状、层状高岭土的抗粉化能力和保色性比水洗高岭土好。

在涂料配方设计中 , 填料的用量和填料的品种应根据所需涂料产品的性质、类别来进行选择。在基本配方中 , PVC 应保持不变 , PVC /CPVC 的比例不变 , 基料的量也不变。此时通过调整不同填料的配比来得到性能良好的配方。值得提示的是 : 选用混合填料时 , 应充分利用复配改性技术和协同增效技术。

2. 3 　助剂

涂料配方中添加适量的助剂 , 对改善涂料制造性、贮存性、涂装性、成膜性及应用性等有重要作用。选用助剂时 , 需注意以下要点。

(1) 助剂的正、负效应 : 大多数助剂在发挥其特殊功效的同时 , 都会引起不同程度的负作用。如防结皮剂会影响涂料干燥速率 : 触变型防沉剂会影响流平性和光泽等 ; 有些阻燃剂会影响涂膜防潮性 ; 流平剂过量时 , 会影响涂膜耐腐蚀性等。应采取技术措施充分利用助剂的正效应、防止负效应。 (2) 助剂的特性与用法 : 全面掌握助剂的结构与特性 , 保证助剂发挥功效 ; 满足实用要求。不同品种与特性的助剂应采用不同的使用方法。如低黏度硅油 , 应配成 1% 的溶液使用 ; 防结皮剂和催干剂应分别添加到涂料中 ; 有机膨润土应制成预凝胶后再加入到涂料中 , 才能充分发挥防沉效果等。在选择高固体分环氧涂料的流平防缩孔剂时 , 采用聚醚 ( 或聚酯 ) 改性的有机硅助剂可取得好的效果 , 如 Levaslip825 、 435 和 EFKA3232 改性有机硅助剂 ( 用量占涂料质量的 0 . 2% ) 都呈现较好的流平防缩孔作用。值得注意的是 3232 助剂与 435 助剂 ( 或 825 助剂 ) 匹配使用时 , 效果不明显。采用 201 甲基硅油和 209 甲基羟基硅油时 , 效果不佳。 (3) 助剂的用量 : 通常在涂料中添加少量的助剂即可达到预计效果 , 如果加入过量的助剂 , 会产生不良效果。下面介绍一些助剂在涂料中的用量。①成膜助剂 : 成膜助剂在涂料配方中的用量一般以乳液固体含量的百分比表示。成膜助剂的量提高 , 会更显著地降低涂料的 MFT, 但是成膜助剂的用量大时 , 会增大涂料贮存时乳液凝胶化的倾向 , 因而并不是用量越大越好。应根据乳液的 T g 和涂料将来可能碰到的涂装环境温度条件、成膜助剂对乳液 MFT 降低的效果 , 根据试验或经验确定适当的用量。②有机硅助剂 : 通常有机硅助剂的添加量约为涂料总质量的 0 . 01% ～ 1 . 0% 。用于增滑时 , 添加量要相应增大 , 否则 , 效果不明显。作锤纹效应剂时 , 添加量大 , 则得细纹 ; 量小 , 则得粗纹。用于消泡时 , 100% 硅油的常用量为基料总质量的 0 . 05% , 涂料的固体分越高、黏度越大、泡壁会越厚或涂料要长期贮存 , 就需较大用量 , 尤其在水性氨基树脂涂料中用量经常达到涂料总质量的 0. 6% ～ 1% 。③流平剂和消泡剂 : 选择聚酯高固体分涂料的助剂时 , 应充分考虑助剂的功效和对性能的影响。例如 , 流平剂用量小于 0 . 4% 时 , 涂膜流平性不佳、出现橘皮 ; 消泡剂用量小于 0. 2% 时 , 起不到消泡效果 ; 流平剂用量大于 0 . 7% 或消泡剂用量大于 0 . 4% 时 , 导致涂膜的层间附着力下降。经试验确定 : 流平剂用量为 0 . 55% 、消泡剂用量为 0 . 3% , 涂膜光滑平整 , 附着力良好。另外 , 润湿分散剂、防霉剂、光引发剂、催干剂、触变剂、增稠剂、附着力促进剂和功能助剂等都有其严格限定的用量。

2. 4 　溶剂

溶剂对成膜物的溶解或分散使其形成均匀性、调整出适宜的黏度并保护涂料贮存稳定性等。涂膜干燥过程中 , 有机溶剂或水逐步挥发最终形成完美的涂膜。溶剂的性质、安全性及毒性是环境友好涂料配方设计时必须考虑的问题。

(1) 溶剂的基本特性 : 涂料配方设计者应全面了解溶剂的溶解能力、黏度、挥发速率、表面张力、电阻率、反应性、毒性及安全性等特性 , 合理确定溶剂品种及溶剂体系。在水性涂料中 , 采用水作溶剂或稀释剂 , 利用极性溶剂作助溶剂或成膜助剂。

(2) 高固体分涂料中的溶剂选择 : 在设计高固体分涂料配方时 , 应选用合适的溶剂 , 保证涂料的施工黏度及涂装性能。①溶剂的作用 : 在高固体分涂料中 , 正确掌握和选择溶剂是配方设计的重要环节。从对高固体分涂料成膜物的溶解能力和降低黏度考虑 , 应选择含有— OR 、— COOR 、— SO 3 R 、— CO —、— CN 、— NO 2 等氢键受体基团的溶剂 , 基团中的 R H 。常用的有酮类、酯类、醚酯类和二价酸酯 (DBE) 等。为满足涂料的施工性 , 应采用混合溶剂。选择环境友好溶剂并利用溶剂的特性有效地改进涂料的施工性、贮存稳定性是高固体分涂料确定溶剂体系的前提条件。②溶剂体系的确定 : 虽然高固体分涂料中溶剂含量较少 , 但溶剂的重要作用比在溶剂型涂料中更突出。溶剂挥发过快 , 使喷涂后的湿膜流平性差 , 易出现凹坑、橘皮等问题 , 需要加入高沸点芳烃溶剂来解决 ; 溶剂挥发过慢 , 易造成垂直面上涂膜流挂 , 可加入二甲苯来改善。选择溶剂时 , 应注意的另一个问题就是涂料的贮存稳定性。在涂料中 , 如果含有一定比例的氨基树脂 , 在贮存期间黏度会增大 , 但对高固体分涂料来说 , 黏度增大 , 意味着施工时需添加较多溶剂 , 势必降低固体分 , 加入一定量的醇醚溶剂可使贮存期内的黏度基本稳定不变。另外 , 施工时如用静电喷涂 , 则需加入二丙酮醇调整涂料的静电阻值。

试验证明 : 采用溶解能力强的 DBE 等环境友好溶剂作混合溶剂的主溶剂 , S - 150 、二甲苯、丙二醇乙醚和二丙酮醇等作混合溶剂的辅助溶剂 , 组成高固体分涂料的混合溶剂体系 , 可获得较理想的效果。上述选配混合溶剂体系的规则适用于醇酸、聚酯、丙烯酸和环氧高固体涂料。