聚氨酯涂料的配方设计及PVC计算

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1、聚氨酯涂料的配方设计及PVC计算时间:2014-02-09 16:49 来源:江阴大阪涂料有限公司 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、丰满度好、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，定程度上提高了溶剂型涂料的成本，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

2、业提升竞争力的一项重要课题。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、耐候性优异及低成本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 实验部分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-75PX，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 制漆工艺先将部分树脂、分散剂、颜填料和混合溶剂低速分散均匀后，用

3、砂磨机分散至细 度20 Um。然后补加剩余的树脂、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(255) pm, 80C。的条件下干燥2 h ； 型式检验项目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 pm)+ 聚氨酯面漆(50 pm)；干燥方式为50C的条件下干燥48 h。1.4 性能检测依据HG/T 24542006溶剂型聚氨酯涂料(双组分)

4、11型涂料的相关检验 标准检测常规性能；依据GB/T 239872009色漆和清漆涂层的人工气候老 化曝露曝露于荧光紫外线和水进行涂层的QUV检测；按照GB/T 1766200 8色漆和清漆 涂层老化的评级方法对涂层的耐老化性能进行评级,试验装置 为 QUV/Spray (Q-Lab Corporation.U.S.A)老化试验箱；光源类型(Lamp Typ e):UVB-313, 0.71 W/(m2nm) 310 nm,试验循环为4 h 紫外线照射，(6 03)C黑板温度，4 h冷凝，(503)C。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

5、、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、丰满度好、耐候性优异等诸多特点，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 AC10 1为成膜物质，其主要技术指标为：固体分70%，黏度（25C。格氏管）200400s, 20C密度1.03,羟基含量3.3%。因该树脂的高羟基含量，保证了涂料的高反应活性和漆膜的交联密度。2.2 颜基比的确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,选择最佳的颜基比。设定钛白粉与基料的比例 P 钛白粉

6、/B=k1，主要通过涂料的遮盖力及漆膜光泽的比较，来确定钛白粉的最佳用量。表 1 在不同颜基比时白色聚氨酯面漆的配方轻基丙烯醸树脂仃0%固体分）5054&062分散剂0.3030 303金红石型钛白粉3530.224.417.4流平剂0.30.30 30.3流变剂0.40.40 40.4混合溶剂OUP1041414.B16.619.6总计100100100100原材斜配方序号|删理MLtlnfw山QHICD 注：ki=1.0 :ki=0.8 ； ki=0.6 ；i=0.4:表1列出了 4种配方方案，PVC值可以按照公式（1）进行近似的计算：颜料体积浓度（PVC）=颜料及体质颜料的真体积/（成膜

7、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):p钛白粉匕4.24.3, p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%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% ； P

8、VC= (17.4/4.2) / (17.4/4.2+70%x62/1.13) =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/p钛白粉)/ (B/p基料+P钛白粉/p钛白粉)倒数形式,得到：1/PVC=1+ (p钛白粉/p基料)x (B/P钛白粉)(2)设定y=1/PVC,即颜料体积浓度的倒数；x=B/P钛白粉，即颜基比的倒数；p钛白粉/P基料=3.7，为常数；最终简化得到：y=3.7x+1，为一次线型函数，x=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

9、合理的。 根据 PVC 计算结果及一次线性函数取点(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。www.tlpfwAXjm0 1111LM X 1.0152,02圏1白色聚氨酯面漆17P匸与1/(P/Bi的一次画敎直线关系圈涂料化学一书中介绍，CPVC=1/ (l+OAxp/93.5)，式中OA为吸油量；P 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+22x4.2/93.5) =

10、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=3.69O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。比较可知：配方14的PVC 909b9B9&6遮盖力/ (gm 2)1100010011C140抗冲击H Jem5050505050附着力（划格问距1 mm级909&独5S391抗冲击性km50505050SO附着力（划格间距1 mm） F级W 10000抗弯曲性/mm21111铅笔碇度 H242H2H2H耐醸性（50 g/L的HjSO#166 llr31611,316 m316h,31

11、6 hr溶液）无异童无异背无异常无异常无异擔耐碱性（50 g/L的血0H16B 11,31611.316hf316h,316tlr溶液）无异童无异常无异擔无异空无异常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固化剂与羟基反应力 弱，一定量的催化剂可缩短漆膜的干燥时间，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，一般采用烘烤干燥方式，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干燥时间、烘烤干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

12、表 5 催化剂用量对漆膜干燥性能的影响表6催化剂用量对混合使用期的陽湖而忑鬲;Table 6 The influences of catalyst amount on the pot life准化剂用呈混合便用期(25)016h0.024.5 h0.052h0.1045 min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干燥速 率，在25C。，48 h和80C。，20 min的条件下，漆膜都可以完全交联固化，硬 度达到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。

13、2.5 紫外线吸收剂对漆膜耐候性的影响太阳光照射到地面的光波范围约在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,而大部分高分子聚 合物的自动氧化反应活化能约为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，引发自动氧化反应造成老化降解。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

14、脂的 1%3%。本文考察了紫外线吸收剂用量为 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）。时间,5215 40D 捍 02 &那 汕。I 006 时间山wwv.tlpfwoam1PJW1 ； 2PU101-additive图2漆膜的光泽随时间的变化曲线www.tlpfwxini1PU101 ；2PU101-additiveS3潦腫的失光率随QI丫时间的变化曲线2.5 t-2.() 10.511111110 2lS 4t)D 5I8 7(12 25 池U 1 UDO1PU101 ：2PU10

15、1 -additive图4漆膜的色差随0匸时间的变址曲线由图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， 失光率达到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，1 000 h的QUV试验后，色差为2.3&评级 为 1 级，属于很轻微变色；添加紫外线吸收

16、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，配用合适 的助剂和溶剂，制备了高光泽、丰满度好、耐候性优异及低成本的双组分溶剂型 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，结果表明：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=3.7x+1。（4）考察了催化剂用量对漆膜性能的影响，结果表明：催化剂用量为 0.02%时，可以大大加速漆膜的干燥速率，在25C。的条件下，48 h后漆膜实现完全交 联固化；在80C的条件下烘烤干燥20 min,漆膜完全交联固化；涂料的混合使 用期为 4.5 h。（5）考察了紫外线吸收剂对漆膜人工气候老化试验的影响，结果表明：添加 1% 的紫外线吸收剂后可以大大提高漆膜的保光性，漆膜经 1 000 h 的光照时间后，失光率由 61.9% 降至 24.4%，保色性也有一定的改善，光照各阶段的色差值降低 0.10.4