第十二章 涂料配方原理

第十二章涂料配方設(shè)計12.1概述涂料是一個多組分的配方產(chǎn)品。由于基材和使用環(huán)境不同，對涂膜的性能也提出種種不同的要求，涂料配方中各組分的用量及其相對比例又對涂料的施工性能(如流平性、干燥性等)和涂膜性能(如光澤、硬度等)產(chǎn)生極大的影響，對涂料必須進(jìn)行配方設(shè)計方能滿足各方面要求。涂料配方設(shè)計是指根據(jù)基材、涂裝目的、涂膜性能、使用環(huán)境、施工環(huán)境等條件進(jìn)行涂料各組分的選擇并確定相對比例，并在此基礎(chǔ)上提出合理的生產(chǎn)工藝、施工工藝。涂料配方設(shè)計需要考慮的因素包括：基材、目的、性能、施工環(huán)境、應(yīng)用環(huán)境、安全性、成本等。由于影響因素眾多，相互耦合，建立一個符合實際使用要求的涂料配方是一個復(fù)雜的課題，需要進(jìn)行大量的試驗才能得到符合使用要求的涂料配方。12.2涂料基本組成涂料一般由成膜物、顏（填）料、溶劑（或稀釋劑）和助劑組成。涂料施工后，隨著溶劑和稀釋劑的揮發(fā)，成膜物干燥成膜。成膜物可以單獨成膜，也可以粘結(jié)顏（填）料等物質(zhì)共同成膜，所以也稱粘結(jié)劑，它是涂料的基礎(chǔ)物質(zhì)，常稱為基料、漆料和漆基。

表12-1涂料的基本組成組成原料成膜物油料鯊魚肝油、帶魚油、牛油、油、豆油、蓖麻油等樹脂天然樹脂：蟲膠、松香、天然瀝青等合成樹脂：醇酸樹脂、氨基樹脂、丙烯酸樹脂、環(huán)氧樹脂、聚氨酯樹脂、有機硅樹脂、氟碳樹脂等顏料顏料無機顏料：鈦白、氧化鋅、鉻黃、鐵藍(lán)、鉻綠、氧化鐵紅、炭黑等有機顏料：甲苯胺紅、酞菁藍(lán)、耐曬黃等填料滑石粉、碳酸鈣、硫酸鋇、石英粉等助劑增塑劑、催化劑、穩(wěn)定劑、流平劑、消泡劑、乳化劑、分散劑、防結(jié)皮劑、引發(fā)劑等溶劑和稀釋劑石油溶劑、甲苯、二甲苯、醋酸丁酯、醋酸乙酯、丙酮、環(huán)己酮、丁醇、乙醇、鹵代烴等12.2.1成膜物質(zhì)（樹脂）隨著石油工業(yè)的發(fā)展，合成樹脂已經(jīng)取代油料和天然樹脂廣泛應(yīng)用于涂料工業(yè)。常用的合成樹脂包括環(huán)氧樹脂，聚氨酯樹脂，醇酸樹脂，丙烯酸樹脂，氨基樹脂、有機硅樹脂氟碳樹脂等，選擇涂料用樹脂主要基于樹脂的結(jié)構(gòu)和性能，還要考慮基材性質(zhì)、使用環(huán)境、施工環(huán)境、成本等因素。12.2.2溶劑溶劑是涂料配方中的一個重要組成部分，雖然不直接參與固化成膜，但它對涂膜的形成和最終性能起到非常關(guān)鍵的作用，它主要具有以下功能：（1）溶解聚合物樹脂；（2）調(diào)節(jié)涂料體系的流變性能，改善加工性能，使涂料便于涂裝；（3）改進(jìn)涂料的成膜性能，進(jìn)而影響涂料的附著力和外觀；（4）靜電噴涂時調(diào)整涂料的電阻，便于施工；（5）防止涂料和涂膜產(chǎn)生病態(tài)和缺陷，如橘皮、發(fā)花、浮色、起霧、抽縮等。溶劑的選擇一般需要考慮溶劑的溶解能力、揮發(fā)速度、粘度、表面張力、安全性、毒性及成本。1溶劑的蒸發(fā)速率溶劑的揮發(fā)性是在選擇溶劑時需考慮的一個重要因素，揮發(fā)速率過快，可使干燥時間縮短，但不利于涂料的流平且會導(dǎo)致起泡和桔皮等漆病，揮發(fā)速率過慢，則使干燥時間延長且易發(fā)生流掛。溶劑的蒸發(fā)速率不僅和沸點或蒸氣壓有關(guān)，還受到氫鍵、蒸發(fā)焓、表面張力、空氣流動性的影響。沸點不能完全反映其蒸發(fā)速率，例如正丁醇的沸點為118℃，乙酯丁酯的沸點為125℃，前者的沸點雖較低，但其蒸發(fā)速率要比后者低得多，這是由于氫鍵的原因。為此，用溶劑的相對蒸發(fā)速率來表征溶劑的揮發(fā)性，即測定定量溶劑的蒸發(fā)時間并與同樣條件下等量醋酸丁酯或者二乙基醚的蒸發(fā)時間相比較，以下式表示純?nèi)軇┑南鄬φ舭l(fā)速率：2常用溶劑及應(yīng)用常用溶劑按照沸點分為低沸點溶劑（沸點<100℃）、中沸點溶劑（沸點100-150℃）、高沸點溶劑（沸點>150℃）,按照化學(xué)組成分為烴類溶劑、醇類溶劑、酮類溶劑、酯類溶劑、醚類溶劑等。12.2.3顏料顏料是分散在涂料中從而賦予涂料某些性質(zhì)的粉體材料，包括顏色、遮蓋力、耐久性、力學(xué)強度、對金屬底材的防腐性、特殊功能如導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能等。按照其在涂料中的功能和作用分為著色顏料、體質(zhì)顏料、防腐顏料、功能顏料。色澤、著色力、遮蓋力、耐光性、耐侯性是顏料的基本特性，它們與顏料的結(jié)構(gòu)和組成有關(guān)，而顏料結(jié)晶形態(tài)、粒徑和外形對漆膜的光澤、顏料的潤濕分散性以及涂料貯存期間顏料的穩(wěn)定性有較大的影響，在涂料工業(yè)中，通常采用研磨或高速分散的方法使顏料均勻地分散在涂料體系中，并使其保持穩(wěn)定懸浮狀態(tài)或者沉降后容易被分散。（1）白色顏料涂料中使用的白色顏料主要包括二氧化鈦、立德粉、氧化鋅、鉛白、銻白等，其中鈦白粉應(yīng)用最為廣泛。（2）紅色顏料紅色顏料主要有氧化鐵紅、鉬鉻紅、鎘紅等。（3）黃色顏料主要的黃色顏料有鉻酸鉛、氧化鐵黃、鎘黃等。

（4）綠色顏料綠色顏料有鉛鉻綠、氧化鉻綠、鈷綠等。

（5）藍(lán)色顏料

鐵氰化鐵鉀又稱鐵藍(lán)，有較高的著色力，色堅牢度好，并有良好的耐酸性，但遮蓋力差。群青為天然產(chǎn)品，色堅牢度好，耐光、熱和堿，但可被酸分解，著色力和遮蓋力低．（6）黑色顏料

用量最大的黑色顏料是炭黑，其吸油量大，色純，且遮蓋力強，耐光，耐酸堿，但較難分散，此外還有氧化鐵黑(Fe3O4)，它們主要用做底漆和二道漆的著色劑。（7）有機顏料有機顏料的色澤鮮艷，著色力較強，但遮蓋力、耐高溫性、耐候性較差，常用的有機顏料有耐曬黃、聯(lián)苯胺黃、酞菁綠、酞菁藍(lán)、甲苯胺紅、大紅粉等．（8）防腐顏料防腐顏料用于保護(hù)金屬底材免受腐蝕，按照防腐蝕機理可分為物理防腐顏料、化學(xué)防腐顏料和電化學(xué)防腐顏料三類。物理防腐顏料具有化學(xué)惰性，通過屏蔽作用發(fā)揮防腐功能，如鐵系和片狀防腐顏料，化學(xué)防腐顏料具有化學(xué)活性，借助化學(xué)反應(yīng)發(fā)揮作用，如鉛系化合物、鉻酸鹽、磷酸鹽等，電化學(xué)防腐顏料通常是金屬顏料，具有比金屬還低的電位，起到陰極保護(hù)作用，如鋅粉。（9）填料填料亦稱體質(zhì)顏料，大多是白色或稍有顏色的粉體，不具備著色力和遮蓋力，但具有增加漆膜的厚度、調(diào)節(jié)流變性能、改善機械強度、提高漆膜的耐久性和降低成本等作用，主要是堿土金屬鹽類、硅酸鹽類和鋁鎂等輕金屬鹽類。碳酸鈣是涂料用的主要填料，包括重質(zhì)碳酸鈣(天然石灰石經(jīng)研磨而成）和輕質(zhì)碳酸鈣（人工合成）兩類，廣泛用于各類涂料?；凼且环N天然存在的層狀或纖維狀無機礦物．它能提高漆膜的柔韌性，降低其透水性，還可以消除涂料固化時的內(nèi)應(yīng)力。重晶石（天然硫酸鋇）和沉淀硫酸鋇穩(wěn)定性好，耐酸、堿，但密度高，主要用于調(diào)合漆、底漆和膩子。二氧化硅分為天然產(chǎn)品和合成產(chǎn)品兩類。天然二氧化硅又稱石英粉，可以提高涂膜的機械性能。合成二氧化硅按照生產(chǎn)工藝分為沉淀二氧化硅和氣相二氧化硅，氣相二氧化硅在涂料中起到增稠、觸變、防流掛等作用。瓷土(Al2O3·2SiO2·2H2O)，也稱高嶺土，·是天然存在的水合硅酸鋁．它具有消光作用，能做二道漆或面漆的消光劑，也適用于乳膠漆．云母是天然存在的硅鋁酸鹽，呈薄片狀，能降低漆膜的透氣、透水性，減少漆膜的開裂和粉化，多用于戶外涂料。12.2.4助劑助劑用量雖少，但對涂料的生產(chǎn)、儲存、施工、成膜過程及最終涂層的性能有很大影響，有時甚至可起關(guān)鍵作用，隨著涂料工業(yè)的發(fā)展，助劑的種類日趨繁多，應(yīng)用愈來愈廣，地位也日益重要．常用助劑包括顏料潤濕劑、分散劑、流平劑、消泡劑、催干劑、增塑劑、防霉劑、防紫外線劑、流變劑等。12.3成膜機理涂料只有在基材表面形成一層堅韌的薄膜后才能充分發(fā)揮其功能，一般來說，涂料首先是一種流動的液體，在涂布完成之后才逐漸從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，形成連續(xù)有附著力的薄膜，是一個玻璃化溫度不斷升高的過程。按照成膜過程中樹脂基料的結(jié)構(gòu)是否發(fā)生了變化，成膜機理可以分為物理成膜和化學(xué)成膜，轉(zhuǎn)變成膜主要通過溶劑揮發(fā)和分子鏈纏結(jié)成膜或者水的揮發(fā)乳膠粒凝聚成膜以及熱熔成膜，化學(xué)成膜主要通過樹脂基料發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)形成體型結(jié)構(gòu)成膜，如環(huán)氧基團(tuán)和氨基的反應(yīng)等。12.3.1溶劑揮發(fā)和熱熔成膜熱塑性高分子只在較高的分子量下才呈現(xiàn)出較好的物理和化學(xué)性能，但分子量高，玻璃化溫度和粘度隨之升高，必須用足夠的溶劑將體系的玻璃化溫度和粘度降低，使T-Tg的數(shù)值大到足夠使溶液可以流動和涂布，在涂布以后溶劑揮發(fā)，分子鏈緊密纏結(jié)形成固體薄膜。溶劑的揮發(fā)分為三個階段：階段Ⅰ：表面溶劑揮發(fā)；階段Ⅱ：內(nèi)部溶劑擴(kuò)散至表面揮發(fā)；階段Ⅲ：殘留溶劑擴(kuò)散揮發(fā)。12.3.2乳膠漆的成膜乳膠漆成膜過程大致分為三個階段：首先聚合物乳液中的水分揮發(fā)，當(dāng)乳膠顆粒占膠層的74%體積時，乳膠顆粒相互靠近而達(dá)到密集的充填狀態(tài)，水和水溶性物質(zhì)充滿在乳膠顆粒的空隙之間；隨著水分繼續(xù)揮發(fā)，聚合物顆粒表面吸附的保護(hù)層被破壞，間隙越來越小，直至形成毛細(xì)管，毛細(xì)管作用迫使乳膠顆粒變形，毛細(xì)管壓力高于聚合物顆粒的抗變形力，顆粒間產(chǎn)生壓力，隨著介質(zhì)揮發(fā)的增多，這個壓力也越大，乳膠顆粒逐漸變形融合，逐漸由球形變?yōu)樾狈叫问骟w，直至顆粒間的界面消失；最后，水分繼續(xù)揮發(fā)，直到壓力達(dá)到能使每個乳膠顆粒中的分子鏈擴(kuò)散到另一顆粒分子鏈中時，乳膠顆粒中的聚合物鏈段開始相互擴(kuò)散，逐漸形成連續(xù)均勻的乳膠涂膜。12.3.3反應(yīng)成膜反應(yīng)成膜是指可溶或可溶的低分子量的聚合物涂覆在基材表面以后，在加溫或其它條件下，分子間發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)而轉(zhuǎn)變?yōu)閳皂g的薄膜的過程，是熱固性涂料的共同成膜方式，其中如含干性油或者半干性油的不飽和聚酯涂料、醇酸樹脂涂料等通過氧氣發(fā)生氧化交聯(lián)反應(yīng)成膜，環(huán)氧樹脂與多元胺或者酸酐反應(yīng)交聯(lián)成膜，多異氰酸酯與含羥基低聚物如聚醚多元醇反應(yīng)生成聚氨酯成膜，有機硅樹脂通過烯氫加成反應(yīng)成膜，光固化涂料通過自由基或陽離子聚合成膜等。12.3.4成膜過程表征目前，紅外光譜、原子力顯微鏡、動態(tài)熱機械分析、差示掃描量熱分析、透射電鏡、掃描電子顯微鏡、小角度中子散射、直接無輻射能量轉(zhuǎn)移、動態(tài)二次離子質(zhì)譜、激光共聚焦熒光顯微技術(shù)等已經(jīng)廣泛用于成膜過程表征。透射電鏡可