聚氨酯涂料的配方設(shè)計(jì)及PVC計(jì)算

聚氨酯涂料的配方設(shè)計(jì)及PVC計(jì)算1=時(shí)間:2014-02-0916:49來(lái)源:江陰大阪涂料有限公司作者:徐支有李一新陳雷0引言20世紀(jì)60年代以來(lái)，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、豐滿度好、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成本，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(wàn)家涂料企業(yè)提升競(jìng)爭(zhēng)力的一項(xiàng)重要課題。本文通過(guò)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)異及低成本的雙組分溶劑型聚氨酯涂料。通過(guò)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)部分1.1原材料羥基丙烯酸樹脂AC101,HDI（六亞甲基二異氤酸酯）固化劑22A-75PX，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制漆工藝先將部分樹脂、分散劑、顏填料和混合溶劑低速分散均勻后，用砂磨機(jī)分散全細(xì)度20pm。然后補(bǔ)加剩余的樹脂、流平劑、流變劑、催化劑和紫外線吸收劑，高速攪拌分散30min后，用溶劑調(diào)節(jié)黏度至涂-4杯80~120s，用120目紗布過(guò)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20~25s，空氣噴涂制備漆膜。檢測(cè)單一涂層的常規(guī)性能，膜厚為（25±5）pm，80°C的條件下干燥2h；型式檢驗(yàn)項(xiàng)目包括復(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（70pm）+聚氨酯面漆（50pm）；干燥方式為50C的條件下干燥48h。1.4性能檢測(cè)依據(jù)HG/T2454—2006《溶劑型聚氨酯涂料（雙組分）11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/T23987—2009《色漆和清漆涂層的人工氣候老化曝露曝露于熒光紫外線和水》進(jìn)行涂層的QUV檢測(cè)；按照GB/T1766—2008《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)行評(píng)級(jí)，試驗(yàn)裝置為QUV/Spray（Q-LabCorporation.U.S.A）老化試驗(yàn)箱；光源類型（LampType）：UVB-313,0.71W/（m2-nm）@310nm，試驗(yàn)循環(huán)為4h紫外線照射，（60±3）C黑板溫度，4h冷凝，（50±3）C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、豐滿度好、耐候性優(yōu)異等諸多特點(diǎn)，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°C格氏管）200~400s，20C密度1.03，羥基含量3.3%。因該樹脂的高羥基含量，保證了涂料的高反應(yīng)活性和漆膜的交聯(lián)密度。2.2顏基比的確立為了確保涂料優(yōu)異的遮蓋力及漆膜高光澤的特性，通過(guò)調(diào)節(jié)鈦白粉與基料的質(zhì)量比在0.4~1.0間變化，選擇最佳的顏基比。設(shè)定鈦白粉與基料的比例P鈦白粉/B=k1，主要通過(guò)涂料的遮蓋力及漆膜光澤的比較，來(lái)確定鈦白粉的最佳用量。表1在不同顏基比時(shí)白色聚氨酯面漆的配方原材料配方序號(hào)www.tlpfwxxim①②③④羥基丙烯酸樹脂（70%固體分）5。 545062分散劑0.3 030.30.3金紅石型欽白粉35 30.224.417.4流平劑0.3 030.30.3流變劑0.4 040.40.4混合溶劑OUPW414 14.816.619.6總計(jì)100 100100100注：'?、］/—ki=1.0；一kj=0.8:③一ki=0.6；~~i=0.4=表1列出了4種配方方案，PVC值可以按照公式（1）進(jìn)行近似的計(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）：p鈦白粉=4.2~4.3,p樹脂=1.03；根據(jù)70%的羥基丙烯酸樹脂的密度為1.03g/cm3，其稀釋溶劑二甲苯的密度為0.86g/cm3，計(jì)算得到羥基丙烯酸樹脂的密度為1.13g/cm3。配方1~4的PVC計(jì)算如下：PVC=（35/4.2）/（35/4.2+70%x50/1.13）=21.2%；PVC=（30.2/4.2）/（30.2/4.2+70%x54/1.13）=17.7%；PVC=（24.4/4.2）/（24.4/4.2+70%x58/1.13）=13.9%；PVC=（17.4/4.2）/（17.4/4.2+70%x62/1.13）=9.7%；配方1~4以鈦白粉為唯一的著色顏料，無(wú)填料，對(duì)于公式（1）可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化推理：PVC=（P鈦白粉/p鈦白粉）/（B/p基料+P鈦白粉/p鈦白粉）倒數(shù)形式，得到：1/PVC=1+（p鈦白粉/p基料）X（B/P鈦白粉）（2）

設(shè)定y=1/PVC，即顏料體積濃度的倒數(shù)；x=B/P鈦白粉，即顏基比的倒數(shù)；p鈦白粉/p基料=3.7，為常數(shù)；最終簡(jiǎn)化得到：y=3.7x+1,為一次線型函數(shù)，x=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。IZI- www.tlpfwxxim圖1白色聚氨酯面漆VPVC與1/（P/B）的一次函數(shù)直線關(guān)系圖《涂料化學(xué)》一書中介紹，CPVC=1/（1+OAxp/93.5），式中OA為吸油量;p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22g/100g；由此計(jì)算白色聚氨酯面漆的CPVC:CPVC=1/（1+22x4.2/93.5）=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(guò)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。比較可知：配方1~4的PVC<CPVC值；選用HDI為固化劑，配方1~4所制備涂料的性能檢測(cè)結(jié)果如表2所示。

表2配方的性能檢測(cè)結(jié)果Table2Thetestingresultsofpropertiesfortheformula1*^4*檢測(cè)項(xiàng)目性能指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果配方1配方2配方3配方4A組分黏度（涂-4杯）/s80-12010510195103細(xì)度/pm2020202020質(zhì)顯固體分以商定70686560.860°光洋>9096969696遮蓋力/(g-m2)11030100110140抗沖擊性/cm5050505050附著力（劃格間距1mm）!級(jí)<10000抗彎曲性Fnim21111鉛筆硬度>H2H2H2H2H耐酸性％。g/L的HzSG1&8H,316"316h,31611,316"溶液）無(wú)異常無(wú)異常無(wú)異常無(wú)異常無(wú)異常耐械性g/L的hkOH168H,316"316h,31611,316hf溶液）無(wú)異常無(wú)異常無(wú)異常無(wú)異常無(wú)異常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)約成本并起到骨架的作用。試驗(yàn)測(cè)得超細(xì)硫酸鋇的吸油量為12g/100g，此時(shí)，PVC的計(jì)算公式如下：PVC=（P鈦白粉/p鈦白粉+P硫酸鋇/p硫酸鋇）/（P鈦白粉/p鈦白粉+P硫酸鋇/p硫酸鋇+B/p基料）進(jìn)一步計(jì)算推理得到：1/PVC=1+（p硫酸鋇p鈦白粉/p基料）/（P鈦白粉p硫酸鋇/B+P硫酸鋇p鈦白粉/B）設(shè)定P鈦白粉/B=k1，P硫酸鋇/B=k2，將p硫酸鋇=4.5，p鈦白粉=4.2，p基料=1.13代入上式，可簡(jiǎn)化為：1/PVC=1+16.7（/4.5k1+4.2k2） （3）由表2可知：從涂料的遮蓋力、光澤和成本因素考慮，鈦白粉與基料的比例k1=0.6~0.8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%，已知k1和k2,可得兩個(gè)計(jì)算式，P+B=70，P/B=k1+k2為已知數(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）下涂料的基本配方。

表3在不同顏基比時(shí)白色聚氨酯面漆的配方原材料配方序號(hào)www.tlpfwxxim⑤⑥⑦⑧羥基丙烯酸樹脂（70%固體分）4新金紅石型鈦白粉28.824.521.218.8超細(xì)硫酸鈕010.518.324.2分散劑0.50.50,50.5流平劑0.3流受劑0/0.B0.80.8混合溶劑OUP10411.213.415.516.9總計(jì)100100100100注：⑤—i=0.7fk日二0:⑥一ki=0.7fkw=0.3:⑦一ki=0.7jk?=0.6；■:—ki=0.7rk?=0.9ft配方5~8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%,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)量范圍的220s降低為70s；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=0.3~0.6,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)約了涂料的成本。表4配方5-8的性能測(cè)試結(jié)果Table4Thetestingresultsofpropertiesfortheformula檢測(cè)項(xiàng)目性能檢M結(jié)果指標(biāo)配方5配方6配方7配方8A組分黏度（涂-4杯）內(nèi)B0-12022Q14&9170細(xì)度仙112020202020質(zhì)蒐固體分隗商定7070707060°光洋>909694,5C91抗沖擊性Jem5050505050附著力（劃格間距1mm）/級(jí)G0000抗彎曲性Anm21111鉛筆硬度>H2H2H2H2H耐酸性（50g/L的H皿168hr316h,31611,31611,316虬溶液）無(wú)異常無(wú)異常無(wú)異常無(wú)異常無(wú)異常耐堿性（50g/L的NaOH16BI】，316hF316hv31611,316虬溶液）無(wú)導(dǎo)常無(wú)異常無(wú)異常無(wú)異常無(wú)異常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固化劑與羥基反應(yīng)力弱，一定量的催化劑可縮短漆膜的干燥時(shí)間，實(shí)現(xiàn)快速固化，但是，催化劑用量過(guò)多，必然會(huì)導(dǎo)致涂料的混合使用期縮短，不利于施工操作。與此同時(shí)，針對(duì)目前流水線涂裝工藝，一般采用烘烤干燥方式，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)漆膜室溫干燥時(shí)間、烘烤干燥時(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)漆膜干燥性能的影響鉛筆硬度www.tlpfw￡0m干燥條件 未加催化劑0.02%催化劑0.05%催化劑0.10%催化劑25也18hBHBH2H2g24hHBHH2H25°Cf30hHBH2H2H42hHH2H2H25筆,48hH2H2H2HWmin4BHBHB2H20minHB2H2H2H80°C,30minH2H2H2H0O°Cf40min2H2H2H2H表6催化劑用量對(duì)混合使用期的Table6Theinfluencesofcatalystamount(thepotlife催化劑用量混合使用期（25^）016h0.024.5h0.050.100.050.1045min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干燥速率，在25°C,48h和80°C,20min的條件下，漆膜都可以完全交聯(lián)固化，硬度達(dá)到2H；催化劑用量過(guò)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45min，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)漆膜耐候性的影響太陽(yáng)光照射到地面的光波范圍約在290~3000nm之間，其中波長(zhǎng)為290~400nm的紫外光約占5%，它所具有的能量為314~419kJ/mol，而大部分高分子聚合物的自動(dòng)氧化反應(yīng)活化能約為42~167kJ/mol，各種化學(xué)鍵的離解能約為167~418kJ/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)氧化反應(yīng)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(wú)害的熱能釋放出來(lái)，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2~4）。

1—PU101；2—PU101-additive圖2漆膜的光澤隨QUV時(shí)間的變化曲線I- e wwwJzIpfwqoni0 -L II I II021540051*702825900I000時(shí)間，七1—PU101：2—PU101-additive圖3漆膜的失光率隨QUV時(shí)間的變化曲線U.5 1 1 1 1 1 1 1 102]54CD5IS7(}2發(fā)25900I000酎間/h1—PU101；2—PU101-additive圖4漆膜的色差隨QUV時(shí)間的變化曲線由圖2、圖3可見：PU101漆膜的原始光澤為94.5°,經(jīng)過(guò)702h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1000h時(shí)，失光率達(dá)到61.9%，