几种常用涂料配方设计介绍

几种常用涂料配方设计介绍

裴秀君，张卢青，张书香，王仁振
(济南大学化学化工学院，济南250022)

0 引言
涂料是一种多组分的体系，是一种配方产品，不能够单独作为材料使用，必须涂于基材表面或者是与被涂物件一起使用，并且要根据底材的种类、使用的环境及使用目的等很多因素而对涂料提出不同的要求，而涂料的诸多性能都是由涂料的配方决定的，配方中不同的组分及不同含量都会对涂料的性能产生很大影响，这就需要我们来对涂料的配方设计进行研究，研究不同组分及不同含量在涂料配方中的作用效果。涂料的用途多种多样，如保护、装饰及标志等作用，而这些作用主要依据涂料的配方展示出来，对于涂料配方的设计也有一定的原则，也需要考虑很多的因素，主要包括：
1)涂料的性能要求。如光泽、颜色；各种耐性；机械性能；使用环境及其他特殊功能等；
2)颜填料。需要考虑颜填料的遮盖力、着色力、密度、吸油量、表面极性、细度、耐候性、耐光性及有害元素含量等；
3)溶剂。考虑对树脂的溶解能力、溶解参数、相对挥发速率、沸点、毒性等；
4)助剂。考虑与体系的相容性、互相之间的配伍性和毒性；
5)底材特性。不同底材的特性考虑因素不同，钢铁、木材、塑料、混凝土等；底材的表面张力，表面处理；
6)原料成本。满足客户对产品价格的要求；
7)配方参数。即涂料中各组分的比例，如颜基比、固体分、黏度等；
8)施工方法。对配方设计的影响。如喷涂、辊涂、uV固化、刷涂、电泳及施工现场环境条件。

1. 环氧涂料及其配方设计
环氧涂料是指以环氧树脂为主要成膜物质制备的涂料，其固化方式主要是以化学反应方式成膜的，涂料中的环氧树脂及其改性聚合物可通过自动氧化聚合、自由基引发聚合、能量引发聚合(辐射固化)、缩聚固化、氢转移聚合和催化聚合6种化学反应方式进行交联固化成膜。环氧涂料配方设计在同系涂料中采用2种或2种以上固化机理替代单一的固化机理，很好地设计出性能优异的环氧涂料品种，成膜方式的多样化为环氧涂料的品种的创新及涂料性能预测的深入研究奠定了一定的基础，目前，设计者正在研究不同固化反应机理的协同融合条件，不断提高成膜效率和涂膜品质，用固化成膜机理来对环氧涂料的配方进行设计，展示出配方设计的概括陛、理论指导性及实践的可操作性 。
1．1 环氧涂料配方设计的内容
1．I．1 创新
即是改进和提升现有产品性能，就是要在原有产品的基础上，在不改变原有产品良好性能的基础上对配方进行适当的改善，以得到性能更加优异的品种，同时还要避免与同质产品的竞争。
1．I．2 开发适应性的配方涂料新品种
随着现代企业对涂料要求的提高，不同的应用领域及不同的保护部位都要采用不同的涂料品种，这就要求我们不断地开发新产品，以满足不同的需求，实行配套使用。
I．1．3 开发具有自主知识产权的涂料
涂料性能的突破是以创新为基础的，这就需要研发新的成膜物、颜填料及助剂，从而创造出新的具有自主知识产权的新品种涂料。
1．1．4 底材及其表面处理
对于涂料性能来说，最基本的是看涂料成膜后与底材的附着力，而这种性能不仅仅与涂料本身的性能有关，而且与底材也有很大的关系，即使是同一种底材，通过一定处理后，也会很大地提升涂料的某些性能，主要表现为附着能力的改善。
1．1．5 涂料的使用环境
对于涂料的选择而言，使用环境是至关重要的，对于不同的使用环境，涂料的性能会有很大的不同，所以在选择涂料之前，一定要考虑涂料使用的环境，是室内还是室外，是干燥的环境还是潮湿的环境，是在腐蚀环境下使用还是在一般大气中使用等，这些因素一定要一一考虑清楚再做选择。
对配方设计的选择不仅只考虑上述因素，还要考虑很多参数，如湿度包括干燥、潮湿、浸水等；接触化学药品，如酸、碱、溶剂、盐雾等；还有辐射、生物污染等。
1．2 环氧涂料配方设计
涂料的配方设计有很多种方法，目前我们应用较多的方法主要有如下几种。
1．2．1 分步法
分步法是传统的配方设计方法，也是目前使用最多的方法，主要是按照基料、固化剂、活性稀释剂、溶剂、颜填料及助剂的先后顺序对各个组分进行筛选，确定各组分后，再进行试验验证，并由实验室确定最终配方及工艺，进行中试生产，经过使用后符合要求，最终投入成批生产。此法是比较成熟的设计配方的方法，大多数的涂料配方都是通过此法设计生产的。
1．2．2 拳比法
参比法又称对比法，主要是用于对涂料配方的改进，通过与原产品的对比，制备出性能更加优异的品种，对配方的改进其实是一个创新的过程，需要设计者运用创新的思维及技术对配方进行创新。
1-2_3 逆向法
逆向法也是应用较多的一种配方设计的方法，此法主要是直接针对涂料的使用性能要求，来对配方进行设计，所以又称倒置法，此法并不对涂料组分进行选择试验，而是利用理论知识及技术经验对涂料性能要求进行分析，然后确定出基础配方，然后再对其进行性能检测，根据检测结果再对配方进行优化，最终确定配方。此法可以大量缩短配方设计的时间，提高效率。
1．2．4 经验法
类似于逆向法，是根据涂装要求和使用要求，利用经验给出配方设计的基本路线、试验方案和基本组成，再根据出现的问题进行分析，一一调整配方内容，最终确定配方，得到满意的涂料使用效果。设计者利用这些方法制备出了很多种环氧涂料，郭超群等【3I就是利用分步法对无溶剂的环氧涂料进行配方设计，按照环氧树脂类型、固化剂、活性稀释剂、颜填料的顺序对配方的各个组分进行选择，确定最佳配方，同时探讨了所使用的腰果酚改性胺为固化剂的固化机理并考察了硅烷偶联剂对涂膜性能的影响；王菁等利用对比优选法就涂料的耐磨性进行配方设计，影响耐磨性的主要因素是耐磨填料、固化剂种类及固化程度，对各个成分进行分析选择，最终确定了耐磨涂料的最优配方；汪明球等 制备了一种有机硅改性环氧树脂双组分耐磨涂料，并利用响应曲面法优化了涂料的配方，达到最优效果；吴永志等l6利用传统的分步法对配方进行设计，主要从酚醛环氧树脂的选择、固化剂的选择、颜填料的选择以及助剂、溶剂的选择上做了优化配套，设计出可常温固化、性能优良的耐温防腐涂料配方；任旭 利用传统分步法对环氧自流平地坪涂料的配方进行设计，并介绍了涂料的施_[工艺，同时对施工中出现的问题进行了分析解决；吴礼龙等【 采用环氧树脂乳液和固化剂为水性环氧涂料的主要成膜物质，考察了环氧值与胺氢值的物质的量比、涂料固含量、消泡剂用量及固化时间对涂膜性能的影响，最终得到最优配方；刘成楼等[91以液体环氧树脂为基料树脂，以水性胺为固化剂，以聚磷酸铵、三聚氰胺、季戊四醇、氯化石蜡为膨胀阻燃体系，以纳米TiO 、可膨胀石墨为增效剂，以复合铁钛粉为防锈颜料，制备了钢结构用超薄型防火防腐涂料。
由此可见，环氧涂料的配方设计还是以传统的分步法为主，虽然不能说传统的方法不好，但是毕竟存在缺点，现在已经产生了很多新的配方设计方法，如计算机法，此法可以节省大量的时间，而且能够对涂料的生产流程进行控制，通过计算机对涂料进行配色更加高效，这些优势是传统方法所没有的，所以设计者要创新，就要善于学习应用最新的配方设计方法，从而研发新品种涂料。
2 聚氨酯涂料及其配方
聚氨酯涂料是指以聚氨酯树脂为主要成膜物质，再配以颜填料、溶剂、助剂等辅助材料制备的涂料，聚氨酯涂料具有较高的强度、较强的耐磨性、优良的附着力、良好的耐油性、耐酸碱性、耐水性及耐化学药品性等优良性能，此外，节省能源是聚氨酯涂料的突出特点。聚氨酯涂料的这些优良性能和它的结构是密切相关的，聚氨酯树脂的大分子中含有大量的氨酯键，能够在大分子之间形成氢键，而由于氢键的存在，使得分子之间的内聚力增大，提高了聚氨酯的抗撕裂强度，也就使得聚氨酯涂料的涂膜具有很高的机械耐磨性和韧性；聚氨酯树脂可以和很多品种的树脂混溶，这样就使得涂膜的韧性可以根据需要进行调节；聚氨酯的成膜温度可高可低，施工节能；还可以制成各种状态的涂料，如水性、溶剂型、粉末及灌装涂料等。
基于聚氨酯涂料的优良性能，对其研究也颇受关注，但是由于聚氨酯涂料所用的树脂是聚氨酯树脂，其具有氨味，危害健康、污染环境，如果制备溶剂型聚氨酯涂料，所使用的溶剂也是易挥发、气味大的溶剂，同样危害人体健康、污染大气，这就要求制备无污染的聚氨酯涂料，目前人们主要制备的有粉末型的及水性的聚氨酯涂料，沈剑平等 研发出了高性能的水性聚氨酯风电叶片涂料，着重阐述涂料成膜物的选择及配方设计的要点；张华东介绍了聚氨酯粉末涂料的特性及组成、配方设计机理，以及目前重点研究的几种类型，再与其他的耐候型粉末涂料做了简单的比较；吴蓁等 进行了高铁用高强度无溶剂聚氨酯防水涂料的配方设计，同时对其制备工艺和性能进行了研究；龚有林等l13 介绍了一种优选法的涂料配方设计方法，优选法包括0．618法和分数法，研究者通过对其进行改进创新和原理证明，将此法应用于生产涂料配方设计中。

3 丙烯酸树脂涂料及其配方
丙烯酸树脂涂料是指以丙烯酸树脂为主要成膜物质而制备的涂料，丙烯酸树脂和涂料应用十分广泛，因此在设计配方的时候首先要考虑树脂的应用对象，配方的设计程序如下：
1)确定树脂的类型，热塑性、热固性还是双组分型；
2)确定树脂用来制备何种涂料；
3)确定树脂的合成方法；
4)确定设计的树脂和涂料要达到的使用要求及施工工艺；
5)根据涂料产品的性能来选择单体；
6)对选择的单体反应能力进行分析，选择易于聚合的单体进行反应；
7)确定聚合反应的工艺条件；
8)模拟单体配比，进行树脂的合成；
9)根据单体配比合成的结果，对单体配方进行调整试验；
10)确定树脂合成的工艺规程，包括聚合方法、树脂配方、聚合工艺、树脂的质量指标等，通过分析计算和大量的试验进行验证。
基于丙烯酸树脂的独特品质，赋予了丙烯酸涂料具有很多优良的性能，主要有：
1)具有优良的色泽，可制成透明度极好的水白色清漆和纯白磁漆；
2)耐光耐候性好，耐紫外照射不分解或变黄；
3)保光、保色、能够长期保持原有色泽；
4)耐热性好；
5)可耐一般的酸碱，醇和油脂等；
6)可制成中性涂料，可调入铜粉、铝粉等，使其具有金银一样的靓丽色泽，不会变暗；
7)长期贮存不变质。
由于丙烯酸涂料的这些优良的性能，已经应用于很多领域，如汽车装饰、家电、金属、卷材、机械仪表、建筑等诸多领域，而对于丙烯酸涂料的配方设计，主要的影响因素就是树脂的合成，树脂的不同合成方法及其合成条件都会很大程度影响涂料的性能，所以在制备丙烯酸涂料的时候，一定要注意树脂的合成条件。目前的丙烯酸树脂涂料主要朝改性方向发展，以制备出性能更加优良的品种，陈金身等采用半连续乳液聚合工艺，以丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸为聚合反应的单体，加入乳化剂十二烷基硫酸钠、引发剂过硫酸铵进行丙烯酸酯树脂的制备，然后进
行改进配方的设计，制出性能优异的产品；郭虹等 利用有机硅对丙烯酸类树脂进行化学改性，得到改性后的丙烯酸树脂，然后加入实验室自制的醌类防污剂和各种颜料制成低表面能防污涂料，并对其进行涂料漆膜常规性能检测，试制备基料和防污涂料的各项性能指标的检测试验证明，基料符合国标要求，用其合成的涂料具有较好的防污性能；李娜等 介绍了一种氟硅改性丙烯酸树脂和涂料的合成方法，此法工艺简单，成本较低，经测试，各项性能都非常优异，是一种高耐候性的钢结构重防腐涂料；杨保平 以具有抗菌性的功能单体丙烯酰氧乙基二甲基乙基溴化铵与甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸丁酯及丙烯酸丁酯自由基聚合，合成了丙烯酸树脂，并以此树脂配制涂料，并进行抗菌性检测，结果表明在合成树脂过程中功能单体的用量为8％，涂膜对金黄色葡萄球菌大肠杆菌绿脓杆菌及黑曲霉的抗菌率均达到99％。丙烯酸涂料的品种正在逐渐增加，对应其应用的范同也在不断拓宽，由于丙烯酸涂料的研发主要是基于树脂的创新，所以需要不断研发新的改性丙烯酸树脂，然后将其应用到涂料设计中，改变树脂的同时结合其他填料及助剂的改变来制备新的丙烯酸涂料，以满足不同使用条件的要求。

4 结语
涂料的配方设计不仅仅是各种组分的混合，还需要考虑很多的因素，而对于不同的涂料影响的因素也是不同的，设计者需要对于涂料的品种，涂料的使用环境及使用要求等诸多因素进行全面的考虑研究，制备性能优良的涂料品种，满足客户对其性能及施工要求。同时涂料的创新主要是基于所用基料(即树脂)的创新，需要不断研发新的改性树脂产品，用以制备出新的涂料品种。总之，涂料的配方设计也是一门学问，需要设计者不断地研究创新，以制备出符合时代发展的新品种。