聚氨酯涂料的配方设计及PVC计算Word格式.docx
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聚氨酯涂料的配方设计及PVC计算Word格式.docx
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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)。
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20μm。
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30min后,用溶剂调节黏度至涂-4杯80~120s,用120目纱布过滤,出料。
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20~25s,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2h;
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(70μm)+聚氨酯面漆(50μm);
干燥方式为50℃的条件下干燥48h。
性能检测
依据HG/T2454—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/T23987—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/T1766—2008《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)老化试验箱;
光源类型(LampType):
UVB-313,W/(m2·
nm)@310nm,试验循环为4h紫外线照射,(60±
3)℃黑板温度,4h冷凝,(50±
3)℃黑板温度。
2结果与讨论
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AC101为成膜物质,其主要技术指标为:
固体分70%,黏度(25℃格氏管)200~400s,20℃密度,羟基含量%。
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。
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~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≈~,ρ树脂≈;
根据70%的羟基丙烯酸树脂的密度为g/cm3,其稀释溶剂二甲苯的密度为g/cm3,计算得到羟基丙烯酸树脂的密度为g/cm3。
配方1~4的PVC计算如下:
①PVC=(35/)/(35/+70%×
50/)=%;
②PVC=()/(+70%×
54/)=%;
③PVC=()/(+70%×
58/)=%;
④PVC=()/(+70%×
62/)=%;
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=,为常数;
最终简化得到:
y=+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/)、(1/,100/)、(1/,100/)及(1/,100/)作图,见图1。
《涂料化学》一书中介绍,CPVC=1/(1+OA×
ρ/),式中OA为吸油量;
ρ为颜料密度;
是亚麻油的密度。
试验测得金红石型钛白粉的吸油量为22g/100g;
由此计算白色聚氨酯面漆的CPVC:
CPVC=1/(1+22×
)=%因此,当PVC=CPVC=%时,根据一次线性函数关系可以逆向计算得到P=,B=,P/B=。
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<
CPVC值;
选用HDI为固化剂,配方1~4所制备涂料的性能检测结果如表2所示。
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、节约成本并起到骨架的作用。
试验测得超细硫酸钡的吸油量为12g/100g,此时,PVC的计算公式如下:
PVC=(P钛白粉/ρ钛白粉+P硫酸钡/ρ硫酸钡)/(P钛白粉/ρ钛白粉+P硫酸钡/ρ硫酸钡+B/ρ基料)
进一步计算推理得到:
1/PVC=1+(ρ硫酸钡ρ钛白粉/ρ基料)/(P钛白粉ρ硫酸钡/B+P硫酸钡ρ钛白粉/B)
设定P钛白粉/B=k1,P硫酸钡/B=k2,将ρ硫酸钡=,ρ钛白粉=,ρ基料=代入上式,可简化为:
1/PVC=1+(/+)(3)
由表2可知:
从涂料的遮盖力、光泽和成本因素考虑,钛白粉与基料的比例k1=~较为适宜,下文选用k1=,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%,已知k1和k2,可得两个计算式,P+B=70,P/B=k1+k2为已知数,即可计算出颜料、填料及树脂的质量份。
表3列出了k1=,不同k2值(0,,,)下涂料的基本配方。
表3在不同颜基比时白色聚氨酯面漆的配方
配方5~8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%,k1=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杯测量范围的220s降低为70s;
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=~,配方体系中添加%~%的超细硫酸钡,因超细硫酸钡价格低廉,大大节约了涂料的成本。
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。
表5催化剂用量对漆膜干燥性能的影响
由表5、表6可见:
催化剂的用量为%时,可以大大加速漆膜的固化干燥速率,在25℃,48h和80℃,20min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%时,混合使用期为45min,不利于施工。
因此,催化剂用量以%为宜。
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290~3000nm之间,其中波长为290~400nm的紫外光约占5%,它所具有的能量为314~419kJ/mol,而大部分高分子聚合物的自动氧化反应活化能约为42~167kJ/mol,各种化学键的离解能约为167~418kJ/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2~4)。
由图2、图3可见:
PU101漆膜的原始光泽为°
,经过702h的QUV试验后,失光率为%,评级为2级,漆膜轻微失光;
光照时间延长为1000h时,失光率达到%,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°
,1000h的QUV试验后,失光率为%,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,1000h的QUV试验后,色差为,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~。
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=~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=+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%时,可以大大加速漆膜的干燥速率,在25℃的条件下,48h后漆膜实现完全交联固化;
在80℃的条件下烘烤干燥20min,漆膜完全交联固化;
涂料的混合使用期为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1000h的光照时间后,失光率由%降至%,保色性也有一定的改善,光照各阶段的色差值降低~。
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