涂料配方设计研究初探

data-full-width-responsive="true"> 君欲善其事，必先利其器，这句出自《论语》孔子的话就是告诉我们凡事若要做的好，首先得选择好工具也就是讲究方式方法。涂料要做的好也需讲究涂料配方设计的方式方法。涂料，就是涂覆在被涂物表面并能形成牢固附着的连续薄膜的材料。涂料在被涂物表面涂覆后起简单装饰、保护作用，或赋予基材某种特殊功能。现代涂料工业的发展正朝着功能化、高装饰性、环保与低成本化方向发展，因此涂料配方设计首先要把握住现代涂料的发展方向。大多数涂料是由基料(一种树脂或几种树脂的混合物)、颜填料、溶剂以及一些少量的涂料助剂所组成。在设计配方前首先应对涂料的各个组分以及各组分所采用的原材料有充分的认识和了解。如基料决定该涂料的基本性能；颜料主要赋予涂料色彩和遮盖力；填料主要赋予涂料质感，降低成本；溶剂用于溶解树脂，调节涂料挥发速度等施工性能；涂料助剂可以改进生产工艺，保持贮存稳定，改善施工条件，提高产品质量，赋予特殊功能。只要开发出适宜性价比，满足不断翻新的人类社会需求，符合一定的使用环境和所需寿命要求的产品，就达到了涂料配方的设计目的。涂料配方设计虽有一定的理论指导，但主要是基于实践中的经验方法，需要经过配方设计、配制实验、性能检测、调整配方这样一个反复进行直到最后得到一个满意的配方。1 涂料配方设计一般步骤涂料配方设计一般来说，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来选定基料树脂和颜料，再根据施工要求和选定的基料来确定溶剂，最后再考虑添加助剂，形成一个初步配方。涂料成分的性质是多元的，各成分之间匹配组合，存在物理化学作用、协同增效等效应，各组分的绝对数量和它们的相对比例对涂料的性能有很大影响，因此设计配方时要选择好每一组分并充分考虑各组分之间的交互作用。11 成膜物种类的选择并确定其用量成膜物的选择应根据涂料的应用性能结合各种树脂的物理化学性质来确定。以成膜物化学结构和成膜机理为依据，预测涂料性能并确定成膜条件与方式。李桂林介绍了一种确定成膜物组成的方法-涂料性能预测法，它是一种通过计算与成膜物相关的涂膜某种性能参数从而实现对成膜物进行选择的方法。如通过对成膜物形成涂膜的有效交联密度(P)和渗透指数(PI)等参数计算，预测涂膜防腐蚀性介质渗透能力，确定成膜物品种、配比和固化体系，减少试验次数，提升配方设计水准。12 颜填料种类的选择并确定其用量涂料配方的变化基本上也就是基料与颜填料之间比例的变化。所谓颜/基比(P/B)是指颜料的质量和基料固体分质量的比值。不同用途的涂料采用不同的颜料基料比。在配方的最初设计阶段采用颜/基比是非常实用的。一般来说面漆的P/B约为025~09︰1，而底漆的P/B约为(2~4)︰1之间。建筑用乳胶涂料，通常外用型P/B为(2~4)︰1；而内用乳胶涂料在(3~7)︰1范围内。如为有光乳胶涂料，P/B往往要小于10。通过P/B可以大概推知涂料的某些性能。颜基比虽然在设计涂料配方时比较简单方便，但在应用上尤其是在对组成不同的涂料进行性能试验结果比较时很难说明问题。由于涂料许多物理性能与颜料体积浓度(PVC)的变化有一比较明确的对应关系，因此可以通过计算颜料及临界颜料体积浓度(PVCCPVC)来帮助设计涂料配方。此方法更准确简便，所设计出来的配方与涂料的期望性能很接近，因而会大大减少实验量。颜料体积浓度(PVC)是指涂料中颜填料的体积与配方中所有固体组分(包括树脂、乳液的固体组分和颜料、填料等)的总体积之比(计算过程只要先将各组分换算成固含量再换算成体积即可)。PVC(%)=颜填料总体积(颜填料总体积+漆基固体总体积)=(Mi/ i) (Mi/ Mj/ j)式中，Mi：颜填料质量；Mj：漆基(树脂)质量； i：颜填料密度；j：漆基(树脂)密度。i=1~n，表示不同颜填料的品种；j=1~m_表示不同漆基的品种。PVC的取值可以从0(即完全是基料)到1到100(即完全是颜料)变化，在此范围内有个临界点即堆积状颜料层的空隙刚好完全被基料充满，这个临界点就称作临界颜料体积浓度CPVC。颜料体积浓度的主要特征是在低于CPVC时，颜料粒子很少接触，而高于CPVC时基料被空气取代，在CPVC浓度两侧涂料性质例如：附着力、机械性能、遮盖力、光泽等发生突变。因此在设计涂料配方中可以作为一个重要的参照点。涂料品种和PVC/CPVC的一般对应关系如图l所示。在具体反复多次的计算过程中可借用计算机在EXCEL数据库中进行。通过调整树脂及颜填料的加入量可以得到合适的PVC/CPVC的值。以上11和12已确定了涂料配方的基本组分，为了满足性能上的要求还须使用一些溶剂和助剂，用于溶解树脂，调节涂料的粘度，总固体份，挥发速度等，使得涂料骨架合理，符合施工条件以及使用要求。设计一个涂料的初步配方不难，但是对此配方进行调整以使得到所有要求的良好性能就不是一件容易的事情，必须经过反复实践，反复认识的过程。在调整涂料配方时候我们可以采用一定的数学统计方法，以便在较少的实验次数获得较好的配方。2 涂料配方调整的数学统计方法数学统计方法可以帮助我们以较少的实验次数获得较好的配方从而取得事半功倍的效果。涂料配方通常包含多个组分，因此其配方方案设计的思维方法是属于多因素多水平试验设计。此类配方设计方法通常有正交试验法和均匀设计法。21 正交试验法所谓正交实验法就是利用数理统计的概念和正交原理所编制的规格化正交表，恰当地设计出试验方案和有效地分析试验结果，提出最优配方和工艺条件，进而设计出可能更优秀的实验方案的一种科学方法。主要包括以下步骤：(1)确定因素。这里的因素是指对所测试项目性能有影响的几个主要因素。(2)确定因素的取值范围。因素的取值范围是指影响 所测试项目性能的较大的几个因素，根据一定的理论知识和经验条件完成对因素水平范围的选取，也可提前通过简单的实验确定某个影响因素例如温度的大致范围。(3)选择正交表。根据确定的因素和水平，选择合适的正交表。下面列举两例规格化的正交表见表1和表2。(4)填写正交表格。将所确定的因素和水平对号入座填入所选择的正交表格，在分析结果时该表还要添加其他的行和列，例如极差等。(5)测试结果分析。采用极差的直观分析法或者统计学的方差分析法对测试结果数据进行分析，找出对被测试项目影响最大的因素以及最佳的因素水平组合。骆光林等通过正交试验得出对彩喷纸白度和平滑度而言最优的聚乙烯醇(PVA)、羧甲基纤维素(CMC)以及涂布量的数值。正交法的优点是从方案设计到结果分析都完全表格化，试验具有均匀分散、整齐可比性，是安排多因素试验的有效方法，因此被广泛应用。22 均匀设计法有些试验，由于影响因素很多，每个因素变化范围大，水平也多，即使采用正交设计法，试验次数也太多，因此可采用均匀设计法，这种从均匀性出发的试验设计，是近年来由中国数理统计学家方开泰、数学家王元发明并逐步被推广应用的均匀设计法。均匀设计法最先应用于中国航天三院在研究航对舰飞航导弹运行条件中的难题。按常规该难题要做约2800万次的试验，根本不可能实施。按正交试验法，找不到这样庞大的正交表，而方开泰等应用均匀设计试验，只用5因素31个水平，仅做31次试验，其效果接近2800多万次的试验，成功地解决了此难题。均匀设计具有一系列的优点：(1)布点均匀，代表性好；(2)每个因素每个水平只做一次试验，试验次数与水平数相等；(3)试验次数只按水平数增加而增加。例如水平数从3增到4，试验次数相应从3增到4 (而正交设计，试验次数却从32=9增到42=16)；(4)可以通过计算机给出的定量方式，进行数据处理如进行多元线性回归分析，分析某些因素对某项指标的影响，此时建立试验指标各因素水平关系的回归模型，即数据分析是均匀设计中的最重要的环节之一。数据分析一般要应用回归分析法，因为它能够可靠地判断变量之间是否存在相关关系、定量地描述变量之问的关系、揭示影响因素的主次、可用于预测或控制。这里往往要应用计算机辅助设计建立回归模型。姚钟尧在均匀设计法设计异戊胶配方试验中选择了三个因子及用量范围：X1-半补强炭黑20~40；X2-硫磺08~2；X3-促进剂(TMTD)08~22，考察胶料的拉伸强度Y1(MPa)、扯断伸长率Y2(%)、撕裂强度Y3(Kn/m)和扯断永久变形Y4(%)。得出的试验结果，作者应用自己开发的计算机辅助试验研究系统对所得结果数据进行回归分析，采用三元线性回归模型-(Y=b0+b1X1+b2X2+b3X3)拟合数据得出回归方程，找到了X1，X2，X3与Y的函数关系，进一步通过显著性检验剔除那些次要的、可有可无的变量，重新建立更为简单的回归方程，以利于更好地对Y进行预报和控制，但为找到最佳方程还是得考虑多元二次逐步回归分析，这就更加依赖于计算机辅助设计对繁多庞大的数据进行回归拟合分析。这也是方开泰先生强调的均匀设计的数据分析做法[2,8-9]。回归分析法看似很繁杂，但借助计算机辅助软件其实也不是很难。因此对研发出合适的涂料配方我们充满信心。总之，以熟知成膜物和颜填料基本特性为基础，充分考虑溶剂(包括水)和助剂的功效，正确理解正交设计法和均匀设计法各自的条件和优势后，熟练应用，这样我们才能在实验中取得事半功倍的效果，即以最小的试验次数获取最多的有用信息，逐步缩减试验范围最终设计出合理的涂料配方，研发出符合潮流发展方向的涂料新品种。