第二节 涂料配方设计中树脂体系选择的指导原则
涂料品种繁多,性能各异,用途不同。如何正确选用涂料体系,不仅取决于涂料本身的性能,还与被涂覆的物体材质、使用环境、材料的表面处理、固化条件及涂料成本有关。最简单的方法是列出各种涂料体系的一般性能,比较其优缺点。选择其中的3~4种最能满足要求的涂料体系,进一步查询具体性能参数以最终决定哪一种体系最符合要求。但①没有一种涂料品种能满足所有的性能要求;②所谓最符合要求的涂料体系也是指在性能、成本、使用寿命等方面的综合考虑,有时并不是性能最好的体系。
一、涂料体系选择的一般性原则
有许多因素影响涂料体系的选择,选用涂料体系所要考虑的主要因素如下。
①涂料性能,如耐磨性、柔顺性、保光保色性、温度范围、干燥时间、防霉性、外观、耐水耐油性、润湿性。
②被涂物件的材质(木、混凝土、钢,其他金属、塑料、存在旧涂层等)。
③涂料赋予的基本功能,如防变质(如防腐、耐候性等)、防火、温度控制、标记、外观(颜色、光泽、花纹等)。
④可使用性(表面处理及涂料使用设备工具)。
⑤环境因素,如温度(极限温度或可变温度)、湿度(干燥、潮湿、浸水、船舶等)、与化学药品接触(烟雾、酸、碱、溶剂等)、辐射、生物问题(防污、霉等)。
⑥成本。选用涂料时首先要问的问题是使用涂料的目的或原因,为什么要用涂料,是为美观,还是为防腐,是在一般空气条件下使用,还是在船舶或其他条件下使用等,使用涂料的目的或原因知道,就可根据涂料的性能大致选择哪一种或哪几种涂料体系。
另一个主要关心的问题是所选用的涂料是涂覆在新的物体表面上或是物体表面已涂覆过涂料。若为新的表面,则涂料的选择相对较容易,若物件表面已被涂过涂料,则要考虑旧涂层与新涂料的相容性。但遗憾的是,大多数情况下,旧涂料的类型是未知的,这就给涂料的选择造成很大的困难。
若旧涂料体系未知,可以实际测试新涂料体系与旧涂料体系的相容性,方法是按一般的表面处理方法清洁一小块面积,涂上新涂料,判断①新涂料是否溶胀旧涂料使之失去黏结性、②新涂料是否被旧涂料吸收并失去黏结性、③新涂料是否容易从旧涂料上剥离(与旧涂料的黏结性不大)。
二、涂料体系选择的主要影响因素
1.基材
当基材被涂覆过涂料时,新的涂料体系不仅要与基材有良好的黏结性,而且还需与旧的涂料体系有良好的相容性。但当基材为新的表面时,则主要考虑与基材的黏结性。无论哪种情况,基材的材质不同,所选用的涂料体系也不相同。
2.环境因素
环境因素在涂料的选择上非常重要,是干燥还是潮湿;是一般工业,还是重工业;是室内还是室外;是腐蚀环境,还是在通常的大气环境下使用;是南方气候(光照充足多雨),还是在北方气候使用等,均直接影响着涂料体系的选择。例如,用于地下管道的涂料,必须经受得住由于土壤周期性的潮湿和干燥引起的膨胀和收缩对涂层的损坏。
3.表面处理
即使是新的基材表面,也可能会有砂、油、矿物质、粉尘、铁锈等,严重影响涂料与基材表面的黏结性,因此必须进行表面处理。最常用和最简便的表面处理方法有砂磨、防锈、碱脱脂、水洗、金属磷酸化处理等,视基材材质不同,应选用一种或几种方法对基材进行表面处理。但有时即使是最简单的表面处理方法也无法采用,例如大多数情况下,设备可以在工厂检修期间砂磨涂装,但对于某些敏感的设备仪器、产品或涉及某些试剂时,砂磨就不可能,在这种情况下,就必须选用某些对表面处理要求不高的涂料体系。
4.涂料的性能因素
从某种意义上讲,涂料本身的性能是选择涂料所要考虑的最重要的因素。必须注意的是,涂料品种千变万化,即使用于同一目的的牌号,各生产厂商的配方也会有不同,有的采用标准配方,有的以标准配方为起点,进一步研究改进,如改善应用性能、添加填料改善涂膜的韧性、加入片状颜料如云母降低漆膜的湿透性等。总之,即使是同一用途的涂料品种,其配方和性能也不尽相同,最好的选择方法是初步确定一种或几种涂料品种后,通过实验室和现场比较试验确定。
除了涂料的上述性能,选择涂料时还须考虑涂料估计的使用寿命、固含量(体积分数)、每一涂的涂层厚度、理论遮盖力、总的成本、修补的容易程度、干燥时间和固化时间、二涂或三涂所需时间、使用的容易程度。
总之,选用涂料体系的方法很多,可以总结为基于成本的选择、基于涂料性能的一般比较选择、根据生产厂商提供的信息选择、实验室比较选择、从同行著名厂商或专家推荐选择、现场试验比较选择、根据经验选择等。
三、合成树脂的特点及应用
涂料最终要成为一个不溶的膜,成膜过程又叫固化过程,聚合物在成膜过程中可发生交联甚至高度交联。因此,涂料用树脂必须是体型聚合物凝胶化之前的准线型预聚体或留有可交联的基团的预聚体,分子量一般不大。
1.醇酸树脂和聚酯树脂
醇酸树脂原料易得,制造工艺简便,综合性能好,用量一直居于涂料中的树脂首位。醇酸树脂含有大量酯基,因而耐水性、耐碱性、耐化学药品的能力要略逊一些,但其分子链中有羟基、羧基、酯基,有些还有双键、苯环,所以改性的方法较多,也可以收到较好的效果,例如用氨基树脂、环氧树脂、异氰酸酯树脂或聚氨酯、氯化橡胶、丙烯酸酯、有机硅树脂改性等。用聚酰胺改性醇酸树脂,可用来制取触变性涂料,其在静止状态时呈现冻胶状,而当受到剪切力作用,如在搅拌或在刷涂时,就会变成低黏度的液体,便于施工,剪切力停止,逐步恢复冻胶状。用芳香二酸合成的聚酯树脂,其耐候性和韧性优于醇酸树脂,常用的有单组分和双组分两类,前者加热自交联,后者要添加催化剂和交联剂(另一组分)。
醇酸树脂漆是第一大类涂料,可以制成色漆、清漆,也可用作工业专用漆和一般普通用漆。其原料容易得到,合成工艺简单,干燥迅速,分子结构设计灵活,可以根据需要调整分子结构中的脂肪酸部分和用量,合成出不同油度的树脂。聚酯树脂可以单独作为涂料使用,也可以通过其他树脂改性使用,用氨基树脂进行交联的聚酯,固化速率快、硬度高,可以作为卷材和家电涂料以及汽车涂料,也可以制成粉末涂料。另外,在醇酸树脂和聚酯分子结构中引入羟基、羧基等,可以制成水性涂料使用。
2.酚醛树脂和其他甲醛类树脂
酚醛树脂黏附力强,固化后有极好的耐热、耐候、耐化学腐蚀性和较好的绝缘性能,广泛用于木器、家具、建筑、机械、船舶、电气及防腐涂料。但酚醛树脂色深,不宜配成浅色涂料。有时将脲和甲醛生成的脲树脂以及三聚氰胺和甲醛反应生成的三聚氰胺甲醛树脂,统称为氨基树脂。氨基树脂固化时变硬变脆,一般不单独作涂料用,而常作为“交联剂”用于含羟基、羧基、酰氨基的其他树脂。
3.环氧树脂
环氧树脂中仅有羟基和醚链,没有酯基,因而耐水、耐碱性很好。它有极好的黏附力,收缩率比不饱和树脂收缩率(达10%以上)低(不到2%),韧性优于酚醛树脂,又能和多种树脂相容,可以拼混和改性,而且常温下为固体,适用于制作粉末涂料。
环氧树脂要加固化剂才能交联固化,通常用多胺固化,所以环氧涂料多为双组分。固化剂有多元酸、多元硫醇等。环氧树脂与一种称为潜在型固化剂配合,可以作为单组分涂料,这种固化剂在室温下稳定,一旦高温,即发生交联作用。
由于环氧树脂可以室温固化,常用作防腐涂料尤其用作大型构件如船舶、建筑物、桥等的防护涂料。环氧树脂可以一次涂刷较厚,作容器涂料又有很强的黏着力,可作电绝缘漆和化工设备防护底漆。
4.聚氨酯树脂
聚氨酯涂料的黏附力特别好,耐磨性也特别好,涂膜通常坚硬、光亮、柔韧,而且耐油、酸、碱、盐和一些化学药品,广泛应用于地板、甲板以及金属、水泥、橡胶塑料的涂装。聚氨酯涂料具有很好的耐候性,耐低温性,可耐-40℃,耐热性好。有些高温绝缘性能接近聚酰亚胺,有优良的电气性能,浸渍漆包线可以自焊自黏。聚氨酯涂料施工范围广泛,能在室温下固化,也能加热固化,施工性能好,对于大型物件的涂料施工,不受季节影响。
聚氨酯涂料可以与多种树脂混用,出现许多新的品种。尽管这种涂料较贵,但由于性能优异,因此在重要的场合应用,有不可替代的作用。
5.聚丙烯酸酯
聚丙烯酸酯是丙烯酸类单体,如丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯、羟基乙酯、羟基丙酯、甲基丙烯酸甲酯的均聚物、共聚物以及其他烯烃等的共聚树脂。聚丙烯酸酯耐光、耐候、耐户外阳光曝晒、耐紫外线辐射、耐热性好,在170℃不分解,在230℃可以不变色,耐碱、酸、洗涤剂,耐化学腐蚀,在汽车、家具、家电、仪表、建筑等行业得到广泛应用。
热塑性丙烯酸酯涂料主要用作汽车面漆和修补漆、金属涂层的底漆、地板涂层等。热固性聚丙烯酸酯涂料用家电涂料最为广泛,用环氧树脂固化后,其黏附力优良且耐污,无需底漆,施工简便。用氨基树脂固化或与多种树脂改性,可用作汽车漆,应用最广。此外热塑性丙烯酸酯涂料还用作各种金属材料、板材、卷材的涂层。
6.乙烯基树脂及其他
乙烯基树脂主要是指聚氯乙烯、氯乙烯和乙酸乙烯的共聚物。与其他树脂不甚相同的是,它通常采用悬浮聚合法获得聚合物,而不像醇酸树脂、环氧树脂、聚氨酯、聚丙烯酸酯那样采取溶液聚合或本体聚合的方法。悬浮法制得的树脂为球粒状固体,再将它们制成溶液或溶胶,可作化工防腐涂料、船底涂料、海上钻井平台涂料、海洋水下设施涂料等。
聚乙烯醇缩醛树脂的缩醛主要是缩甲醛和缩丁醛,也是乙烯基树脂中的重要成员。聚乙烯醇缩甲醛涂料主要与封闭型聚氨酯配合,用作包线漆和线缆漆,耐腐蚀,耐刮削,挠曲性好,防潮,耐溶剂。聚乙烯醇缩丁醛树脂常与酚醛树脂配合,作木器漆以及金属的底漆等。
此外,有机硅树脂、有机氟树脂作涂料,性能独特优异,另有氯化聚氯乙烯、氯化橡胶、氯磺化聚乙烯、氟化环氧树脂、氟化丙烯酸酯等,也是涂料中的重要品种。