高固体份涂料.ppt

1、高固体份涂料,低VOC的溶剂型涂料,Technology solutions,VOC，volatile organic compound HAP，hazardous air pollutants Four E Principles Economy，Efficiency， Ecology，Energy High solids coatings Waterborne coatings UV radiation curable coatings Powder coatings,体积固体份的概念 热塑性和热固性涂料(NVV 10%,25-35%) Basecoat NVV 45% Primer NVV

2、 50% Clearcoat NVV 70% 高固体份要求分子量和平均官能度降低，分子量分布变窄而达到溶剂型涂料的性能,涂料类型 VOC极限(克/升)高性能涂料 250地坪涂料 380混凝土保护涂料 400工业维护涂料 350防污涂料 450沥青涂料和填缝材料 500防火阻燃涂料 350高温涂料 650核电站涂料 380预处理洗涤底漆 780 ,高固体份涂料的定义和发展,VOC=,VOC 减去水分后的挥发性有机化合物含量，g/L； V 总挥发分（包括水，质量百分数），%； D 涂料密度（25），g/ml； W水分质量含量，% DW 水的密度（25），0.997g/ml,“66法规”1966年美

3、国发布全世界第一个关于有机挥发物VOC的法令 1998年美国要求工业涂料的从1990年的420g/L降低到250g/L 澳大利亚建筑涂料VOC100g/L 中国建筑涂料VOC在200g/L,涂料VOC计算ASTM3960-98,溶剂型涂料或水性涂料的VOC测定按ASTM3960-98 进行。水性涂料计算VOC必须减去水分后进行有机化合物的含量计算，,高固体份涂料的设计,高官能度：带羟基树脂分子间氢键，官能度越高会导致粘度越高,本身稳定性越低（在甲醇醚化三聚氰胺（MF）固化丙烯酸树脂时，本身小分子的释放增加VOC，需要提高丙烯酸树脂的羟基当量 分子量分布 溶剂:Tg、粘度、溶剂和齐聚物相互作用,

4、玻璃化转变温度和聚合物溶液粘度的关系即WLF方程,Tg代表玻璃化温度，r表示在T温度下的密度，C1和C2都是常数。后经Nielsen演变为,Nielsen规定C13.0，A17.44，B 51.6，尽管左式并不适合所有的树脂。但大多数高固体分涂料用树脂和左式很吻合。,分子量的降低将导致树脂玻璃化温度Tg的降低。低聚物的Tg可用下式表示,K是常数取决于树脂结构，范围从0.2105到3105，对聚酯树脂， K值的范围可缩小至0.3105到0.9105。聚酯的Tg将取决于分子量，分子量分布和聚合物的柔韧性。市售的二元醇和二元酸可以制备出Tg从60200 ,对于丙烯酸树脂来说，可以用Fox方程来表示：

5、其中Tg是共聚物的玻璃化转变温度，Tg1和Tg2是单体1和单体2的各自均聚物的玻璃化转变温度，W1和W2为在共聚物中两单体的质量分数。,低聚物Tg和分子量的关系,高固体份聚氨酯涂料,脂肪族聚氨酯涂料的高性能 脂肪族聚氨酯涂料用树脂多半是基于高分子量树脂 聚酯和丙烯酸多元醇组分,多异氰酸酯和多元醇的粘度,聚氨酯涂料中，多异氰酸酯占基料中重量的2030，对涂料整体粘度的影响较小,多元醇的粘度远高于多异氰酸酯。实际上即使是低粘度的多元醇的其粘度也是多异氰酸酯的数倍。即使采用粘度仅仅为几厘泊的多异氰酸酯，对降低涂料粘度的能力也有限。然而为了满足降低VOC的挑战，最简单的方法就是制备更低粘度的固化剂。通

6、过在生产工艺过程中的改变，就能获得更低粘度的三聚体和缩二脲。,新型的低粘度的多异氰酸酯,超低粘度的HDI三聚体，包含有95的纯三聚体，粘度为680 mPas。 HDI脲二酮的粘度100 mPas 脲基甲酸酯 三氨基壬烷三异氰酸酯（TTI） 活性稀释剂 噁唑烷 受阻胺(特别是天门冬氨酸酯) 封闭型胺（醛亚胺和酮亚胺）,低粘度的多异氰酸酯-脲二酮,三聚体和脲二酮（也就是二聚体）组成的混合物 具双官能团的脲二酮的涂料干燥较慢，涂膜较软 脲二酮加热时，很容易开环分解成单体,HDI脲二酮的结构,低粘度的多异氰酸酯脲基甲酸酯 -单体和短链醇反应,脲基甲酸酯的引入降低了固化剂的平均官能团度 得到相同或优化的

7、涂膜性能，必须修改配方,低粘度的多异氰酸酯三氨基壬烷三异氰酸酯（TTI）,三氨基壬烷三异氰酸酯（TTI）的粘度极低，只有10mpas，较低的当量值（84g/eq）。除了上述性质外，在毒性上，TTI完全不同于传统的异氰酸酯。采用这种异氰酸酯和HDI三聚体的涂膜性能相差不大。但它也并不能很大程度降低VCO。由于高分子量的多元醇控制着体系的粘度，而TTI异氰酸酯当量较低，并不能有效降低粘度。,低粘度的多异氰酸酯 受阻胺-天门冬氨酸酯,胺作为反应型稀释剂的优势是黏度较多元醇要低。 它们会迅速和多异氰酸酯反应形成聚脲，所以不适合于双组分聚氨酯涂料配方中 位阻胺-聚天冬氨酸酯反应速度适中，适用期合适，用于

8、高固体分涂料的位阻胺。,低粘度多元醇树脂,在聚氨酯涂料配方中，多元醇占了干基料的70%的重量，剩余的是多异氰酸酯，多元醇的粘度对整个体系的粘度起到决定性作用。 多元醇的粘度取决于两大因素：分子量和Tg。一般来讲，合成高固体份丙烯酸多元醇比合成聚酯多元醇要难。因为丙烯酸树脂的分子量的分布和官能团度的控制相对较难,窄分布低分子量丙烯酸多元醇的合成,采用夺氢能力较弱的引发剂，如叔戊基过氧化合物； 提高引发剂浓度（达到4或更高） 较高反应温度（超过150） 新的聚合工艺用于生产低聚物,窄分布低分子量丙烯酸多元醇,重均分子量（Mw）和数均分子量（Mn）。一般来说，MnMw，当1Mw/Mn6时，可以认为是

9、单分布。因此要严格控制分子量分布 Mark-Houwink方程式 =K.M 分子量升高时，需要增加额外的溶剂才能得到相同的粘度,平均分子量对多元醇粘度的影响,分子量分布过宽，较低分子量的分子的官能团度较低，甚至没有官能团，这样会降低涂料的交联密度，在涂膜内只能作为增塑剂，同时延长了干燥时间。高分子量树脂则增加了树脂的粘度。,乙基-2乙氧基丙酸酯(EEP),分子量分布对丙烯酸树脂影响,窄分布：避免的过低分子量和过高分子量的分子 。如果分子量分布过宽，较低分子量的分子的官能团度较低，甚至没有官能团，这样会降低涂料的交联密度，在涂膜内只能作为增塑剂，同时延长了干燥时间；而高分子量树脂则增加了树脂的粘

10、度 分子量极小时必须有极窄的相对分子量分布并且有足够的羟基酯单体参与聚合,单体组成对树脂粘度的影响,高反应性含羟基的单体：羟烷基（甲基）丙烯酸酯是最常用的羟基官能团单体 羟乙基（甲基）丙烯酸酯活性（伯羟基）羟丙基（甲基）丙烯酸酯（仲羟基） 非功能型单体有甲基丙烯酸甲酯，甲基丙烯酸丁酯，2乙基己基丙烯酸酯和苯乙烯。,单体组成对树脂粘度的影响,甲基丙烯酸甲酯：较高的硬度，耐化学品性和耐久性；链的极性较高和链端太硬，导致涂料的粘度较高 甲基丙烯酸丁酯的极性低于甲基丙烯酸甲酯，溶解性较佳，在相同的玻璃化温度下，粘度较低，但用量过多会使得涂膜发软 丙烯酸丁酯和2乙基己基丙烯酸酯单体，能够明显降低粘度，但

11、同时也降低了硬度和Tg，这对于低分子量的树脂，将遇到很大的问题。 苯乙烯价格相对较低、涂膜硬度较高和树脂的溶解性较好，应用相当广泛，但耐UV性较差，用量不能过高。,丙烯酸树脂： 甲基丙烯酸甲酯（MMA），苯乙烯，丙烯酸羟乙酯和丙烯酸（BA） 当MMA用甲基丙烯酸异冰片酯（IBOMA，Tg110）部分取代时，粘度有较大幅度的降低。,用IBOMA替代部分MMA后对树脂粘度的影响,引入支链型单体（特别是叔基）或有四个碳原子或更多的环烷基有助于降低粘度，同时保持树脂玻璃化温度Tg、分子量、官能团度和固含量不变。这些单体的极性较低，通过引入具有一定硬度的支链型单体和环烷基单体，将会导致Tg升高。,基于烷

12、基醇的制备高固体份的技术， 采用烯丙基醇(AA)、单乙氧酯烯丙基醇（AE1.0）和单丙氧酯烯丙基醇（AP1.0）作为链转移剂 烯丙醇的反应活性低于丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯，因此这些单体互相反应。这样提高了羟基官能团在聚合链上的分布。使得在固化的涂膜中形成一规则的三维交联网络结构,新的丙烯酸树脂的合成方法,窄分子量分布的丙烯酸树脂的合成,采用夺氢能力较弱的引发剂，如叔戊基过氧化合物；因为引发剂夺氢能力越小，所得树脂的粘度越低 提高引发剂浓度。引发剂浓度可达4或更高 较高合成反应温度（超过150） 采用链转移剂，如羟基硫醇链转移剂，不仅可以降低丙烯酸树脂的分子量，还可以提供聚合物端羟基。这些方法都有

13、利于得到相对窄的分子量分布和低分子量。 新的聚合工艺用于生产低聚物，并不需要较高的引发剂浓度,酸雨及紫外线对汽车涂膜的破坏,汽车的面漆丙烯酸三聚氰胺因酸雨劣化机理, 由SOx 、NOx形成的硫酸、硝酸与雨水一起降到车体,以此为起因,晴天时温度升高而被浓缩,三聚氰胺树脂一部分自己凝聚,另一部分与多元醇共同缩聚,在酸的催化作用下发生水解,于是分子间的交联被截断,特别是在超过涂膜的玻璃化温度Tg 的情况下酸的渗透变得容易,被截断的三聚氰胺树脂生成的酸和盐,溶于水析出,使涂膜发生腐蚀。 水解反应对温度有依赖性,夏季正午时分测得的涂膜表面温度,白色类涂膜上升到43 . 黑色类涂膜温度上升到72 ;测得的

14、深色类涂膜雨斑比浅色涂膜雨斑所造成的损害更显著。,防酸雨涂料,减少三聚氰胺量，减少或避开乙缩醛式交联 辅助性地引入其他固化形式以弥补交联不足部分 采用新固化体系 异氰酸酯固化 引入烷氧甲硅烷基 羧酸/环氧类的固化,丙烯酸树脂与耐酸性,增加丙烯酸树脂中苯乙烯的量 提高疏水性,增加树脂的玻璃化温度Tg 涂膜的透水率与耐酸透水率越低,耐酸性越 佛罗里达暴露试验所证实,丙烯酸三聚氰胺因酸雨劣化机理,丙烯酸三聚氰胺因酸雨劣化机理,酸雨对汽车面漆层腐蚀作用的评价方法,酸雨对汽车面漆层腐蚀作用的评价方法,硫酸点蚀法（MaZda用pH1的硫酸溶液85/30min观察涂膜 Dupont10%硫酸，在温度梯度烘箱

15、中，不同温度下试验，0-10级评分 试验室失重的测定和实际酸雨试验吻合 IR和XPS试验说明了氨基树脂水解的机理,润湿剂和分散剂,颜料分散： 润湿：基料取代颜料颗粒表面空气，要求基料的表面张力低于颜料 分离：分离机械的工作是将剪切应力施加在悬浮于基料的聚集体上 稳定化：避免絮凝 电荷相斥，位阻相斥,润湿剂和分散剂的作用,减少涂料分散过程所需的时间和能量， 同时使颜料分散体稳定。 增加涂膜的光泽、 改善流平性、 降低色浆的粘度 防止浮色、流挂、沉降,低分子量润湿分散剂,阴离子、阳离子、电中性、双官能团和非离子型润湿分散剂 通过亲水端有与颜料表面形成物理化学键的能力，颜料表面疏水端向外定向排列，它

16、不能降低表面张力； 非离子型润湿分散剂才是真正意义上的润湿剂，它可以降低涂料表面张力而在底材上得到扩散 低分子量分散剂又称为传统型分散剂，分子量介乎400-2000之间，主要是线性烷基酰胺类或枝型多聚羧酸或多聚羧酸与多元胺组成的低聚物,超分散剂（高分子量分散剂）,线性的或支化的高分子，化学结构为聚氨酯或聚丙烯酸酯 分子量一般在500030000g/mol 具有垂挂着的多个锚定基团，能够吸附到有机颜料粒子表面。 吸附主要通过氢键、偶极作用和范德华力。因为分散剂同时作用很多点位上，所以它的吸附作用很强。 超分散剂主要包括两大类： 聚氨酯类超分散剂：有效降低研磨色浆粘度，适合于高颜料浓度配方。 聚丙

17、烯酸酯型：在低极性至高极性系统具有更普遍的相容性。具有高分子量能够有效分隔颜料粒子。,分散剂表面锚定基团对不同的颜料的锚定性能,常用的两类超分散剂,图3-基于多锚定基团的超分散剂 图3- 基于单锚定基团的超分散剂,超分散剂的中聚合物链和锚定基团的链接形式,锚定基团在聚合物的末端 锚定基团 在聚合物的两端 BAB型嵌段共聚物,ABA嵌段共聚物 无序共聚物 梳型共聚物,高固体份涂料的组成及施工,高固体份涂料在一定的时间内其交联速率一定要快，带来施工期限较短的问题。解决: 在2,4-戊二酮稳定剂,铝鳌合剂作为催化剂 防止颜料絮凝 烘烤型涂料，在交联到一定程度以前，粘度将更低。防流挂非常重要 有机粘土

18、，膨润土，氢化蓖麻油，聚酰胺或聚脲,高固体份涂料的活性稀释剂,为了提高户外耐候性，常加入硅氧烷作为反应性稀释剂，可提高汽车清漆的耐酸雨性,颜料在高固体份涂料的作用及影响,涂料固体份的增加，颜料对涂料粘度的影响越来越明显 含有35%体积固体份的普通涂料，干膜中的PVC为40%，而湿膜的颜料体积份为14%；如果涂料体积固体份增加70%，那么湿膜中颜料将占28%的体积份，足以明显升高粘度。 低粘度的低聚物经常会使得颜料絮凝，增加了低剪切力下的粘度 为了防止絮凝，则需要更多的高分子型颜料稳定剂。问题在于稳定剂吸附在颜料表面，实际上提高了颜料颗粒的体积,溶剂在高固体份涂料的作用,高固体分丙烯酸树脂的合成温度高，要求溶剂有足够高的沸点和对体系的溶解能力 溶剂的分子量越低，涂料的粘度及VOC越低。 溶剂对聚合物的溶解力。在溶解力强的良溶剂中，聚合物溶液粘度比在同浓度的不良溶剂中的粘度低；2） 氢键的形成。聚合物中若含有大量羟基和羧基，则由于相互之间的氢键作用，粘度可能很高，但加一些酮类溶剂如环己酮，则聚合物溶液粘度可以下降很多。这是因为这类溶剂不仅不提供氢键，而且还是氢键的受体，能起到转移聚合物链之间氢键作用力的作用； 3）自身粘度：粘度相差不大于1