聚氨酯涂料的配方设计及PVC计算

1、-. z.聚氨酯涂料的配方设计及PVC计算时间:2014-02-09 16:49来源:江阴大阪涂料* 作者:徐支有 李一新 陈雷0 引言20 世纪60 年代以来，溶剂型聚氨酯涂料在我国工业防腐领域一直发挥着举足轻重的作用，它具有光泽高、饱满度好、优异的保光保色性、耐候性佳，以及优良的耐磨性、耐酸碱性、耐水性、耐化学品性等优点，广泛应用于家电、汽车、飞机、工程机械、港口机械、化工设备、管道、电厂、钢构件和海洋石油平台等领域。受2008 年金融危机和目前中东石油危机的影响，原油的价格一路飙升，一定程度上提高了溶剂型涂料的本钱，如何开发出高性价比的聚氨酯PU涂料，也成为全国上万家涂料企业提升竞争力的

2、一项重要课题。本文通过考察颜基比P/B、填料、催化剂及紫外线吸收剂等因素对漆膜性能的影响，制备了高光泽、耐候性优异及低本钱的双组分溶剂型聚氨酯涂料。通过单一颜料涂料体系的颜料体积浓度PVC的计算，推导出PVC 的倒数与P/B 的倒数呈一次线性函数关系。1 实验局部1.1 原材料羟基丙烯酸树脂AC101，HDI六亚甲基二异氰酸酯固化剂22A-75P*，金红石型钛白粉R996，超细硫酸钡，流变剂，分散剂，催化剂T-12，紫外线吸收剂，流平剂，二甲苯，醋酸丁酯，PMA丙二醇甲醚醋酸酯。1.2 制漆工艺先将局部树脂、分散剂、颜填料和混合溶剂低速分散均匀后，用砂磨机分散至细度20 m。然后补加剩余的树脂

3、、流平剂、流变剂、催化剂和紫外线吸收剂，高速搅拌分散30 min 后，用溶剂调节黏度至涂-4 杯80120 s，用120 目纱布过滤，出料。1.3 漆膜的制备按配比混合甲乙组分，用稀释剂调节黏度至涂-4 杯2025 s，空气喷涂制备漆膜。检测单一涂层的常规性能，膜厚为255m，80的条件下枯燥2 h ；型式检验工程包括复合涂层的耐酸性和耐碱性。本文选用的配套涂料体系为环氧磷酸锌底漆70 m+ 聚氨酯面漆50 m；枯燥方式为50的条件下枯燥48 h。1.4 性能检测依据HG/T 24542006溶剂型聚氨酯涂料双组分型涂料的相关检验标准检测常规性能；依据GB/T 239872009色漆和清漆 涂

4、层的人工气候老化曝露 曝露于荧光紫外线和水进展涂层的QUV 检测；按照GB/T 17662008色漆和清漆 涂层老化的评级方法对涂层的耐老化性能进展评级，试验装置为QUV/SprayQ-Lab Corporation.U.S.A老化试验箱；光源类型Lamp Type：UVB-313，0.71 W/m2nm310 nm，试验循环为4 h 紫外线照射，603黑板温度，4 h 冷凝，503黑板温度。2 结果与讨论2.1 成膜物质的选择作为双组分聚氨酯涂料用的羟基树脂主要包括聚酯、丙烯酸树脂、聚醚、环氧树脂、蓖麻油或其加工产品等。聚酯树脂虽然具备耐热性佳、漆膜富有柔韧性、饱满度好、耐候性优异等诸多特点

5、，但是，其干性和硬度逊色于丙烯酸树脂，而环氧树脂和聚醚树脂在光照条件下易粉化。因此，本文选用羟基丙烯酸树脂AC101 为成膜物质，其主要技术指标为：固体分70%，黏度25格氏管200400 s，20密度1.03，羟基含量3.3%。因该树脂的高羟基含量，保证了涂料的高反响活性和漆膜的交联密度。2.2 颜基比确实立为了确保涂料优异的遮盖力及漆膜高光泽的特性，通过调节钛白粉与基料的质量比在0.41.0 间变化，选择最正确的颜基比。设定钛白粉与基料的比例P钛白粉/B=k1，主要通过涂料的遮盖力及漆膜光泽的比拟，来确定钛白粉的最正确用量。表1 在不同颜基比时白色聚氨酯面漆的配方表1 列出了4 种配方方案

6、，PVC 值可以按照公式1进展近似的计算：颜料体积浓度PVC= 颜料及体质颜料的真体积/成膜物质的真体积+颜料及体质颜料的真体积 1各组分的密度g/cm3：钛白粉 4.24.3，树脂1.03 ；根据70% 的羟基丙烯酸树脂的密度为1.03 g/cm3，其稀释溶剂二甲苯的密度为0.86 g/cm3，计算得到羟基丙烯酸树脂的密度为1.13 g/cm3 。配方14 的PVC计算如下： 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 以钛白粉为唯一的着色颜料，无填料，对于公式1可以进一步简化推理：PVC=P钛白粉/钛白粉/B/基料+P钛白粉/钛白粉倒数形式，得到：1/PVC=1+钛白粉/基料B/P钛白粉 2设定y=1/PVC，即颜料体积浓度的倒数；*=B/P钛白粉，即颜基比的倒数； 钛白粉/ 基料=3.7，为常数；最终简化得到：y=3.7*+1，为一次线型函数，*=0，计算得到y=1 ；其代表的含义为树脂的质量为0，颜料为1，因此颜料的颜料体积浓度为1，进一步证明这种推导是合理的。根据PVC 计算结果及一次线性函数取

8、点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作图，见图1。涂料化学一书中介绍，CPVC=1/1+OA/93.5，式中OA 为吸油量； 为颜料密度；93.5 是亚麻油的密度。试验测得金红石型钛白粉的吸油量为22 g/100 g ；由此计算白色聚氨酯面漆的CPVC ：CPVC=1/1+224.2/93.5=50.3%因此，当PVC=CPVC=50.3% 时，根据一次线性函数关系可以逆向计算得到P=55.1，B=14.9，P/B=3.69。通过公式计算，所得数据进一步证实PVC、CPVC 与P/B 相互关联性密切。比拟可知：配

9、方14的PVCCPVC 值；选用HDI 为固化剂，配方14 所制备涂料的性能检测结果如表2 所示。 2.3 填料的影响选用超细硫酸钡为填料，容易研磨分散、吸油量低、节约本钱并起到骨架的作用。试验测得超细硫酸钡的吸油量为12 g/100 g，此时，PVC 的计算公式如下：PVC=P钛白粉/钛白粉+P硫酸钡/硫酸钡/P钛白粉/钛白粉+P硫酸钡/硫酸钡+B/基料进一步计算推理得到：1/PVC=1+ 硫酸钡 钛白粉/ 基料/P钛白粉 硫酸钡/B+P硫酸钡钛白粉/B设定P钛白粉/B=k1，P硫酸钡/B=k2，将 硫酸钡=4.5，钛白粉=4.2，基料=1.13 代入上式，可简化为：1/PVC=1+16.7

10、/ 4.5k1+4.2k2 3由表2 可知：从涂料的遮盖力、光泽和本钱因素考虑，钛白粉与基料的比例k1=0.60.8 较为适宜，下文选用k1=0.7，当k2 增加时，总颜基比P/B 增加，PVC 的值随之增大，颜填料的吸油量变大，漆膜的综合性能也随之改变。假定各配方的质量固体分为70%，k1 和k2，可得两个计算式，P+B=70，P/B= k1+k2 为数，即可计算出颜料、填料及树脂的质量份。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 在不同颜基比时白色聚氨酯面漆的配方配方58 所制备涂料的各项性能测试结果如表4 所示。由表4 可知：当固体分=70%

11、，k1=0.7 时，随着k2 值的增大，填料的用量增加，涂料体系的总颜基比增加，树脂用量减少，溶剂用量增加，导致涂料体系的黏度变小，由超出涂-4 杯测量*围的220 s降低为70 s ；与此同时，由于填料用量增加，吸油量增大，漆膜的光泽由96 降低为91。为确保漆膜具有较高的光泽，可选用k2=0.30.6，配方体系中添加10.5%18.3% 的超细硫酸钡，因超细硫酸钡价格低廉，大大节约了涂料的本钱。2.4 催化剂的影响 二月桂酸二丁基锡是聚氨酯涂料常用的催化剂。由于HDI 固化剂与羟基反响力弱，一定量的催化剂可缩短漆膜的枯燥时间，实现快速固化，但是，催化剂用量过多，必然会导致涂料的混合使用期缩

12、短，不利于施工操作。与此同时，针对目前流水线涂装工艺，一般采用烘烤枯燥方式，缩短工期，实现涂装工件的快速搬运。因此，考察催化剂的用量对漆膜室温枯燥时间、烘烤枯燥时间及混合使用期的影响表5、6，对实际生产具有十分重要的指导意义。表5 催化剂用量对漆膜枯燥性能的影响由表5、表6 可见：催化剂的用量为0.02% 时，可以大大加速漆膜的固化枯燥速率，在25，48 h 和80，20 min 的条件下，漆膜都可以完全交联固化，硬度到达2H ；催化剂用量过大时，混合使用期大大缩短，催化剂用量为0.10% 时，混合使用期为45 min，不利于施工。因此，催化剂用量以0.02% 为宜。2.5 紫外线吸收剂对漆膜

13、耐候性的影响太阳光照射到地面的光波*围约在2903 000 nm之间，其中波长为290400 nm 的紫外光约占5%，它所具有的能量为314419 kJ/mol，而大局部高分子聚合物的自动氧化反响活化能约为42167 kJ/mol，各种化学键的离解能约为167418 kJ/mol，因此到达地面的紫外线能量足以破坏聚合物的化学键，引发自动氧化反响造成老化降解。紫外线吸收剂是光稳定剂的主体，能够强烈地吸收紫外线并将其转化为无害的热能释放出来，因此它可以大大减缓高分子聚合物的降解速率，从而延长其使用寿命。二苯甲酮类是目前应用最广泛的一种紫外线吸收剂，其用量一般为基料树脂的1%3%。本文考察了紫外线吸

14、收剂用量为1%大约为基料树脂的3%时，添加紫外线吸收剂的漆膜PU101-additive 与未添加紫外线吸收剂的漆膜PU101 的QUV 耐老化性图24。由图2、图3 可见：PU101 漆膜的原始光泽为94.5，经过702 h 的QUV 试验后，失光率为16.9%，评级为2 级，漆膜轻微失光；光照时间延长为1 000 h时，失光率到达61.9%，评级为4 级，漆膜严重失光。添加1% 的紫外线吸收剂后，漆膜的保光性大大改善，漆膜的原始光泽为94.5，1 000 h 的QUV 试验后，失光率为24.4%，评级为2 级，属于轻微失光。由图4 可见：PU101 漆膜随光照时间的延长，涂层的色差增大，1

15、 000 h 的QUV 试验后，色差为2.38，评级为1 级，属于很轻微变色；添加紫外线吸收剂后，对涂层的保色性有一定程度的改善，光照各阶段的色差值可降低0.10.4。3 结语1 以羟基丙烯酸树脂为成膜物质，钛白粉和超细硫酸钡为颜填料，配用适宜的助剂和溶剂，制备了高光泽、饱满度好、耐候性优异及低本钱的双组分溶剂型白色聚氨酯涂料。2 考察了P钛白粉/B颜基比对漆膜性能的影响，结果说明：随着P钛白粉/B 的增大，涂料的遮盖力提高。选择P钛白粉/B=0.60.8 为宜。3 通过单一颜料涂料体系的PVC颜料体积浓度的计算，推导出PVC 的倒数与P/B 的倒数呈一次线性函数关系：y=3.7*+1。4 考察了