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水性涂料的配方设计及其应用

水性涂料的配方设计及其应用华南理工大学化学与化工学院张心亚二O二O年五月1三分树脂,七分配漆一、水性涂料的配方设计2水性涂料的配方体系•水性涂料,以水为分散介质和稀释剂的涂料。

•配方设计时,不仅要关注聚合物的类型、乳液及分散体的性能,合理选择各种助剂并考虑到各成分之间的相互影响进行合理匹配,还要针对特殊要求选用一些特殊添加剂,最终形成适用的配方。

✓单组份——一般性能✓双组份——高性能、高附加值3水性涂料的配方体系✓水性树脂✓成膜助剂✓抑泡剂和消泡剂✓流平剂✓润湿剂✓分散剂✓流变助剂✓增稠剂✓防腐剂✓着色剂✓填料✓pH调节剂✓蜡乳液或蜡粉✓特殊添加剂:如防锈剂、增硬剂、消光剂、抗划伤剂、增滑剂、抗粘连剂、憎水剂、耐磨剂、紫外线吸收剂等。

✓离子水4单组份水性涂料的配方体系✓水性树脂✓成膜助剂✓抑泡剂和消泡剂✓流平剂✓润湿剂✓分散剂✓流变助剂✓增稠剂✓防腐剂✓着色剂✓填料✓pH调节剂✓蜡乳液或蜡粉✓特殊添加剂:如防锈剂、增硬剂、消光剂、抗划伤剂、增滑剂、抗粘连剂、憎水剂、耐磨剂、紫外线吸收剂等。

✓离子水✓固化剂5双组份水性涂料的配方体系成膜物质颜、填料助剂分散介质——水8水性涂料的配方体系_水性树脂•水性树脂: 成膜的基料,决定漆膜的主要功能。

水性漆配方中,基料是形成漆膜并决定漆膜性能的关键组分。

配方设计时应尽量提高水性树脂的用量,占体积比的60-70%,使得漆液中的有效成膜物含量尽可能多,这样才能保证制漆一道涂装漆膜较厚,丰满度高。

9水性涂料的配方体系_水性树脂✓丙烯酸乳液(Polyacrylic emulsions,PA)✓聚氨酯分散体(Polyurathane dispersions,PUD )✓水性环氧树脂✓水性醇酸树脂10水性涂料的配方体系_颜填料及染料着色颜料:着色、装饰、遮盖体质颜料:降低成本防锈颜料特种颜料11☐颜料(pigments)是研磨得很细的、被分散于涂料中的颗粒或粉末,主要提供颜色、遮盖力和体积。

很多同样的颜料既可以用于乳胶涂料、也可用于油性涂料中。

它不溶于它所分散的介质中,一般是0.2-10μm的无机或有机粉末。

✓颜料的作用:提供色彩和装饰性、改善涂漆的理化性能、提高漆膜的机械强度、附着力、防腐性能、耐光性、流变性能和耐候性及其它特殊性能,降低成本。

✓颜料(着色剂):主要针对色漆而言,使得水性漆具有所需颜色。

水性涂料的配方体系_颜填料及染料☐染料(dyes)是一些能使纤维或其他物料相当牢固着色的有机物质,一般可溶解或分散于水,或溶于其他溶剂,或借适当化学药品使之成为可溶性——亦称为可溶性着色物质。

✓一般不作为涂料的组成成分,少数透明着色清漆中有用。

水性涂料的配方体系_颜填料及染料水性涂料的配方体系_颜填料及染料☐填料(fillers)的作用是降低涂料的成本和增加涂层机械强度。

✓添加一定分量的填充料可以提高涂料的填充性、打磨性以及机械强度。

✓如果添加填料的比例过量,就会降低涂料在很多方面的性能,如:附着力、透明度、耐磨性等。

水性涂料的配方体系_颜填料•填料:主要用于腻子和实色漆中,增加固体分并降低成本。

实色漆中,以白漆为例,钛白粉用量要能保证漆膜有足够的遮盖力,钛白粉的用量不应低于13%,但也不必高于22%,这种情况与溶剂型白漆是一样的。

16水性涂料的配方体系_颜填料•填料✓填料可少加或不加。

然而,水性腻子中必须加少量填料,如滑石粉、重钙以及硬脂酸锌等,总用量在15%~30%之间均可。

✓填料越多,腻子的透明性越差,但填隙性越好。

17水性涂料的配方体系_颜填料•填料配方中有颜填料时要加入颜填料总量2%~10%的润湿分散剂帮助颜填料的分散。

18水性涂料的配方体系_颜填料•颜基比•颜料体积浓度(PVC)•临界颜料体积浓度(CPVC)•比颜料体积浓度颜料的颜基比•颜基比:颜料(包括填料)重量与树脂(油脂)重量之比。

✓高颜基比表明树脂用量少,漆膜的连续性差,渗透性强,对被涂物的保护性差。

✓颜基比的局限性:◆树脂、颜料、填料和其他固体添加剂的比重差异,它们的体积占整个涂膜中的体积分数显著不同。

◆即相同的基料,相同的颜基比,不同的颜料,涂膜的颜色、性能有很大差别。

颜料的吸油量(OA)•颜料的吸油量(OA):是指100克颜料形成颜料糊时所吸收的亚麻油的克数。

✓测定方法:标准刮刀混合法,即将称取的一定质量的颜料放在玻璃板或大理石板上,逐滴加入精亚麻仁油,用标准刮刀调和成连续的糊状物。

✓颜料的吸油量与颜料对亚麻仁油的吸附、润湿、毛细作用以及颜料的粒度、形状、表面积、粒子堆积方式、粒子的结构与质地等性质有关。

PVC对涂料性质的影响当PVC达到CPVC时,各种性能都有一个转折点。

✓1、对涂膜的物理机械性质影响☐(1)涂膜密度在CPVC处,涂膜密度为极大值。

☐(2)抗张强度和粘结强度在CPVC处,涂膜的抗张强度和粘结强度达到最大值。

当PVC < CPVC时,强度随PVC的增加而增大;当PVC > CPVC时,强度随PVC的增加而很快减小。

利用这一性质,也能测定CPVC值。

PVC对涂料性质的影响✓2、对涂膜的渗透性质的影响☐(1)生锈当PVC > CPVC时,形成多孔性涂膜,水分容易进入到底材表面,对钢材造成腐蚀,在CPVC处,这种腐蚀出现突变现象。

☐(2)起泡随着PVC的增加,涂膜会出现严重起泡到不起泡的突变。

☐(3)抗湿擦性这是制涂膜所能忍受的水清洗剂的擦洗次数。

多孔性的涂膜的抗湿擦性远劣于致密性好的涂膜,这一点对于建筑涂料尤为重要。

PVC对涂料性质的影响☐(4)抗污性在污染环境下,涂膜会发生消光或变色等现象,通常将污染前后涂膜的反射率的差值称为涂膜的抗污性。

PVC增加时,涂膜的反射率的差值增加,抗污性下降,污染趋于严重。

☐(5)光泽维持性如底漆的PVC < CPVC,即底漆的颜料空隙已被粘结剂填满,则面漆的光泽维持性好;反之,光泽下降。

比颜料体积浓度λ•颜料体积浓度与临界颜料体积浓度之比称为比颜料体积浓度,该值常用λ表示:λ=PVC/CPVC一般情况下,合理的λ值范围如下:有光涂料0.05~0.60半光涂料0.60~0.85墙体涂料0.95~1.15维护涂料0.75~0.90水性涂料的配方体系_助剂28功能抗性2加工流变助剂(流平、增稠、触变)阻燃)稳定剂(抗氧化、抗水解、防腐防霉、防沉降)表/界面调理剂(润湿、消泡、流平)成膜附着力促进剂表面改性剂(手感、抗粘、抗划伤、增亮、导电、交联剂水性助剂功能与作用要点29水性漆-空气【表面】水性漆-基材【界面】施工树脂-空气颗粒-水相【界面】制备抑泡消泡润湿分散流变控制基材润湿流平消泡交联剂助剂就作用于这些界面,有效避免在生产和应用过程中所产生的缺陷。

附着力促进剂民以食为天不会做饭的涂料配方工程师,不是一个好的涂料配方工程师!30民以食为天做饭不好吃的涂料配方工程师,不是一个优秀的涂料配方工程师!31二、水性异氰酸酯固化剂及其应用32水性异氰酸酯的发展简史:1937sOtto Bayer 和他的同事使用液态的二异氰酸酯单体与含有活泼氢的聚酯加成聚合得到了聚氨酯1993sJacobs 成功开发出一种能够在水中分散的多异氰酸酯固化剂,这使得双组份水性聚氨酯涂料实际应用成为可能1961s-1990s这几十年来,杜邦、拜耳等企业均对水性聚氨酯进行了研究与开发,取得了一定进展进入21 世纪后水性聚氨酯的应用不断拓宽、工业发展的步伐不断加快。

以拜耳、巴斯夫为代表的企业开发出多种、不同功能的水性异氰酸酯固化剂。

Now发展历程由于发明了二异氰酸酯与聚酯的加成聚合工艺而被公认为PUs 工业之父1943s斯克拉克成功制备出聚氨酯乳液,聚氨酯水性化的发展登上了一个新台阶20世纪90年代Laas 、Huckestein 等人发表多篇论文和专利,论述聚异氰酸酯的水性化,理论趋于成熟。

而国内对这方面的研究才刚刚起步。

发展历程20多年前的传统认知Bayer相关专利•Bayer-Water-dispersible polyisocyanate mixtures, a process for their preparation and their use in two-component aqueous compositions-1993•Bayer-Water-dispersible polyisocyanate compositions-1996•Bayer-Water dispersible polyisocyanate mixtures-1998•Bayer-Aqueous two-component polyurethane coating compositions-2001•Bayer-Polyether-modified polyisocyanate mixtures having improved dispersibility in water-2002•Bayer-POLYISOCYANATE MIXTURES CONTAINING ACYLUREA GROUPS-2002•Bayer-US20040034162A1-Modified polyisocyanates-2004•Bayer-Highly functional polyisocyanate mixtures which are dispersible in water-2004•Bayer-Hydrophilicized blocked polyisocyanates-2007•Bayer-改性聚异氰酸酯-2001•拜尔-水可分散的高官能度的聚异氰酸酯混合物-2003•拜尔-纳米颗粒改性的亲水性多异氰酸酯-2012•科思创-基于1,5-二异氰酸根合戊烷的亲水性多异氰酸酯-2016技术简介目前用于水性多元醇树脂的固化剂大多由拜耳开创和提供,主要有低粘度聚异氰酸酯和亲水改性聚异氰酸酯两种*以上图片为拜耳2K聚氨酯涂层应用技术指南中的截图South China University of Technology低粘度型异氰酸酯(典型的就是拜耳N 3900固化剂)特点:各方面性能好,但乳化控制难度大,对配漆时设备要求高。

✓引入一部分脲基甲酸酯,降低对称性以降低分子间范德华力,获得低粘度;制备中结构控制难度大。

✓由于粘度低,配合恰当的分散剂时,能被高速的剪切在水相中进行分散,但对设备要求高。

*以上图片为拜耳2K 聚氨酯涂层应用技术指南中的截图✓不集中含强亲水基,恰当的分散后,固化性能佳。

技术简介South China University of Technology*以上图片为拜耳2K 聚氨酯涂层应用技术指南中的截图自乳化型异氰酸酯(典型的就是2655、305这类)特点:工艺性良好但机械性能作出妥协,受施工条件影响大,合成制备方式目前仍较单一。

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