第二節　涂料配方設計基本概念

一、什么是涂料配方設計

涂料屬于精細化工產品，是一個多組分體系，一般不能單獨作為工程材料使用，必須涂裝在基材表面與被涂物一起使用才能發揮作用。因而，進行涂料配方設計時，不能只考慮涂料本身的性能，還須考慮被涂物件（基材）和使用環境、施工環境等因素。不同的基材和使用環境，對涂膜的性能也提出種種不同的要求，而涂料配方中各組分的用量及其相對比例又對涂料的使用性能（如流平性、干燥性等）和涂膜性能（如光澤、硬度等）產生極大的影響，因此必須對涂料進行配方設計方能滿足各方面要求。涂料配方設計是指根據基材、涂裝目的、涂膜性能、使用環境、施工環境等進行涂料各組分的選擇并確定相對比例，并在此基礎上提出合理的生產工藝、施工工藝和固化方式。

二、涂料配方設計的基本原則

在進行涂料配方設計時，一般遵循以下原則。

（1）對客戶對涂料要求的性能、裝飾效果等，要做到100%滿足，對其他一些不是很重要的性能也要盡量控制在可以接受的范圍。

（2）在保證性能的前提下盡量降低成本，因此，配方設計是不追求最好的性能，而是性能達標就好。

（3）對涂料的生產工藝的設計，應本著能用簡單工藝就不用復雜工藝的思路，盡量減少生產環節對保證涂料批次穩定性是很關鍵的。

三、涂料配方設計時須考慮的因素

建立一個符合實際使用要求的涂料配方是一個長期和復雜的課題，涂料配方設計的關鍵就是根據涂層性能和環境的要求合理地選擇樹脂、顏料、溶劑、助劑。

一般來說，涂層的力學性能和熱學性能主要與成膜的樹脂關系密切，樹脂的主要作用是黏結底材和顏料，起到成膜的作用；而涂層的功能主要與功能填料和著色顏料有關，顏料主要是賦予涂層的物理性能。簡而言之：樹脂幫助成膜，顏料賦予功能，溶劑改善樹脂可成膜性，助劑平衡和改善成膜的性能。因此，成膜物質和顏料是配方設計的重點。在配方設計時要考慮選擇什么樹脂、什么顏料，顏料占樹脂中的多少，利用什么樣的混合溶劑體系可以溶解樹脂或起到預期的分散作用，利用哪些助劑改善涂層的流平性、流掛、抗氧化、開罐率、提高儲存性能、防止沉底結塊以及提高涂層的附著力、提高涂層的光澤或降低光澤等。對于功能涂料來說，樹脂或成膜物質主要起載體作用，而功能顏料則提供或賦予涂層特別的物理性能。

由于使用環境及對涂層性能要求不同，配方設計時考慮的因素也不完全一樣。

各種組分的類型和用量對涂料的性能影響很大，如一種組分選擇不當可能就會導致涂料配方的失敗。因此，在選擇配方的總體組分時，除了要充分考慮每種成分的作用外，還要考慮各種成分之間的協同作用和配伍性。在選定了合適的組分后，決定涂料性能最重要的因素就是顏料的體積濃度。此外，也要考慮溶劑對涂層的施工工藝和對涂層性能的影響，以及溶劑對控制涂料的流動性、黏度、干燥時間所起的作用。因此，在配方設計時除了對原料有一定的了解外，還應對涂料的生產設備和生產條件有一定的了解。

總的來說，進行涂料配方設計時需要考慮以下幾方面因素。

（1）涂覆的目標和目的　如基材的材質，是高檔產品（如轎車、飛機、精密儀器儀表等）還是中低檔產品（如家用電器、內外墻、橋梁、塑料、紙張等）。

（2）涂膜性能要求　是一般的裝飾，還是起保護作用，還是賦予被涂物件某種特殊功能，如防腐、防污等。一般來說，涂膜的性能具有一定的相對性，如硬度與柔韌性、附著力與成膜性、親水性與防水性、防腐蝕性與表觀性能等，因此，過高追求一種性能，勢必會損害其他性能，配方設計需要找到這些性能的平衡點。

（3）使用環境和施工環境　如戶內還是戶外，高溫還是低溫，干燥還是潮濕等。

（4）成膜物質——樹脂的化學性質和物理性能　如室溫干燥固化還是反應固化，柔軟性/硬度比，與被涂基材的黏結性、耐候性、耐紫外線輻射性能、防腐蝕性等。

（5）揮發物——溶劑和稀釋劑的物理化學性質　如揮發速率、沸點、對樹脂的溶解性、毒性和閃點等。

（6）顏料的性質　如著色力、遮蓋力、密度與基料的混溶性（分散性）、耐光性、耐候性和耐熱性等。

（7）助劑的作用　如防沉、防流掛、防桔皮、消泡性能，幫助顏料潤濕分散，改善涂料的施工性和成膜性等。

（8）成本考慮　包括原材料的成本，生產成本，儲存和運輸成本等。用于高檔產品的涂料，其性能要求更高些，價格可以較貴些；用于低檔產品的涂料，性能可以稍差些，價格則可以便宜些。

（9）競爭力因素　明確所設計的涂料配方產品是市場上的全新產品還是其他公司已有類似的產品，若是后者，則要比較所設計的產品與其他產品在性能和價格上的優勢，包括涂料本身的性能，如固含量黏度、密度、PVC及儲存期等；使用性能，如遮蓋力，需要涂幾次才能達到所需的性能要求，是常溫干燥還是升溫反應固化成膜；漆膜的性能，如柔軟性/硬度比、附著力、耐候性、耐紫外線輻射性能、耐酸堿性、耐化學藥品性、耐溶劑性、耐污性、耐溫性和耐濕性等。以此確定產品是否在某一個或某幾個主要性能上優于市場上現有的同類產品，或性能近似但價格上有很大的優勢。

四、配方設計的一般步驟

涂料配方設計的一般步驟如下。

（1）分析任務目標，找出具體性能指標　用戶提出開發任務時，可能包括多個應用技術指標，配方設計師應將全部應用技術指標認真分析、分清主次、確定主要指標（通常對完成配方設計起關鍵作用）并兼顧次要應用技術指標（避免影響涂料整體功效）。特別要正確處理和解決相互矛盾或相互影響的應用技術指標。涂膜的交聯密度與柔韌性、涂膜的親水性與防水性、涂膜耐蝕性與裝飾性等都是配方設計中應均衡考慮的關鍵性能。

（2）選擇配方的組成成分

①成膜物質的選擇　成膜物質是涂膜網絡結構的基礎構架，應根據涂料應用性能、使用環境及壽命，選擇成膜物質的類型與品種，根據被保護底材特性與涂裝要求，確定涂料固化體系及成膜方式。

②顏料的選擇　根據顏色、遮蓋力的要求選擇合適的著色顏料，根據填充、打磨性、硬度等機械性能以及成本等選擇合適的體質顏料，根據特殊功能選擇其他功能性顏料。

③溶劑的選擇　根據溶解、分散、稀釋及成本等綜合要求選擇合適的混合溶劑體系。

④助劑的選擇　根據涂料及涂膜的性能要求，選擇合適的助劑種類。

（3）定量　設置PVC或顏基比、固含量、配方總量等的值，通過計算得到配方各組分的用量。

（4）把上述配方轉化為生產配方，確定生產工藝過程，進行生產。

（5）性能檢測　驗證各組分對涂料性能的貢獻，強化主要應用技術指標，模擬應用環境，全面考核涂料應用性能。

（6）根據檢測結果，改進配方。

一般而言，涂料的配方設計步驟皆如上所述，但要達到的目的不同，配方設計的切入點也有差別。