第二节　涂料配方设计基本概念

一、什么是涂料配方设计

涂料属于精细化工产品，是一个多组分体系，一般不能单独作为工程材料使用，必须涂装在基材表面与被涂物一起使用才能发挥作用。因而，进行涂料配方设计时，不能只考虑涂料本身的性能，还须考虑被涂物件（基材）和使用环境、施工环境等因素。不同的基材和使用环境，对涂膜的性能也提出种种不同的要求，而涂料配方中各组分的用量及其相对比例又对涂料的使用性能（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，因此必须对涂料进行配方设计方能满足各方面要求。涂料配方设计是指根据基材、涂装目的、涂膜性能、使用环境、施工环境等进行涂料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、施工工艺和固化方式。

二、涂料配方设计的基本原则

在进行涂料配方设计时，一般遵循以下原则。

（1）对客户对涂料要求的性能、装饰效果等，要做到100%满足，对其他一些不是很重要的性能也要尽量控制在可以接受的范围。

（2）在保证性能的前提下尽量降低成本，因此，配方设计是不追求最好的性能，而是性能达标就好。

（3）对涂料的生产工艺的设计，应本着能用简单工艺就不用复杂工艺的思路，尽量减少生产环节对保证涂料批次稳定性是很关键的。

三、涂料配方设计时须考虑的因素

建立一个符合实际使用要求的涂料配方是一个长期和复杂的课题，涂料配方设计的关键就是根据涂层性能和环境的要求合理地选择树脂、颜料、溶剂、助剂。

一般来说，涂层的力学性能和热学性能主要与成膜的树脂关系密切，树脂的主要作用是黏结底材和颜料，起到成膜的作用；而涂层的功能主要与功能填料和着色颜料有关，颜料主要是赋予涂层的物理性能。简而言之：树脂帮助成膜，颜料赋予功能，溶剂改善树脂可成膜性，助剂平衡和改善成膜的性能。因此，成膜物质和颜料是配方设计的重点。在配方设计时要考虑选择什么树脂、什么颜料，颜料占树脂中的多少，利用什么样的混合溶剂体系可以溶解树脂或起到预期的分散作用，利用哪些助剂改善涂层的流平性、流挂、抗氧化、开罐率、提高储存性能、防止沉底结块以及提高涂层的附着力、提高涂层的光泽或降低光泽等。对于功能涂料来说，树脂或成膜物质主要起载体作用，而功能颜料则提供或赋予涂层特别的物理性能。

由于使用环境及对涂层性能要求不同，配方设计时考虑的因素也不完全一样。

各种组分的类型和用量对涂料的性能影响很大，如一种组分选择不当可能就会导致涂料配方的失败。因此，在选择配方的总体组分时，除了要充分考虑每种成分的作用外，还要考虑各种成分之间的协同作用和配伍性。在选定了合适的组分后，决定涂料性能最重要的因素就是颜料的体积浓度。此外，也要考虑溶剂对涂层的施工工艺和对涂层性能的影响，以及溶剂对控制涂料的流动性、黏度、干燥时间所起的作用。因此，在配方设计时除了对原料有一定的了解外，还应对涂料的生产设备和生产条件有一定的了解。

总的来说，进行涂料配方设计时需要考虑以下几方面因素。

（1）涂覆的目标和目的　如基材的材质，是高档产品（如轿车、飞机、精密仪器仪表等）还是中低档产品（如家用电器、内外墙、桥梁、塑料、纸张等）。

（2）涂膜性能要求　是一般的装饰，还是起保护作用，还是赋予被涂物件某种特殊功能，如防腐、防污等。一般来说，涂膜的性能具有一定的相对性，如硬度与柔韧性、附着力与成膜性、亲水性与防水性、防腐蚀性与表观性能等，因此，过高追求一种性能，势必会损害其他性能，配方设计需要找到这些性能的平衡点。

（3）使用环境和施工环境　如户内还是户外，高温还是低温，干燥还是潮湿等。

（4）成膜物质——树脂的化学性质和物理性能　如室温干燥固化还是反应固化，柔软性/硬度比，与被涂基材的黏结性、耐候性、耐紫外线辐射性能、防腐蚀性等。

（5）挥发物——溶剂和稀释剂的物理化学性质　如挥发速率、沸点、对树脂的溶解性、毒性和闪点等。

（6）颜料的性质　如着色力、遮盖力、密度与基料的混溶性（分散性）、耐光性、耐候性和耐热性等。

（7）助剂的作用　如防沉、防流挂、防桔皮、消泡性能，帮助颜料润湿分散，改善涂料的施工性和成膜性等。

（8）成本考虑　包括原材料的成本，生产成本，储存和运输成本等。用于高档产品的涂料，其性能要求更高些，价格可以较贵些；用于低档产品的涂料，性能可以稍差些，价格则可以便宜些。

（9）竞争力因素　明确所设计的涂料配方产品是市场上的全新产品还是其他公司已有类似的产品，若是后者，则要比较所设计的产品与其他产品在性能和价格上的优势，包括涂料本身的性能，如固含量黏度、密度、PVC及储存期等；使用性能，如遮盖力，需要涂几次才能达到所需的性能要求，是常温干燥还是升温反应固化成膜；漆膜的性能，如柔软性/硬度比、附着力、耐候性、耐紫外线辐射性能、耐酸碱性、耐化学药品性、耐溶剂性、耐污性、耐温性和耐湿性等。以此确定产品是否在某一个或某几个主要性能上优于市场上现有的同类产品，或性能近似但价格上有很大的优势。

四、配方设计的一般步骤

涂料配方设计的一般步骤如下。

（1）分析任务目标，找出具体性能指标　用户提出开发任务时，可能包括多个应用技术指标，配方设计师应将全部应用技术指标认真分析、分清主次、确定主要指标（通常对完成配方设计起关键作用）并兼顾次要应用技术指标（避免影响涂料整体功效）。特别要正确处理和解决相互矛盾或相互影响的应用技术指标。涂膜的交联密度与柔韧性、涂膜的亲水性与防水性、涂膜耐蚀性与装饰性等都是配方设计中应均衡考虑的关键性能。

（2）选择配方的组成成分

①成膜物质的选择　成膜物质是涂膜网络结构的基础构架，应根据涂料应用性能、使用环境及寿命，选择成膜物质的类型与品种，根据被保护底材特性与涂装要求，确定涂料固化体系及成膜方式。

②颜料的选择　根据颜色、遮盖力的要求选择合适的着色颜料，根据填充、打磨性、硬度等机械性能以及成本等选择合适的体质颜料，根据特殊功能选择其他功能性颜料。

③溶剂的选择　根据溶解、分散、稀释及成本等综合要求选择合适的混合溶剂体系。

④助剂的选择　根据涂料及涂膜的性能要求，选择合适的助剂种类。

（3）定量　设置PVC或颜基比、固含量、配方总量等的值，通过计算得到配方各组分的用量。

（4）把上述配方转化为生产配方，确定生产工艺过程，进行生产。

（5）性能检测　验证各组分对涂料性能的贡献，强化主要应用技术指标，模拟应用环境，全面考核涂料应用性能。

（6）根据检测结果，改进配方。

一般而言，涂料的配方设计步骤皆如上所述，但要达到的目的不同，配方设计的切入点也有差别。