涂料招商油漆配方设计 ? 12.1 概述 ? 油漆是一个多组分的配方产品。由于基材和使用 环境不同，对涂膜的性能也提出种种不同的要求， 油漆配方中各组分的用量及其相对比例又对油漆 的施工性能(如流平性、干燥性等)和涂膜性能(如 光泽、硬度等)产生极大的影响，对油漆必须进行 配方设计方能满足各方面要求。 ? 油漆配方设计是指根据基材、涂装目的、涂膜性 能、使用环境、施工环境等条件进行油漆各组分 的选择并确定相对比例，并在此基础上提出合理 的生产工艺、施工工艺。油漆配方设计需要考虑 的因素包括：基材、目的、性能、施工环境、应 用环境、安全性、成本等。 ? 由于影响因素众多，相互耦合，建立一个符合实 际使用要求的油漆配方是一个复杂的课题，需要 进行大量的试验才能得到符合使用要求的油漆配 方。 12.2油漆基本组成 ? 油漆一般由成膜物、颜（填）料、溶剂（或稀释 剂）和助剂组成。油漆施工后，随着溶剂和稀释 剂的挥发，成膜物干燥成膜。成膜物可以单独成 膜，也可以粘结颜（填）料等物质共同成膜，所 以也称粘结剂，它是油漆的基础物质，常称为基 料、漆料和漆基。 表12-1 油漆的基本组成 组成 成膜物 颜料 助剂 溶剂和稀释剂 原料 油料 鲨鱼肝油、带鱼油、牛油、油、豆油、蓖麻油 等 树脂 天然树脂：虫胶、松香、天然沥青等 合成树脂：醇酸树脂、氨基树脂、丙烯酸 树脂、环氧树脂、聚氨酯树脂、有机硅树脂、 氟碳树脂等 颜料 无机颜料：钛白、氧化锌、铬黄、铁蓝、 铬绿、氧化铁红、炭黑等 有机颜料：甲苯胺红、酞菁蓝、耐晒黄等 填料 滑石粉、碳酸钙、硫酸钡、石英粉等 增塑剂、催化剂、稳定剂、流平剂、消泡剂、乳化剂、分散 剂、防结皮剂、引发剂等 石油溶剂、甲苯、二甲苯、醋酸丁酯、醋酸乙酯、丙酮、环 己酮、丁醇、乙醇、卤代烃等 ? 12.2.1成膜物质（树脂） ? 随着石油工业的发展，合成树脂已经取代油料和 天然树脂广泛应用于油漆工业。常用的合成树脂 包括环氧树脂，聚氨酯树脂，醇酸树脂，丙烯酸 树脂，氨基树脂、有机硅树脂 氟碳树脂等，选择 油漆用树脂主要基于树脂的结构和性能，还要考 虑基材性质、使用环境、施工环境、成本等因素。 ? 12.2.2 溶剂 ? 溶剂是油漆配方中的一个重要组成部分，虽然不直接参与固化成膜， 但它对涂膜的形成和最终性能起到非常关键的作用，它主要具有以下 功能： ? （1）溶解聚合物树脂； ? （2）调节油漆体系的流变性能，改善加工性能，使油漆便于涂装； ? （3）改进油漆的成膜性能，进而影响油漆的附着力和外观； ? （4）静电喷涂时调整油漆的电阻，便于施工； ? （5）防止油漆和涂膜产生病态和缺陷，如橘皮、发花、浮色、起雾、 抽缩等。 ? 溶剂的选择一般需要考虑溶剂的溶解能力、挥发速度、粘度、表面 张力、安全性、毒性及成本。 ? 1溶剂的蒸发速率 ? 溶剂的挥发性是在选择溶剂时需考虑的一个重要因素，挥 发速率过快，可使干燥时间缩短，但不利于油漆的流平且 会导致起泡和桔皮等漆病，挥发速率过慢，则使干燥时间 延长且易发生流挂。 ? 溶剂的蒸发速率不仅和沸点或蒸气压有关，还受到氢键、 蒸发焓、表面张力、空气流动性的影响。沸点不能完全反 映其蒸发速率，例如正丁醇的沸点为118℃，乙酯丁酯的 沸点为125℃，前者的沸点虽较低，但其蒸发速率要比后 者低得多，这是由于氢键的原因。为此，用溶剂的相对蒸 发速率来表征溶剂的挥发性，即测定定量溶剂的蒸发时间 并与同样条件下等量醋酸丁酯或者二乙基醚的蒸发时间相 比较，以下式表示纯溶剂的相对蒸发速率： ? 2常用溶剂及应用 ? 常用溶剂按照沸点分为低沸点溶剂（沸点 100℃）、中沸点溶剂（沸点100-150℃）、高 沸点溶剂（沸点150℃）,按照化学组成分为烃类 溶剂、醇类溶剂、 酮类溶剂、酯类溶剂、醚类溶 剂等。 ? 12.2.3颜料 ? 颜料是分散在油漆中从而赋予油漆某些性质的粉体材料， 包括颜色、遮盖力、耐久性、力学强度、对金属底材的防 腐性、特殊功能如导电、导热性能等。按照其在油漆中的 功能和作用分为着色颜料、体质颜料、防腐颜料、功能颜 料。 ? 色泽、着色力、遮盖力、耐光性、耐侯性是颜料的基本特 性，它们与颜料的结构和组成有关，而颜料结晶形态、粒 径和外形对漆膜的光泽、颜料的润湿分散性以及油漆贮存 期间颜料的稳定性有较大的影响，在油漆工业中，通常采 用研磨或高速分散的方法使颜料均匀地分散在油漆体系中， 并使其保持稳定悬浮状态或者沉降后容易被分散。 ? （1）白色颜料 ? 油漆中使用的白色颜料主要包括二氧化钛、立德 粉、氧化锌、铅白、锑白等，其中钛白粉应用最 为广泛。 ? （2）红色颜料 ? 红色颜料主要有氧化铁红、钼铬红、镉红等。 ? （3）黄色颜料 ? 主要的黄色颜料有铬酸铅、氧化铁黄、镉黄等。 ? （4）绿色颜料 ? 绿色颜料有铅铬绿、氧化铬绿、钴绿等。 ? （5）蓝色颜料 ? 铁氰化铁钾又称铁蓝，有较高的着色力，色坚牢 度好，并有良好的耐酸性，但遮盖力差。群青为 天然产品，色坚牢度好，耐光、热和碱，但可被 酸分解，着色力和遮盖力低． ? （6）黑色颜料 ? 用量最大的黑色颜料是炭黑，其吸油量大，色纯， 且遮盖力强，耐光，耐酸碱，但较难分散，此外 还有氧化铁黑(Fe3O4)，它们主要用做底漆和二 道漆的着色剂。 ? （7）有机颜料 ? 有机颜料的色泽鲜艳，着色力较强，但遮盖力、 耐高温性、耐候性较差，常用的有机颜料有耐晒 黄、联苯胺黄、酞菁绿、酞菁蓝、甲苯胺红、大 红粉等． ? （8）防腐颜料 ? 防腐颜料用于保护金属底材免受腐蚀，按照防腐 蚀机理可分为物理防腐颜料、化学防腐颜料和电 化学防腐颜料三类。物理防腐颜料具有化学惰性， 通过屏蔽作用发挥防腐功能，如铁系和片状防腐 颜料，化学防腐颜料具有化学活性，借助化学反 应发挥作用，如铅系化合物、铬酸盐、磷酸盐等， 电化学防腐颜料通常是金属颜料，具有比金属还 低的电位，起到阴极保护作用，如锌粉。 ? （9）填料 ? 填料亦称体质颜料，大多是白色或稍有颜色的粉体，不具备着色力和 遮盖力，但具有增加漆膜的厚度、调节流变性能、改善机械强度、提 高漆膜的耐久性和降低成本等作用，主要是碱土金属盐类、硅酸盐类 和铝镁等轻金属盐类。 ? 碳酸钙是油漆用的主要填料，包括重质碳酸钙(天然石灰石经研磨而 成）和轻质碳酸钙（人工合成）两类，广泛用于各类油漆。 ? 滑石粉是一种天然存在的层状或纤维状无机矿物．它能提高漆膜的柔 韧性，降低其透水性，还可以消除油漆固化时的内应力。 ? 重晶石（天然硫酸钡）和沉淀硫酸钡稳定性好，耐酸、碱，但密度高， 主要用于调合漆、底漆和腻子。 ? 二氧化硅分为天然产品和合成产品两类。天然二氧化硅又称石英粉， 可以提高涂膜的机械性能。合成二氧化硅按照生产工艺分为沉淀二氧 化硅和气相二氧化硅，气相二氧化硅在油漆中起到增稠、触变、防流 挂 合等硅作酸用铝。．瓷它土具(有A消l2O光3·作2S用iO，2·2能H做2O二)，道也漆称或高面岭漆土的，消·光是剂天，然也存适在用的于水 乳胶漆． ? 云母是天然存在的硅铝酸盐，呈薄片状，能降低漆膜的透气、透水性， 减少漆膜的开裂和粉化，多用于户外油漆。 ? 12.2.4 助剂 ? 助剂用量虽少，但对油漆的生产、储存、施工、 成膜过程及最终涂层的性能有很大影响，有时甚 至可起关键作用，随着油漆工业的发展，助剂的 种类日趋繁多，应用愈来愈广，地位也日益重 要． ? 常用助剂包括颜料润湿剂、分散剂、流平剂、消 泡剂、催干剂、增塑剂、防霉剂、防紫外线剂、 流变剂等。 ? 12.3 成膜机理 ? 油漆只有在基材表面形成一层坚韧的薄膜后才能充分发挥 其功能，一般来说，油漆首先是一种流动的液体，在涂布 完成之后才逐渐从液态变为固态，形成连续有附着力的薄 膜，是一个玻璃化温度不断升高的过程。按照成膜过程中 树脂基料的结构是否发生了变化，成膜机理可以分为物理 成膜和化学成膜，转变成膜主要通过溶剂挥发和分子链缠 结成膜或者水的挥发乳胶粒凝聚成膜以及热熔成膜，化学 成膜主要通过树脂基料发生交联反应形成体型结构成膜， 如环氧基团和氨基的反应等。 ? 12.3.1溶剂挥发和热熔成膜 ? 热塑性高分子只在较高的分子量下才呈现出较好的物理和 化学性能，但分子量高，玻璃化温度和粘度随之升高，必 须用足够的溶剂将体系的玻璃化温度和粘度降低，使T-Tg 的数值大到足够使溶液可以流动和涂布，在涂布以后溶剂 挥发，分子链紧密缠结形成固体薄膜。溶剂的挥发分为三 个阶段： ? 阶段Ⅰ：表面溶剂挥发； ? 阶段Ⅱ：内部溶剂扩散至表面挥发； ? 阶段Ⅲ：残留溶剂扩散挥发。 ? 12.3.2 乳胶漆的成膜 ? 乳胶漆成膜过程大致分为三个阶段：首先聚合物乳 液中的水分挥发，当乳胶颗粒占胶层的74%体积时， 乳胶颗粒相互靠近而达到密集的充填状态，水和水 溶性物质充满在乳胶颗粒的空隙之间；随着水分继 续挥发，聚合物颗粒表面吸附的保护层被破坏，间 隙越来越小，直至形成毛细管，毛细管作用迫使乳 胶颗粒变形，毛细管压力高于聚合物颗粒的抗变形 力，颗粒间产生压力，随着介质挥发的增多，这个 压力也越大，乳胶颗粒逐渐变形融合，逐渐由 球 形变为斜方形十二面体，直至颗粒间的界面消失； 最后，水分继续挥发，直到压力达到能使每个乳胶 颗粒中的分子链扩散到另一颗粒分子链中时，乳胶 颗粒中的聚合物链段开始相互扩散，逐渐形成连续 均匀的乳胶涂膜。 ? 12.3.3 反应成膜 ? 反应成膜是指可溶或可溶的低分子量的聚合物涂 覆在基材表面以后，在加温或其它条件下，分子 间发生交联反应形成三维网状结构而转变为坚韧 的薄膜的过程，是热固性油漆的共同成膜方式， 其中如含干性油或者半干性油的不饱和聚酯油漆、 醇酸树脂油漆等通过氧气发生氧化交联反应成膜， 环氧树脂与多元胺或者酸酐反应交联成膜，多异 氰酸酯与含羟基低聚物如聚醚多元醇反应生成聚 氨酯成膜，有机硅树脂通过烯氢加成反应成膜， 光固化油漆通过自由基或阳离子聚合成膜等。 ? 12.3.4 成膜过程表征 ? 目前，红外光谱、原子力显微镜、动态热机械分 析、差示扫描量热分析、透射电镜、扫描电子显 微镜、小角度中子散射、直接无辐射能量转移、 动态二次离子质谱、激光共聚焦荧光显微技术等 已经广泛用于成膜过程表征。透射电镜可以观察 涂膜形态研究胶乳成膜过程，差示扫描量热分析 可以测定树脂的玻璃化温度以及研究固化动力学 确定固化工艺，原子力显微镜可在立体三维上观 察涂膜的形貌。 ? 12.4 颜料体积浓度（PVC） ? 油漆的颜料体积浓度是表征油漆最重要、最基本 的参数，早期油漆工业普遍采用颜基比描述油漆 配方中的颜料含量，由于油漆中所使用的各种颜 料、填料和基料的密度相差甚远，颜料体积浓度 更能科学反映油漆的性能，在科学研究和实际生 产中成为制定和描述油漆配方的参数。 ? 12.4.1 颜基比 ? 油漆配方中颜料(包括填料)与粘结剂的质量比称 为颜基比。在很多情况下，可根据颜基比制定油 漆配方，表征油漆的性能。一般来说，面漆的颜 基比约为（0.25～0.9）：1.0，而底漆的颜基比 大多为(2.0～4.0)：1.0，室外乳胶漆颜基比为 (2．0～4.0)：1．0，室内乳胶漆颜基比为(4.0～ 7.0)：1.0 。要求具有高光泽、高耐久性的油漆， 不宜采用高颜基比的配方，特种油漆或功能油漆 则需要根据实际情况采用合适的颜基比。 ? 颜料体积浓度(PVC)与临界颜料体积浓度(CPVC) 在颜料和基料的总体积中既干膜体积中，颜料所 占的体积分数称为颜料体积浓度，用PVC表 示．即： ? PVC=V颜料/（V颜料+V基料） ? 当基料逐渐加入到颜料中时，基料被颜料 粒子表面吸附，同时颜料粒子表面空隙中 的空气逐渐被基料所取代，随着基料的不 断加入，颜料粒子空隙不断减少，基料完 全覆盖了颜料粒子表面且恰好填满全部空 隙时的颜料体积浓度定义为临界颜料体积 浓度，并用CPVC表示。 ? 一定质量的干颜料形成颜料糊时所需的精 亚麻仁油的量称为颜料的吸油值，该值反 映了颜料的润湿特性，用表示，单位为 g/100g ，颜料的吸油值与颜料对亚麻仁油 的吸附、润湿、毛细作用，以及颜料的粒 度、形状、表面积、粒子堆砌方式、粒子 的结构与质地等性质有关。 ? 将转化为体积分数，可以求出： CPVC = （100/ρ）/ [（OA/0.935）+ （100/ρ）]=1/（1+OA*ρ/93.5） ? 式中，ρ为颜料的密度，0.935为亚麻仁油 的密度，实际生产中，由于树脂基料的变 化，本公式求算的结果仅供参考。 ? 12.4.4 涂膜性能与PVC的关系 ? PVC 对涂膜性能有很大影响，PVCCPVC时， 颜料粒子得不到充分的润湿，在颜料与基料的混 合体系中存在空隙．当PVCCPVC时，颜料以分 离形式存在于粘结剂相中，颜料体积浓度在 CPVC附近变化时，漆膜的性质将发生突变，因 此，CPVC是油漆性能的一项重要表征，也是进 行油漆配方设计的重要依据。 ? 12.6 涂膜病态及防治 ? （1）流挂 ? 油漆涂装于垂直物体表面，在涂膜形成过程中湿膜受到重力的影响朝 下流动，形成不均匀的涂膜，称为流挂 ? 要使涂膜流动适宜，就要使油漆的流变性处于最适宜的状态，要防止 流挂病态的发生，最重要的是要控制在刷涂剪切速率下的油漆粘度。 另外，所用溶剂的品种也是重要的因素，因为它影响着粘度的变化。 在采用喷涂方法施工时，涂膜厚度要掌握好，喷涂过厚或溶剂挥发速 率过慢，也会造成流挂。另外，底材及底层表面状态，以及施工涂装 方法和大气的环境条件等也会导致流挂的产生。 ? （2）刷痕、滚筒痕 ? 油漆采用刷涂或滚涂方法施工时，涂膜表面干燥后产生未能流平的痕 迹称为“刷痕”或“滚筒痕”， 它明显地影响了涂膜的外观。 ? 预防措施是控制油漆质量，调整施工粘度及环境条件，必要时可添加 少量高沸点溶剂或者流平剂。 ? （3）桔皮 ? 桔皮是湿膜未能充分流动形成的似桔皮状的痕迹。施工粘度较高，烘 干前的闪蒸时间不当，稀释剂的质量，底材的温度等均会导致涂膜桔 皮病态的产生。 ? 预防措施主要是添加适量挥发速度较慢的溶剂，以延长湿膜的流动时 间使之有足够时间流平，加入适量流平剂也能减轻涂膜桔皮病态。 ? （4）起粒 ? 起粒是涂装后漆膜表面出现不规则块状物质总称。颜料分散不良、基 料中有不溶的聚合物软颗粒或析出不溶的金属盐、溶剂挥发过程中聚 合物沉淀、小块漆皮被分散混合在漆中等是造成起粒的主要原因，因 此要防止此病态发生，必须注意颜料充分分散、溶剂合理设计、油漆 的净化及施工场所环境的的洁净度。 ? （5）缩孔 ? 缩孔也是涂膜因流平性不良出现的病态之一，产生缩孔的主要原因是 湿膜上下部分表面张力不同。实际应用时，可以采取加入适宜的流平 助剂或低表面张力溶剂来解决，此外，还应注意提高底材的可润湿性。 ? （6）泛白 ? 泛白（变白）现象常发生在挥发型油漆装中，是涂装后溶剂迅速挥发 过程中出现的一种不透明的白色膜的情况，这是由于溶剂迅速挥发吸 收大量热量导致正在干燥的涂膜邻近的水分凝结在涂膜上面的缘故， 有时溶剂含水也会引起泛白，一般来说，溶剂的挥发性越高，漆膜变 白的倾向越大。 ? 预报措施是调整好油漆所用溶剂，并适量增加高沸点溶剂，减少挥发 快的溶剂用量，控制空气中相对湿度。 ? 12.7结语 ? 油漆配方研究与开发是油漆科学的重要内容，但 是由于涉及多门学科，研究对象复杂，目前还没 有形成完善的理论，配方设计主要还是靠大量的 实验优选和经验积累，因此一个成熟的配方设计 师应该重视多学科理论的学习，将理论运用于实 践，同时，不断积累经验，提高悟性，才能成为 一名优秀的配方工作者。
