聚氨酯涂料的配方设计及PVC计算

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，一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，用砂磨机分散至细度20 μm。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80~120 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20~25 s，空气喷涂制备漆膜。检测单一涂层的常规性能，膜厚为（25±5）μm，80℃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 μm）+ 聚氨酯面漆（5

0 μm）；干燥方式为50℃的条件下干燥48 h。

1.4 性能检测

依据HG/T 2454—2006《溶剂型聚氨酯涂料（双组分）Ⅱ型涂料》的相关检验标准检测常规性能；依据GB/T 23987—2009《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 1766—20 08《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 Type）：UVB-313，0.71 W/（m2·nm）@310 nm，试验循环为4 h 紫外线照射，（60±3）℃黑板温度，4 h 冷凝，（50±3）℃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、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（25℃格氏管）200~40 0 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0.4~1.0 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/ 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

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）：ρ钛白粉≈ 4.2~4.3，ρ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1~4 的PVC计算如下：

①PVC=（35/4.2）/（35/4.2+70%×50/1.13）=21.2% ；

②PVC=（30.2/4.2）/（30.2/4.2+70%×54/1.13）=17.7% ；

③PVC=（24.4/4.2）/（24.4/4.2+70%×58/1.13）=13.9% ；

④PVC=（17.4/4.2）/（17.4/4.2+70%×62/1.13）=9.7% ；

配方1~4 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/ρ钛白粉）/（B/ρ基料+P钛白粉/ρ钛白粉）

倒数形式，得到：

1/PVC=1+（ρ钛白粉/ρ基料）×（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；ρ 钛白粉/ρ 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。

《涂料化学》一书中介绍，CPVC=1/（1+OA×ρ/93.5），式中OA 为吸油量；ρ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+22×4.2/93.5）= 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。比较可知：配方1~4的PVC