精细化学品生产工艺 第七章：涂料配方设计
涂料配方设计
涂料配方设计涂料配方一般说来，我们先根据涂料的使用要求，即涂料在工作环境下应具备的性能指标来选定基料树脂和顔料，再根据施工要求和选定的基料来确定溶剂，在此基础上再来考虑涂料的添加剂或其他助剂等，形成一个初步配方。
涂料中各组成的绝对数量和它们的相对比例对涂料的性能有很大影响。
其中只要有一个组分选择不当，涂料的性能就会变差。
乳胶涂料的顔/基比（P/B）？在乳胶涂料中，基料与顔料是重要的组成部分，在顔料和基料已经确定的情况下，涂膜的构造和物理性能基本上取决于二者之比。
所谓顔/基比是指顔料分（即顔料和填料）的质量百分数对固体树脂（不挥发分）质量百分数的质量比，通常用P/B来表示。
顔料体积浓度（PVC）在进行乳胶涂料配方设计时，往往是以质量百分数表示。
然而构成乳胶涂料的树脂、顔、填料及其他固体添加剂，它们的密度差异很大，因此它们在整个涂膜中的体积分数显着不同。
而在确定涂料干膜性能时，体积分数比质量分数更为重要。
特别是对不同配方的涂料进行性能比较试验时，其体积分数的重要性更为突出。
顔料体积浓度是涂膜中顔料的体积在涂膜总体积中所占的百分比，以PVC来表示临界顔料体积浓度（CPVC）临界顔料体积浓度是指基料聚合物正好覆盖顔料粒子表面并充满顔料粒子堆积空间时的顔料体积浓度，通常用CPVC表示P/B是设计涂料配方时起什么作用？•在研究涂料中顔料和基料间的质量关系时，只需简单的数字运算，在配方的最初设计阶段是非常实用的。
在实际应用中，按涂料的P/B来进行内用、外用乳胶涂料的分类是可行的。
通常外用型的P/B为（2.0～4.0）：1.0，较为适宜的是3.0：1.0。
而内用乳胶涂料在（4.0～7.0）：1.0范围内。
如为有光乳胶涂料，P/B往往要小于1.0。
通过P/B可以大概推知涂料的某些性能。
P/B高的配方，其性能不适于户外使用，因为外墙涂料要求有良好的耐久性及耐候性，而较少的基料不能在大量顔、填料粒子周围形成连续涂膜。
7第七章 涂料生产工艺
砂磨研磨料的粘度一般在3～15P之间。
砂磨机应采取夹套水冷却来控制研磨温度。 因为研磨产生热量使温度不断上升，过高的温度会影响漆 料的性质并造成大量溶剂挥发损失，易引起质量与安全事故。
但保持一定的研磨温度对提高研磨效率又非常重要。因此， 在允许范围内研磨温度应采取高限。 较高的温度使研磨浆粘度降低,从而提高物料的流动性,加速 砂粒与研磨浆中颜料粒子的剪切作用,有助于研磨浆的充分分散。
WUHAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
化工学院
张学敏
Chapter 7 production of pigmented paint
珠粒尺寸大于5mm时，常用作球磨 ball mills研磨介质。 球磨没有搅拌盘，仅采用同一大小的瓷球，或采用粒径较 小的钢球(1.5mm～30mm)。
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润湿分散剂按分散颜料的稳定形态，分为： 解絮凝型和受控絮凝型两种
（1）解絮凝型润湿分散剂 它具有色相稳定、着色力高、透明性 好或遮盖力强，涂料流动性好及涂膜光泽高等特点，解絮凝的这 些优点恰能满足面漆的高质量要求，故主要用于面漆。解絮凝颜
另外，偏离了最佳配比的色浆料，那怕偏离幅度并不大， 都可能造成研磨分散效率的极大下降，这也应引起密切重视。
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涂料配方
知识点1. 涂料：是指用特定的施工方法涂覆到物体表面后，经固化在物体表面后形成美观而有一定强度的连续性保护膜，或者形成具有某种特殊功能的涂膜的一类精细化工产品。
2. 颜料的组成：1）成膜物质：组成涂料的基础，又称为基料，是使涂料牢固附着于被涂物件表面上形成连续薄膜并黏结涂料中企图组分的主要物质，对涂料和涂膜的性质起决定性作用。
2）颜料：是一种微细的粉末状的有色物质，在使用过程中一般不溶于它所分散的介质，而始终以原来的晶体状态存在，因此它不能离开主要成膜物质（基料）而单独构成涂膜，称次要成膜物质。
3）助剂：也称为涂料的辅助材料组分，不能单独成膜，而是在涂料成膜后作为涂膜中的一个组分存在。
4）溶剂：是不包括无极溶剂涂料在内的各种液态涂料中所含有的，为使这些类型液态涂料完成施工过程所必需的一类组分。
3. 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。
涂料配方设计的关键：根据涂层性能和环境的要求合理地选择树脂，填料，颜料，溶剂及助剂。
4. 涂料配方设计的几种形式： 1）原材料更换 2）成本降低 3）产品改进 4）新产品开发 5）新原材料的使用 6）新技术5. 聚酯树脂的性质：6. 涂料体系选择的一般性原则： 1）涂料性能——耐磨性，柔软性，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（水，混凝土，钢，塑料，存在旧涂层等）。
3）涂料赋予的基本功能——防变质，防火，温度控制，标记，外观。
4）可使用性（表面处理及涂料使用设备工具）。
5）环境因素——温度，湿度，与化学药品接触，辐射，生物问题。
6）成本7. 涂料体系选择的主要因素： 1）基材 2）环境因素 3）表面处理 4）涂料的性能因素8. 涂料中常用的助剂：脂肪烃，脂环烃，芳香烃，萜烯烃和萜类化合物，氯化烃，醇类，酮类，酯类，醇醚类，其他助剂9. 涂料中溶剂的选择： 1）涂料中溶剂的组成 2）涂料中溶剂的作用 3）涂料中溶剂选择的原则：①极性相似原则——即极性相近的物质可以互溶，可根据物质的极性，初步确定选择什么溶剂。
涂料的制作方法
涂料的制作方法涂料是一种涂刷在物体表面以保护和美化物体的液体或粉末材料。
涂料的制作方法多种多样，下面将介绍几种常见的制作方法。
1. 水性涂料的制作方法水性涂料是一种使用水作为稀释剂的涂料，相比传统的溶剂型涂料，具有环保、无毒、易干燥等优点。
以下是水性涂料的制作方法：材料准备•丙烯酸乳液作为基料•起泡剂、改性剂、稀释剂等辅助材料•颜料：根据需要选择颜料种类和颜色•PH调节剂制作步骤1.将丙烯酸乳液倒入混合容器中。
2.根据比例添加相应的颜料，搅拌均匀。
3.加入适量的起泡剂、改性剂和稀释剂，继续搅拌至完全均匀。
4.添加PH调节剂，调整涂料的PH值，使之符合要求。
5.将制作好的水性涂料进行过滤，确保其质量。
2. 溶剂型涂料的制作方法溶剂型涂料是一种使用有机溶剂作为稀释剂的涂料，具有良好的附着力和耐候性。
以下是溶剂型涂料的制作方法：材料准备•有机溶剂：如醇类、酯类等•适用于溶剂型涂料的树脂•辅助材料：增稠剂、干燥剂等•颜料制作步骤1.在混合容器中，将适量的树脂和有机溶剂混合。
2.搅拌均匀后，加入适量的增稠剂，调整涂料的粘度。
3.根据需要，添加颜料调色，搅拌均匀。
4.最后加入干燥剂，以提高涂料的干燥速度。
5.将制作好的溶剂型涂料进行过滤，确保其质量。
3. 粉末涂料的制作方法粉末涂料是一种以固体粉末状物质作为涂料的涂料，其特点是干燥快、色彩丰富、附着力强。
以下是粉末涂料的制作方法：材料准备•合适的树脂粉末•颜料•辅助材料：流平剂、增稠剂等制作步骤1.将树脂粉末放入混合容器中。
2.根据需要，添加颜料进行调色。
3.添加适量的流平剂和增稠剂，以调整粉末涂料的流动性和粘度。
4.将混合均匀的粉末涂料进行过筛，以去除颗粒和杂质。
5.将制作好的粉末涂料进行包装，以防止其吸潮。
4. UV固化涂料的制作方法UV固化涂料是一种利用紫外线照射后迅速固化的涂料，具有优异的硬度、耐磨性和耐化学品性能。
以下是UV固化涂料的制作方法：材料准备•光敏固化剂：如光敏单体、光敏引发剂等•辅助材料：流平剂、增稠剂等•颜料制作步骤1.在混合容器中，将光敏固化剂和辅助材料进行混合。
涂料配方设计原理完整版
涂料配方设计原理 HEN system office room 【HEN16H-HENS2AHENS8Q8-HENH1688】水溶性醇酸树脂综述1概述醇酸树脂是美国通用电气公司Kienle于1927年提出的,它是以多元醇、多元酸以及脂肪酸为主要原料,通过缩聚反应而制得的一种聚合物.由于合成技术成熟、原料易得、树脂涂膜综合性能好,醇酸树脂已成为合成树脂中用量最大、用途最广的品种之一.但是,同其它溶剂型涂料一样,传统的醇酸树脂涂料含有大量溶剂(质量比大于40%),在生产施工过程中会严重危害环境和操作人员的身体健康.近年来,世界各国环保法规日益严格,传统的溶剂型涂料受到越来越大的挑战,涂料的水性化、高固体化趋势日益明晰.水溶性涂料是在成膜聚合物中引进亲水的或水可增溶的基团,使其成为可以水为溶解介质的一种涂料,它是20世纪60年代发展起来的一类新型的低污染、省能源、省资源涂料.由于其优点明显,涂料水溶性的研究应用已引起了广泛的关注并取得了重要进展.水溶性醇酸树脂涂料是新的发展趋势,得到了大量的研究开发.2 水溶性醇酸树脂涂料的研究现状合成树脂的原料用于合成醇酸树脂的原料有:植物油或脂肪酸、多元醇、多元酸、共溶剂和中和剂等.各种原料的作用不同,对水溶性醇酸树脂性能的影响也不同.植物油或脂肪酸合成醇酸树脂常用的植物油有豆油、亚麻油、红花油、(氢化或脱水)蓖麻油、葵花籽油、桐油、椰子油等.其中蓖麻油、氢化蓖麻油合成的醇酸树脂水溶性最好,椰子油次之,脱水蓖麻油、豆油、亚麻油较差.多元醇常用于合成醇酸树脂的多元醇有甘油、季戊四醇和三羟甲基丙烷.由甘油制备的醇酸树脂水溶性、干率和树脂的稳定性较差.季戊四醇反应较甘油活泼,一般与二元醇或三元醇配合使用,使用时要遵循“多元醇摩尔数大于多元酸摩尔数”的规则.三羟甲基丙烷形成的树脂的水解稳定性较甘油或季戊四醇形成的醇酸树脂有明显提高.多元酸常用于合成醇酸树脂的多元酸有邻苯二甲酸或其酸酐(苯酐)、间苯二甲酸、己二酸、马来酸、偏苯三酸等.苯酐价格便宜,酯化反应温度低,反应平稳易控制,但它容易形成半酯使树脂相对分子量降低,进而导致涂膜干燥时间延长,硬度降低.采用间苯二甲酸酐、偏苯三甲酸酐或不饱和二元顺酐代替部分苯酐可使以上某些缺陷得以弥补.中和剂中和剂是将阴离子树脂中的羧酸中和成可溶性盐的试剂,是水溶性醇酸树脂制备过程中必不可少的成分.中和剂的碱性强度、胺的相对分子质量、在水中的溶解度、挥发速度等能明显影响树脂的水溶性、稳定性、粘度、固化速度及涂膜的泛黄性.在具体使用时,通常应综合考虑以下几个因素:(1)挥发性好;(2)价格便宜,气味小;(3)对树脂的稳定性好.常用的中和剂有氨、氢氧化钾、三乙胺.其中三乙胺在常温下挥发速度适宜,其助溶效果比氨水和氢氧化钾都好,此外,三乙胺不会使聚酯产生胺解反应,提高了树脂的稳定性,是较为理想的中和剂.中和剂的用量应由pH值确定,一般控制在pH为～.共溶剂共溶剂(也称助溶剂)的作用是增加树脂在水中的溶解度,调节树脂的粘度,提高树脂的稳定性,改善树脂漆膜的流平性和外观.助溶剂的选择主要考虑助溶剂的偶合能力、蒸发速度及其降解效应.常用的助溶剂有正丁醇、乙二醇丁醚、丙二醇甲醚等.醇酸树脂的水性化研究要使醇酸树脂具有水溶性,最重要的是将树脂制成离子型聚合物.使醇酸树脂水性化的方法有:成盐法该法通过将聚合物中的羧基或氨基分别用适当的碱或酸中和,将聚合物主链转变成阳离子或阴离子,使聚合物溶于水.在聚合物中引入非离子基团法该法在醇酸树脂中加入含羟基或醚基的聚合物作为活性稀释剂,使树脂自行乳化于水中.将聚合物变成两性离子中间体法该法通过合成两性离子型共聚物而得到一种无胺或无甲醛逸出的新型水溶性涂料体系.干燥机理研究醇酸树脂的干燥一般遵循自氧化干燥机理:首先不饱和双键吸收氧气形成氢过氧化物,然后氢过氧化物分解生成烷基自由基,通过自由基的聚合增大树脂相对分子质量,形成最终涂膜.自氧化干燥的关键步骤是不饱和树脂与氧反应生成氢过氧化物.水溶性醇酸树脂与溶剂型醇酸树脂具有相同的干燥机理,但水溶性醇酸树脂因为制备过程和所含成分的不同其干燥过程又有自己的特点.水溶性醇酸树脂的干燥速率一般比相应的溶剂型醇酸树脂的干燥速率小,美国堪萨斯市涂料协会研究比较了以同类醇酸为基料配制的水稀释涂料和溶剂型涂料,用数据作曲线导出了两者间的干性通式:Y=+1(其中,Y是水稀释醇酸的干燥时间,X是溶剂型醇酸的干燥时间,h表示时间).主要原因是氧在水中比在一般溶剂中溶解度小,加上单态氧在水中的活泼期极短,致使醇酸吸氧较慢导致水稀释醇酸的干燥时间慢.而且,树脂种类、金属催干剂的含量和种类、施工环境的湿度、温度和溶剂组成、贮存时间、温度、颜填料种类也会影响涂膜干燥性能.很多涂料在成膜时的干燥效果并不理想,需要使用催干剂,催干剂就是自氧化干燥过程的催化剂.水溶性醇酸树脂的催干剂的选择和使用与溶剂型醇酸树脂不同,所用的催干剂要能水溶,且常要在中和树脂之前,将催干剂分散到树脂中或加入合适的分散剂与中和剂配合使用,使催干剂稳定分散到水溶性体系中.目前研究较多的是将催干促进剂如二吡啶基化合物与新型聚合型催干剂如Ne、Al 和Ba联合使用,也可用稀土化合物作催干剂.孙曰圣等人对各种稀土离子作了筛选研究,最终推荐了一种新的催干剂体系即钴/铈或钴/混合稀土.改性方法研究水稀释醇酸树脂的相对分子质量比相应的溶剂型树脂的相对分子质量低,涂膜干燥缓慢、硬度低、耐水性差、耐腐蚀性差,气干型醇酸树脂受日光照射易变黄、户外耐候性不佳.为了提高水溶性醇酸树脂的性能,有必要对醇酸树脂进行改性.醇酸树脂分子具有极性主链和非极性侧链,使其能够和许多树脂及化合物较好的混溶,为醇酸树脂进行各种物理改性创造了条件;醇酸树脂分子上具有羟基、羧基和双键等反应性基团,可以通过化学合成的途径引入其它分子,是化学改性醇酸树脂的基础.因此,可用多种途径对醇酸树脂进行改性.苯乙烯改性苯乙烯改性醇酸树脂涂料具备三大特点:粘接力强、耐水性好、干燥速度快.苯乙烯改性醇酸树脂的基本方法有双键共聚法、官能化苯乙烯改性法及偶氮酯自引发聚合法.双键共聚法双键共聚法是苯乙烯与含共轭双键的植物油、脂肪酸或醇酸树脂发生共聚反应的方法.由于它是由未改性的醇酸树脂、苯乙烯均聚物和苯乙烯接枝共聚物三者混合而成,树脂组分不均匀,故还存在与其它树脂的相容性较差,贮存稳定性差等不足.为了得到优良的苯乙烯共聚产品,大量的研究者对共聚反应的工艺和原料进行了改进.Qu等人利用苯乙烯共聚改性的顺酐醇酸树脂提高了普通苯乙烯改性醇酸树脂的耐溶剂性能、贮存稳定性等性能,拓宽了原料的选择范围,降低了改性树脂的成本,扩大了改性树脂涂料的应用领域.官能化苯乙烯改性法官能化聚苯乙烯改性醇酸树脂是指在聚苯乙烯分子上引入具有反应活性的基团,将聚苯乙烯链引入到醇酸分子上.官能化苯乙烯改性醇酸树脂的优点有:(1)原料油或脂肪酸在选择上有较大的自由度,可以不用含有共轭双键的油或脂肪酸;(2)可以在醇酸树脂分子中引入最大限度的聚苯乙烯链段,而不影响树脂体系的透明性;(3)树脂组分均匀,树脂涂膜的耐酸、碱、盐及耐溶剂性能优异;(4)拓宽了改性醇酸树脂的原料选择途径.偶氮酯自引发聚合法偶氮酯自引发聚合是将含有偶氮基的小分子物质与植物油的醇解物或高羟值醇酸树脂即多元醇的羟基反应,生成聚偶氮酯,然后利用聚偶氮酯的热分解产生自由基,引发苯乙烯聚合得到醇酸树脂分子上含有聚苯乙烯的共聚物.偶氮酯自引发聚合工艺的优点如下:可以在无共轭双键油、脂肪酸或氧化油的存在下将醇酸树脂苯乙烯化;反应不需任何引发剂或催化剂;接枝活性点在多元醇分子骨架上,避免产生大量的聚苯乙烯均聚物.但该法工艺耗时长(20h左右)且苯乙烯的转化率低(60%～75%),因此工业化生产有一定的限制.丙烯酸改性丙烯酸改性醇酸树脂的方法有:冷混拼用法、双键共聚法和利用两个组分基团间的反应.冷混拼用就是用聚丙烯酸酯与醇酸树脂通过物理方法混溶以提高醇酸树脂物理化学性能的方法.Bakule用该法制备出了物理化学性能较好的涂膜,并能满足低VOC含量的要求.双键共聚法就是丙烯酸类单体与含有双键和共轭双键的醇酸树脂的共聚.该法改性后的醇酸树脂涂膜的耐水性、耐碱性、耐久性、耐候性、干率和硬度均有较大提高.但是该共聚物体系中会残留部分未反应的丙烯酸单体,这会导致贮存稳定性下降,耐溶剂性差等不足.通过调整工艺和配方,改变引发剂种类、添加链转移剂能使这些弊病得到一定程度的克服.利用两个组分基团间的反应有三种方法,即保留双键法、单甘油酯法和脂肪酸法.Levine将反应性丙烯酸树脂与干性油脂肪酸、间苯二甲酸和三羟甲基丙烷及偏苯三酸酐一起反应合成了改性水溶性醇酸树脂.Kuzma等用多官能度体系改性水溶性醇酸树脂的干率、耐候性等性能时发现,在反应后期加入5%三羟甲基丙烷三丙烯酸酯可提高水溶性醇酸树脂的性能.从总体上看,丙烯酸改性醇酸树脂比苯乙烯改性醇酸树脂具有更好的耐候性、保光性以及耐刮伤性.因而,对醇酸树脂的丙烯酸改性是一个很有发展前景的研究领域.有机硅改性有机硅改性醇酸树脂有物理法和化学法两种方法.物理法虽然通过简单的混合便大大改进了醇酸树脂的耐候性,但仍有一定的缺陷,故此法已被淘汰.化学法是将有机硅中间体与三羟甲基丙烷、间苯二甲酸和脂肪酸一起反应得到一种含羟基的预聚物,然后与偏苯三酸酐反应再进行水性化而得到的聚合物.通过化学方法改性的水性醇酸树脂涂料具有与水溶性醇酸树脂类似的施工性能,而且其干燥性能、耐候性(10年以上)、耐久性、耐热性、抗粉化性和耐水解性都得到改善,并且还显示出优良的外观和耐水性.其他改性方法其他的改性方法还有聚氨酯改性、纳米材料改性、环氧树脂改性、硝基纤维素改性、氯化橡胶改性等.Chen等将自制的粒径较小的纳米氧化物用于改性醇酸树脂涂料,结果发现纳米醇酸树脂涂料的抗菌性能和耐酸耐碱性能均优于普通的醇酸树脂涂料.Rokicki等人采用单烯丙基甘油醚改性的醇酸树脂综合性能优良,Knox采用顺酐化脂肪酸合成水溶性醇酸树脂,较传统偏苯三酸酐醇酸树脂大大提高了综合性能.3 水溶性醇酸树脂涂料的应用铁道车辆近二十年来,铁道车辆用涂料及涂装经历了几次变化,涂料档次和涂装工艺水平有较大的提高.涂料品种中的底漆由酚醛、醇酸铁红或磁化铁防锈漆改为环氧酯磷酸锌或铬酸锌底漆,腻子由酯胶、石膏腻子逐步改为环氧酯或不饱和聚酯腻子,面漆则由丙烯酸改性醇酸、脂肪族聚氨酯替代了普通醇酸漆.汽车工业汽车涂料产量占涂料总产量的15%～20%,在涂料工业中占有举足轻重的地位.汽车涂料主要包括底漆、中涂漆和面漆.在我国,水溶性醇酸树脂涂料早已在阳极电泳底漆中得到应用,但还需要得到进一步发展,在中涂漆和面漆中的应用也需要做进一步的研究.国外车身涂料底漆用的主要漆基就包括各种改性的醇酸树脂、环氧树脂等优质的水溶性树脂.船舶工业钢铁船舶保护的最主要方法是涂装,船舶涂料按使用部位的不同分为水上部位涂料、水线区涂料和水上部位涂料.醇酸树脂涂料一直是水上部位的主用涂料,而且已经实现水性化.在所有船舶涂料品种中,醇酸防锈漆和醇酸船壳漆也一直是近20年来我国海洋船舶的主流品种,美国海军则以有机硅改性醇酸为主.另外,苯乙烯改性涂膜由于具有较好的耐水性一直是我国内河船舶漆首选产品.建筑领域醇酸树脂涂料在建筑领域应用历史悠久,需求量巨大,当使用水溶性醇酸树脂涂料时可具有与树脂相同或更好的涂装效果.但是目前国内的内、外墙涂料以中低档水性涂料为主,在高档产品的研发和市场推广方面显得力不从心.丙烯酸醇酸涂料光泽度高,实干时间(6～8h)较短、保色保光性优于传统醇酸树脂,并且涂膜性能良好,易刷涂施工,是目前国内最佳的民用漆品种.4 水溶性醇酸树脂研究的发展趋势与其它种类树脂漆相比,水溶性醇酸树脂的优势在于使用大量的植物油或脂肪酸,对石油产品的依赖性较小,以空气/氧气方式固化,从而使得树脂固化成本较低,且其涂膜的水蒸气透过率较低,具有良好的防潮性能.尽管我国醇酸树脂工业已有相当规模,其水性化研究也已有一定规模,但与发达国家相比仍有很大差距,主要是产量有限,应用普及程度不高,技术水平较低,人均消费量极低,而且,我国水溶性醇酸树脂涂料品种较少,产品性能较差,许多特种原料、助剂、半成品、最终制品还需进口.在国外涂料企业纷纷步入中国市场的今天,国内同行只有大力开发具有自主知识产权的高性能涂料才能赶超世界先进水平.水溶性醇酸树脂继承了传统醇酸树脂的优点,而且可以通过改性来获得良好的耐候性、耐水性、耐腐蚀性等性能,同时,以醇酸树脂作为水性涂料,大大降低了VOC含量,顺应了环保要求,其市场前景广阔.。
课程设计涂料的配方设计
课程设计涂料的配方设计一、教学目标本节课的学习目标包括知识目标、技能目标和情感态度价值观目标。
知识目标要求学生掌握涂料的基本成分、配制原理和性能指标。
技能目标要求学生能够运用所学知识进行涂料的配方设计，并能够进行简单的涂料性能测试。
情感态度价值观目标要求学生培养对涂料行业的兴趣，增强环保意识，认识到涂料质量对人类生活的重要性。
二、教学内容本节课的教学内容主要包括涂料的基本成分、配制原理、性能指标和配方设计方法。
首先，介绍涂料的基本成分，包括树脂、颜料、溶剂和助剂等，并讲解各种成分的作用。
然后，讲解涂料的配制原理，包括涂料的分散、稳定和干燥等过程。
接着，介绍涂料的性能指标，如附着力、硬度、耐磨性等，并讲解如何进行性能测试。
最后，介绍涂料的配方设计方法，包括根据需求选择合适的树脂、颜料、溶剂和助剂等，并进行配方优化。
三、教学方法本节课采用多种教学方法，包括讲授法、讨论法、案例分析法和实验法等。
首先，通过讲授法向学生传授涂料的基本知识和原理。
然后，通过讨论法引导学生进行思考和交流，提高学生对涂料配方的理解。
接着，通过案例分析法让学生分析实际案例，提高学生解决实际问题的能力。
最后，通过实验法让学生亲自动手进行涂料配制和性能测试，增强学生的实践能力。
四、教学资源本节课的教学资源包括教材、参考书、多媒体资料和实验设备等。
教材和参考书用于提供涂料的基本知识和原理，多媒体资料用于展示涂料的配制过程和性能测试结果，实验设备用于进行涂料配制和性能测试。
此外，还可以利用网络资源，如涂料行业新闻、论文等，为学生提供更多相关信息。
五、教学评估本节课的教学评估方式包括平时表现、作业和考试等。
平时表现评估学生的出勤、课堂参与度和团队合作表现。
作业评估学生的学习成果和理解能力，要求学生完成涂料配方设计报告和性能测试分析。
考试评估学生的综合理解和应用能力，包括选择题、填空题和解答题等形式。
评估方式应客观、公正，能够全面反映学生的学习成果。
工业化学中的涂料配方设计与优化
工业化学中的涂料配方设计与优化在工业化学中，涂料配方设计与优化是一个非常重要的领域。
涂料是一种广泛应用于建筑、汽车、船舶等诸多领域中的化学制品，其性能直接关系到涂装表面的质量和使用寿命。
因此，如何设计一组性能优异、成本低廉的涂料配方，是工业化学领域中的一大难题。
本文将从涂料配方的组成、性能指标、配方设计和优化等方面对此进行探讨。
涂料配方的组成涂料配方一般由溶剂、树脂、填料、助剂和颜料等组成。
其中，溶剂是用来将其他成分溶解或分散的介质，通常使用有机溶剂，如酮类、醇类等。
树脂是涂料中最重要的成分之一，它负责涂料的粘附力和耐久性。
填料则主要用来增加涂膜的硬度、强度和耐磨性等，常见的填料有氧化铝、硅酸钙等。
助剂则是用来调节涂料的流变性、粘度等性能的物质。
颜料则是用来赋予涂料颜色和外观的材料。
性能指标涂料的性能指标包括干燥速度、附着力、硬度、耐化学性、耐候性、耐热性、耐磨性和美观度等。
其中，附着力是指涂膜与基材之间的牢度程度；硬度则直接关系到抗刮擦、抗磨损的能力；耐化学性是指涂料在化学药品侵蚀下的耐受性；耐热性则是指涂料在高温下的不变形和不变色性能；耐候性是指涂料在阳光、风雨、冰雪等严峻气候条件下的耐受性；美观度则是一种主观指标，通常包括颜色、光泽和表面平整等。
配方设计与优化涂料配方的设计和优化是一个极其复杂的过程，通常需要进行大量的试验和分析。
涂料的配方设计必须考虑各种性能指标的平衡，以达到最佳的性能和成本效益。
具体优化过程中，除了需要考虑成分配比外，还需要考虑制备工艺、施工条件等因素对产品性能的影响。
在涂料配方设计中，先要确定涂料的用途和性能指标，并选择合适的树脂、填料、助剂和颜料等成分。
然后进行成分的优化配比和配方的初步设计。
随后，通过原料的选用和混合、过滤、分散、稳定化等工艺参数的优化，得到最终的成品。
最后，对涂膜进行检测，以确定涂料是否达到标准。
在涂料配方优化过程中，往往需要借助统计分析方法，以便在产品性能指标间建立数学模型。
涂料的配方设计与性能优化
涂料的配方设计与性能优化涂料，作为一种广泛应用于建筑、工业、汽车等领域的材料，其性能的优劣直接影响着产品的质量和使用寿命。
而涂料的性能很大程度上取决于其配方的设计。
一个合理的涂料配方不仅能够满足特定的使用要求，还能在成本、环保等方面达到较好的平衡。
涂料的主要组成成分包括成膜物质、颜料、溶剂和助剂。
成膜物质是涂料的基础，它决定了涂料的基本性能，如附着力、硬度、柔韧性等。
常见的成膜物质有树脂，如醇酸树脂、丙烯酸树脂、环氧树脂等。
颜料则赋予涂料颜色和遮盖力，同时还能提高涂料的耐久性和防腐性能。
溶剂的作用是溶解或分散成膜物质和颜料，使其形成均匀的液体涂料，便于施工。
助剂虽然在涂料中的用量较少，但却能显著改善涂料的性能，如流平剂能使涂料在施工后表面更加平整光滑，消泡剂能消除涂料在生产和施工过程中产生的气泡。
在进行涂料配方设计时，首先要明确涂料的使用环境和性能要求。
例如，如果是用于户外的涂料，就需要具备良好的耐候性和耐腐蚀性；如果是用于家具表面的涂料，就需要有较高的光泽度和耐磨性。
根据这些要求，选择合适的成膜物质、颜料、溶剂和助剂。
成膜物质的选择是关键的一步。
不同的成膜物质具有不同的性能特点。
醇酸树脂具有良好的丰满度和光泽度，但耐候性较差；丙烯酸树脂则具有较好的耐候性和保色性；环氧树脂具有优异的附着力和耐化学腐蚀性。
在选择成膜物质时，需要综合考虑涂料的性能要求和成本。
颜料的选择要考虑颜色、遮盖力、耐光性和耐候性等因素。
无机颜料通常具有较好的耐候性和耐化学腐蚀性，如钛白粉、氧化铁红等；有机颜料颜色鲜艳，但耐候性相对较差。
为了达到良好的遮盖力和颜色效果，常常需要将不同类型的颜料进行搭配使用。
溶剂的选择要考虑其对成膜物质和颜料的溶解性、挥发性以及环保性。
挥发性有机化合物（VOC）含量过高的溶剂会对环境造成污染，因此在配方设计中应尽量减少 VOC 的使用，选择环保型溶剂或水性溶剂。
助剂的选择要根据具体的需求来确定。
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(含酰亚胺基的、含萘酚结构的、含联苯酚的、含四官能团的)
环氧树脂的几个重要质量指标
1. 环氧值A 2. 环氧指数B 3. 环氧当量C 4. 羟基值F 5. 羟基当量H 6. 酯化当量E
树脂的“性能”取决于它的“组成”和“结构”。在 设计树脂中必须从 组成→结构→性能相互关系入手。
1. 醇酸树脂
醇酸树脂是Kienle于1927年提出的，是由多元醇和 多元酸(或酐)进行酯化反应而制得，包括植物油或脂肪 酸。醇酸树脂涂料价格低，成膜性好，涂膜缺陷少。但 其涂膜的室外耐久性较差。
根据植物油中含脂肪酸的不饱和程度的不同，一般将 植物油分成干性油(碘值大于140)、半干性油(碘值为 125～140)和不干性油(碘值小于125) 。植物油(或脂肪 酸)的不饱和程度越高，干性越好，但树脂的颜色则愈深。 使用具有特定结构的合成脂肪酸部分替代植物油可以获 得某些特殊性能的醇酸树脂，从而改进漆膜性能。常用 油类的化学及物理常数见下页表。
的成膜物质，具 有粘结涂料中其 它组分形成涂膜
常 用
的功能。通常由 成
一种或几种树脂 膜
组成，它是使涂 基
料牢固附着于被 料
涂物面上形成连 及
续的薄膜，决定 其
着涂料的基本特 分
性 中最，重是要涂的料组配分方。类
环氧树脂 酚醛树脂 氨基树脂 聚氨酯 有机硅树脂 油脂和油基树脂 纤维素衍生物 氯化橡胶 乙烯类树脂 丙烯酸酯类树脂 沥青类
HMMM的官能度高，具有低黏度和高交联活性，广泛用于水溶性涂 料和高固体分涂料中，漆膜的柔韧性抗水性更高，与醇酸树脂的相 容性更好。
5. 聚氨酯
聚氨酯树脂是由多异氰酸酯与多元醇缩合而成的，其分子主 链含有强极性的氨基甲酸酯基。
聚氨酯树脂最显著的特点是优良的耐高低温性、韧性、耐磨 性、柔软性、耐化学品性和黏结性，具体使用时又有单组份 和双组份之分。
环氧树脂涂料的配方设计
1.环氧树脂种类对涂膜性能的影响
(膜的耐化学药品性、膜的有效交联密度、膜的玻璃化温度、膜的渗透指数)
2.固化剂的选择 3.溶剂的选择(对环氧树脂的溶解性、挥发速度) 4.颜填料的选择(着色颜料、保护颜料、功能性颜料、体质颜料) 5.助剂
环氧涂料所用助剂的作用和种类
作用
种
类
降低黏度
环氧树脂的固化剂
1.胺类固化剂(脂肪族胺、芳香胺、脂环族胺、叔胺) 2.改性胺类固化剂(胺环氧树脂加成物、胺加成物、Mannich碱) 3.酰胺类固化剂(聚酰胺树脂、酰胺基胺、改性聚酰胺) 4.酸酐类固化剂 5.合成树脂类固化剂(酚醛树脂、氨基树脂、多异氰酸酯) 6.潜伏性固化剂(咪唑类、双氰胺、有机酰肼、某些改性的有机胺)
影响聚氨酯涂膜性能的因素
1. A、B组分的类型 2. -NCO/-OH的配比 3. 催化剂的品种与用量 4. 固化条件 5. 颜填料的影响 6. 溶剂、助剂的使用
6. 有机硅树脂
硅树脂是由甲基氯硅烷和苯基氯硅烷经水解、缩聚等步骤而 制得，通常是线型和体型聚合物的混合物。其中所含甲基和苯基 的比例对涂膜的性能有很大的影响：甲基含量高的硅树脂涂膜硬 度高，憎水性好，但与颜料和其它树脂的混溶性差；苯基含量高 的硅树脂涂膜热稳定性好，坚韧性好，与颜料和其它树脂的混溶 性好，但耐溶剂性较差。
醇酸树脂涂料中基料的配方设计
① 根据油度估计甘油的过量值，并求出油的投料量， 使缩聚反应单体的平均官能度小于2；
油度/% 甘油过量/%
30～40 30～35
40～55 17～30
55～60 10～17
60 0～10
② 列出配方，计算各反应物的mol量；
③ 计算临界凝胶点Pc，确认按配方投料不会发生 凝胶现象。
单组份聚氨酯
氨酯油、氨酯醇酸树脂
Hale Waihona Puke 先将干性油与多元醇进行酯交换，再与二异氰酸酯反应，加入
催干剂，通过油脂的不饱和双键在空气中干燥而固化
单 封闭性聚氨酯
组 份
由多异氰酸酯和多羟基树脂两部分组成，其中异氰酸酯已被 苯酚、己内酰胺、或丙二酸酯封闭，使用时利用不同结构的
聚 氨酯键的热稳定性差异，置换反应而固化。
液态碳氢树脂和苯并呋喃-茚树脂
减少泡沫
聚硅烷和消泡剂
在湿膜里 促进空气释放 聚硅烷、低浓度的表面活性剂
避免颜料沉淀 气相SiO2、氢化蓖麻油、膨润土 增加颜料的润湿 聚羧酸酯、硅烷
提供触变性 改善流动性
气相SiO2、氢化蓖麻油、膨润土 硅油、硅树脂、脲醛树脂
改进韧性
稀释剂、乙烯或乙烯-丙烯酸树脂
在干膜里 改进硬度
有机硅树脂的改性
长油醇酸树脂
化 学 聚氨酯 聚 合 改 环氧树脂 性
涂料用氨基树脂的种类
1.丁醇改性脲醛树脂 白色黏稠液体，多用于和不干
性醇酸树脂配制氨基醇酸烘漆，以提高醇酸树脂的硬度和干性，但 由于脲醛树脂耐候性、耐水性稍差，多用作室内漆和底漆。
2.丁醇改性三聚氰胺甲醛树脂 应用同上，
但抗水性、抗化学药品性、抗酸碱性、电绝缘性和耐电弧性更好。
3.六甲氧基甲基三聚氰胺树脂 (HMMM)
转 化 型 非 转 化 型
无机硅酸类
涂料用树脂的要求
1.聚合物分子结构和性能符合涂膜的技术要求(防锈、耐 水、耐候、耐化学腐蚀等性质)。 2.分子量要适中。一般来说漆用树脂分子量愈高，涂膜的 物理机械性能愈好，但树脂的溶解性，混溶性和润湿性也 随之降低。故要求分子量适中。 3.溶解分散性要好，便于涂布。 4.能与其它树脂互溶，以便配合使用，提高涂膜性能。 5.成膜性良好，能赋予涂膜良好的防护性和装饰性。涂膜 具有适当的交联度。 6.稳定性要好,树脂在储存和使用中,至少保持半年不坏。 7.对颜料的湿润性好，便于颜料的分散。
质 分
聚氨酯 聚乙烯
按 溶液涂料
涂 乳胶涂料
料 水基涂料
剂 粉末涂料
型 分
乳液涂料 双组分涂料
按 木制品涂料 室内用
被 汽车涂料
室外用
涂 物 体
建筑涂料 船舶涂料
木材用 金属用
分 金属用涂料 混凝土用
涂料的分类
按 涂 膜 外 观 分
大红漆
有光漆
亚光漆
半亚光漆
皱纹漆
锤纹漆
按 涂
按 常温固化
固 高温固化
改进耐磨性
酚醛树脂 聚合物柔韧剂、石蜡
3. 酚醛树脂
酚醛树脂是甲醛(或多聚甲醛)与2-3官能度的苯酚及 其衍生物加成缩合而成的。它是最早(1909年)工业化的 塑料之一。
当酚与醛的配比中酚过量并用酸催化时，得到的是 热塑性线型树脂，而采取醛过量碱催化时，得到的是热 固性交联型树脂。
线型和醇溶型在油类中溶解性很差，柔韧性、附着性 不太好，除了在耐化学腐蚀或胶泥方面外而很少应用于 其它目的。
精细化学品设计及生产
第七章 涂料产品配方设计
飞虹涂料生产工艺具体流程
第一节 概述
涂料是涂覆在物体上，能对被涂物起保护、装饰或其它作用， 由多种组分复配而成的一类精细化学品。
涂料的四个作用 ①保护作用 ②装饰作用 ③色彩标志作用 ④功能作用
一、涂料的分类
按 醇酸树脂
成 丙烯酸树脂
膜 酚醛树脂
物 环氧树脂
化 射线固化
涂 刷涂
打底漆 防锈漆
装 方 式
喷涂 电泳涂 烘涂
料 防火漆 分 流化床涂
特 耐高温漆
殊 功 能 分
防污漆 防霉漆 绝缘漆
荧光漆
二、涂料配方技术的发展
节约成本、降低能耗、保护环境、生产机械(自动)化、计算机辅助配方设计
“4E” 即:经济(Economy)、效率(Efficiency)、生态(Ecology)、能源(Energy)，
硅树脂的固化机理
1. 脱除水或乙醇的缩合反应(或消除氢) 2. 用过氧化物引发双键的自由基反应 3. 铂催化氢硅烷与双键发生加成反应
不同固化方式的比较
固化方式 优点
缺点
应用范围
缩合反应 耐热性好,成本低, 易发泡,须控 涂料,线圈浸渍,层压 强度、黏结性好 制官能团的量 板,憎水剂,胶黏剂
自由基 反应
纯有机硅树脂只能烘烤成膜，涂膜具有耐热、耐水和耐候等优 良性能，但对底层附着力较差。常与醇酸树脂、聚氨酯等并用或共 聚来改性。
水解法制备有机硅树脂的工艺流程
有机硅单体
有机氯硅烷
不 含
硅醇
有
机 烷氧基硅烷
官
能 团 氨基硅烷
的
酰氧基硅烷
含不饱和基
含 团的硅烷
有
机 官 能
羟基代有 机硅烷
团
的
环氧基代 有机硅烷
醇酸树脂涂料配方中其它原料的选择
•溶剂(中长油度醇酸树脂常用石油溶剂，短油度则常用芳香族碳氢化合物) •催干剂(钴、铅、镁、钙、锌、锰、锆的环烷酸盐，辛酸盐） •防结皮剂(酚类衍生物如叔丁基酚或酮肟如甲基乙基酮肟，用量为0.5%
～1.5%）
•防沉剂(热解硅、硬脂酸处理过的蒙脱土、氢化蓖麻油） •润湿剂(钙和锌的环烷酸盐，辛酸盐，脂肪醇硫酸酯、蓖麻油酸衍生物、
加成反应
可在低温下固化， 空气妨碍表面 线圈浸渍，层压板，
贮存期长，可实现 固化
胶黏剂
无溶剂化
固化时形变小，不 催化剂易中毒，套管，线圈浸渍，层
发泡，易控制反应 影响固化
压板
有机硅树脂配方设计的原则
1. R/Si值，即烃基取代程度 2. Ph/R值，即取代基中苯基数目占全部烃基的比值
3.单体的结构
三、涂料的主要种类
⑴ 油脂漆类 ⑵ 天然树脂漆类 ⑶ 酚醛树脂漆类 ⑷ 氨基树脂漆类 ⑸ 硝基漆类 ⑹ 纤维素类 ⑺ 过氯乙烯类 ⑻ 乙烯基类 ⑼ 醇酸树脂类 ⑽ 丙烯酸树脂漆类 ⑾ 聚氨酯漆类 ⑿ 环氧树脂漆类 ⒀ 有机硅类 ⒁ 沥青类