聚氨酯涂料的配方設(shè)計(jì)及PVC計(jì)算

1、-. z.聚氨酯涂料的配方設(shè)計(jì)及PVC計(jì)算時(shí)間:2014-02-09 16:49來源:江陰大阪涂料* 作者:徐支有 李一新 陳雷0 引言20 世紀(jì)60 年代以來，溶劑型聚氨酯涂料在我國(guó)工業(yè)防腐領(lǐng)域一直發(fā)揮著舉足輕重的作用，它具有光澤高、飽滿度好、優(yōu)異的保光保色性、耐候性佳，以及優(yōu)良的耐磨性、耐酸堿性、耐水性、耐化學(xué)品性等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于家電、汽車、飛機(jī)、工程機(jī)械、港口機(jī)械、化工設(shè)備、管道、電廠、鋼構(gòu)件和海洋石油平臺(tái)等領(lǐng)域。受2008 年金融危機(jī)和目前中東石油危機(jī)的影響，原油的價(jià)格一路飆升，一定程度上提高了溶劑型涂料的本錢，如何開發(fā)出高性價(jià)比的聚氨酯PU涂料，也成為全國(guó)上萬家涂料企業(yè)提升競(jìng)爭(zhēng)力的

2、一項(xiàng)重要課題。本文通過考察顏基比P/B、填料、催化劑及紫外線吸收劑等因素對(duì)漆膜性能的影響，制備了高光澤、耐候性優(yōu)異及低本錢的雙組分溶劑型聚氨酯涂料。通過單一顏料涂料體系的顏料體積濃度PVC的計(jì)算，推導(dǎo)出PVC 的倒數(shù)與P/B 的倒數(shù)呈一次線性函數(shù)關(guān)系。1 實(shí)驗(yàn)局部1.1 原材料羥基丙烯酸樹脂AC101，HDI六亞甲基二異氰酸酯固化劑22A-75P*，金紅石型鈦白粉R996，超細(xì)硫酸鋇，流變劑，分散劑，催化劑T-12，紫外線吸收劑，流平劑，二甲苯，醋酸丁酯，PMA丙二醇甲醚醋酸酯。1.2 制漆工藝先將局部樹脂、分散劑、顏填料和混合溶劑低速分散均勻后，用砂磨機(jī)分散至細(xì)度20 m。然后補(bǔ)加剩余的樹脂

3、、流平劑、流變劑、催化劑和紫外線吸收劑，高速攪拌分散30 min 后，用溶劑調(diào)節(jié)黏度至涂-4 杯80120 s，用120 目紗布過濾，出料。1.3 漆膜的制備按配比混合甲乙組分，用稀釋劑調(diào)節(jié)黏度至涂-4 杯2025 s，空氣噴涂制備漆膜。檢測(cè)單一涂層的常規(guī)性能，膜厚為255m，80的條件下枯燥2 h ；型式檢驗(yàn)工程包括復(fù)合涂層的耐酸性和耐堿性。本文選用的配套涂料體系為環(huán)氧磷酸鋅底漆70 m+ 聚氨酯面漆50 m；枯燥方式為50的條件下枯燥48 h。1.4 性能檢測(cè)依據(jù)HG/T 24542006溶劑型聚氨酯涂料雙組分型涂料的相關(guān)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)常規(guī)性能；依據(jù)GB/T 239872009色漆和清漆 涂

4、層的人工氣候老化曝露 曝露于熒光紫外線和水進(jìn)展涂層的QUV 檢測(cè)；按照GB/T 17662008色漆和清漆 涂層老化的評(píng)級(jí)方法對(duì)涂層的耐老化性能進(jìn)展評(píng)級(jí)，試驗(yàn)裝置為QUV/SprayQ-Lab Corporation.U.S.A老化試驗(yàn)箱；光源類型Lamp Type：UVB-313，0.71 W/m2nm310 nm，試驗(yàn)循環(huán)為4 h 紫外線照射，603黑板溫度，4 h 冷凝，503黑板溫度。2 結(jié)果與討論2.1 成膜物質(zhì)的選擇作為雙組分聚氨酯涂料用的羥基樹脂主要包括聚酯、丙烯酸樹脂、聚醚、環(huán)氧樹脂、蓖麻油或其加工產(chǎn)品等。聚酯樹脂雖然具備耐熱性佳、漆膜富有柔韌性、飽滿度好、耐候性優(yōu)異等諸多特點(diǎn)

5、，但是，其干性和硬度遜色于丙烯酸樹脂，而環(huán)氧樹脂和聚醚樹脂在光照條件下易粉化。因此，本文選用羥基丙烯酸樹脂AC101 為成膜物質(zhì)，其主要技術(shù)指標(biāo)為：固體分70%，黏度25格氏管200400 s，20密度1.03，羥基含量3.3%。因該樹脂的高羥基含量，保證了涂料的高反響活性和漆膜的交聯(lián)密度。2.2 顏基比確實(shí)立為了確保涂料優(yōu)異的遮蓋力及漆膜高光澤的特性，通過調(diào)節(jié)鈦白粉與基料的質(zhì)量比在0.41.0 間變化，選擇最正確的顏基比。設(shè)定鈦白粉與基料的比例P鈦白粉/B=k1，主要通過涂料的遮蓋力及漆膜光澤的比擬，來確定鈦白粉的最正確用量。表1 在不同顏基比時(shí)白色聚氨酯面漆的配方表1 列出了4 種配方方案

6、，PVC 值可以按照公式1進(jìn)展近似的計(jì)算：顏料體積濃度PVC= 顏料及體質(zhì)顏料的真體積/成膜物質(zhì)的真體積+顏料及體質(zhì)顏料的真體積 1各組分的密度g/cm3：鈦白粉 4.24.3，樹脂1.03 ；根據(jù)70% 的羥基丙烯酸樹脂的密度為1.03 g/cm3，其稀釋溶劑二甲苯的密度為0.86 g/cm3，計(jì)算得到羥基丙烯酸樹脂的密度為1.13 g/cm3 。配方14 的PVC計(jì)算如下： PVC=35/4.2/35/4.2+70%50/1.13=21.2% ； PVC=30.2/4.2/30.2/4.2+70%54/1.13=17.7% ； PVC=24.4/4.2/24.4/4.2+70%58/1.1

7、3=13.9% ； PVC=17.4/4.2/17.4/4.2+70%62/1.13=9.7% ；配方14 以鈦白粉為唯一的著色顏料，無填料，對(duì)于公式1可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化推理：PVC=P鈦白粉/鈦白粉/B/基料+P鈦白粉/鈦白粉倒數(shù)形式，得到：1/PVC=1+鈦白粉/基料B/P鈦白粉 2設(shè)定y=1/PVC，即顏料體積濃度的倒數(shù)；*=B/P鈦白粉，即顏基比的倒數(shù)； 鈦白粉/ 基料=3.7，為常數(shù)；最終簡(jiǎn)化得到：y=3.7*+1，為一次線型函數(shù)，*=0，計(jì)算得到y(tǒng)=1 ；其代表的含義為樹脂的質(zhì)量為0，顏料為1，因此顏料的顏料體積濃度為1，進(jìn)一步證明這種推導(dǎo)是合理的。根據(jù)PVC 計(jì)算結(jié)果及一次線性函數(shù)取

8、點(diǎn)0，1、1，100/21.2、1/0.8，100/17.7、1/0.6，100/13.9及1/0.4，100/9.7作圖，見圖1。涂料化學(xué)一書中介紹，CPVC=1/1+OA/93.5，式中OA 為吸油量； 為顏料密度；93.5 是亞麻油的密度。試驗(yàn)測(cè)得金紅石型鈦白粉的吸油量為22 g/100 g ；由此計(jì)算白色聚氨酯面漆的CPVC ：CPVC=1/1+224.2/93.5=50.3%因此，當(dāng)PVC=CPVC=50.3% 時(shí)，根據(jù)一次線性函數(shù)關(guān)系可以逆向計(jì)算得到P=55.1，B=14.9，P/B=3.69。通過公式計(jì)算，所得數(shù)據(jù)進(jìn)一步證實(shí)PVC、CPVC 與P/B 相互關(guān)聯(lián)性密切。比擬可知：配

9、方14的PVCCPVC 值；選用HDI 為固化劑，配方14 所制備涂料的性能檢測(cè)結(jié)果如表2 所示。 2.3 填料的影響選用超細(xì)硫酸鋇為填料，容易研磨分散、吸油量低、節(jié)約本錢并起到骨架的作用。試驗(yàn)測(cè)得超細(xì)硫酸鋇的吸油量為12 g/100 g，此時(shí)，PVC 的計(jì)算公式如下：PVC=P鈦白粉/鈦白粉+P硫酸鋇/硫酸鋇/P鈦白粉/鈦白粉+P硫酸鋇/硫酸鋇+B/基料進(jìn)一步計(jì)算推理得到：1/PVC=1+ 硫酸鋇 鈦白粉/ 基料/P鈦白粉 硫酸鋇/B+P硫酸鋇鈦白粉/B設(shè)定P鈦白粉/B=k1，P硫酸鋇/B=k2，將 硫酸鋇=4.5，鈦白粉=4.2，基料=1.13 代入上式，可簡(jiǎn)化為：1/PVC=1+16.7

10、/ 4.5k1+4.2k2 3由表2 可知：從涂料的遮蓋力、光澤和本錢因素考慮，鈦白粉與基料的比例k1=0.60.8 較為適宜，下文選用k1=0.7，當(dāng)k2 增加時(shí)，總顏基比P/B 增加，PVC 的值隨之增大，顏填料的吸油量變大，漆膜的綜合性能也隨之改變。假定各配方的質(zhì)量固體分為70%，k1 和k2，可得兩個(gè)計(jì)算式，P+B=70，P/B= k1+k2 為數(shù)，即可計(jì)算出顏料、填料及樹脂的質(zhì)量份。表3 列出了k1=0.7，不同k2 值0，0.3，0.6，0.9下涂料的根本配方。表3 在不同顏基比時(shí)白色聚氨酯面漆的配方配方58 所制備涂料的各項(xiàng)性能測(cè)試結(jié)果如表4 所示。由表4 可知：當(dāng)固體分=70%

11、，k1=0.7 時(shí)，隨著k2 值的增大，填料的用量增加，涂料體系的總顏基比增加，樹脂用量減少，溶劑用量增加，導(dǎo)致涂料體系的黏度變小，由超出涂-4 杯測(cè)量*圍的220 s降低為70 s ；與此同時(shí)，由于填料用量增加，吸油量增大，漆膜的光澤由96 降低為91。為確保漆膜具有較高的光澤，可選用k2=0.30.6，配方體系中添加10.5%18.3% 的超細(xì)硫酸鋇，因超細(xì)硫酸鋇價(jià)格低廉，大大節(jié)約了涂料的本錢。2.4 催化劑的影響 二月桂酸二丁基錫是聚氨酯涂料常用的催化劑。由于HDI 固化劑與羥基反響力弱，一定量的催化劑可縮短漆膜的枯燥時(shí)間，實(shí)現(xiàn)快速固化，但是，催化劑用量過多，必然會(huì)導(dǎo)致涂料的混合使用期縮

12、短，不利于施工操作。與此同時(shí)，針對(duì)目前流水線涂裝工藝，一般采用烘烤枯燥方式，縮短工期，實(shí)現(xiàn)涂裝工件的快速搬運(yùn)。因此，考察催化劑的用量對(duì)漆膜室溫枯燥時(shí)間、烘烤枯燥時(shí)間及混合使用期的影響表5、6，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有十分重要的指導(dǎo)意義。表5 催化劑用量對(duì)漆膜枯燥性能的影響由表5、表6 可見：催化劑的用量為0.02% 時(shí)，可以大大加速漆膜的固化枯燥速率，在25，48 h 和80，20 min 的條件下，漆膜都可以完全交聯(lián)固化，硬度到達(dá)2H ；催化劑用量過大時(shí)，混合使用期大大縮短，催化劑用量為0.10% 時(shí)，混合使用期為45 min，不利于施工。因此，催化劑用量以0.02% 為宜。2.5 紫外線吸收劑對(duì)漆膜

13、耐候性的影響太陽(yáng)光照射到地面的光波*圍約在2903 000 nm之間，其中波長(zhǎng)為290400 nm 的紫外光約占5%，它所具有的能量為314419 kJ/mol，而大局部高分子聚合物的自動(dòng)氧化反響活化能約為42167 kJ/mol，各種化學(xué)鍵的離解能約為167418 kJ/mol，因此到達(dá)地面的紫外線能量足以破壞聚合物的化學(xué)鍵，引發(fā)自動(dòng)氧化反響造成老化降解。紫外線吸收劑是光穩(wěn)定劑的主體，能夠強(qiáng)烈地吸收紫外線并將其轉(zhuǎn)化為無害的熱能釋放出來，因此它可以大大減緩高分子聚合物的降解速率，從而延長(zhǎng)其使用壽命。二苯甲酮類是目前應(yīng)用最廣泛的一種紫外線吸收劑，其用量一般為基料樹脂的1%3%。本文考察了紫外線吸

14、收劑用量為1%大約為基料樹脂的3%時(shí)，添加紫外線吸收劑的漆膜PU101-additive 與未添加紫外線吸收劑的漆膜PU101 的QUV 耐老化性圖24。由圖2、圖3 可見：PU101 漆膜的原始光澤為94.5，經(jīng)過702 h 的QUV 試驗(yàn)后，失光率為16.9%，評(píng)級(jí)為2 級(jí)，漆膜輕微失光；光照時(shí)間延長(zhǎng)為1 000 h時(shí)，失光率到達(dá)61.9%，評(píng)級(jí)為4 級(jí)，漆膜嚴(yán)重失光。添加1% 的紫外線吸收劑后，漆膜的保光性大大改善，漆膜的原始光澤為94.5，1 000 h 的QUV 試驗(yàn)后，失光率為24.4%，評(píng)級(jí)為2 級(jí)，屬于輕微失光。由圖4 可見：PU101 漆膜隨光照時(shí)間的延長(zhǎng)，涂層的色差增大，1

15、 000 h 的QUV 試驗(yàn)后，色差為2.38，評(píng)級(jí)為1 級(jí)，屬于很輕微變色；添加紫外線吸收劑后，對(duì)涂層的保色性有一定程度的改善，光照各階段的色差值可降低0.10.4。3 結(jié)語(yǔ)1 以羥基丙烯酸樹脂為成膜物質(zhì)，鈦白粉和超細(xì)硫酸鋇為顏填料，配用適宜的助劑和溶劑，制備了高光澤、飽滿度好、耐候性優(yōu)異及低本錢的雙組分溶劑型白色聚氨酯涂料。2 考察了P鈦白粉/B顏基比對(duì)漆膜性能的影響，結(jié)果說明：隨著P鈦白粉/B 的增大，涂料的遮蓋力提高。選擇P鈦白粉/B=0.60.8 為宜。3 通過單一顏料涂料體系的PVC顏料體積濃度的計(jì)算，推導(dǎo)出PVC 的倒數(shù)與P/B 的倒數(shù)呈一次線性函數(shù)關(guān)系：y=3.7*+1。4 考察了