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色漆生产工艺,涂料色浆的性能平衡

发布时间:2020-03-16 13:27:34 点击率:

      经过高速搅拌研磨,再分散终达到设定定要求的色浆运用调漆工序后,依操作程序,需要补加规定数量的色浆、溶剂及助剂,以便制得的色漆成品各组分的配比完全符合标准配方的规定,并且有合适的粘度,一定的固体含量和良好的稳定性。调漆阶段的工作内容包括调整颜色、平衡配方以及通过合适的加料或者减料方法对色浆进行长期稳定化处理,包括色浆存储稳定性,调漆后的稳定性等。

      实质是对研磨漆浆进行稳定化处理的概念,容易被忽略有时会出现依配方量将需要补加的物料加入研磨漆浆后,不仅不能获得更加稳定的色漆产品,反而导致了质量严重下降,甚至完全毁坏(如胶凝析出)的现象。

问题的根源是由于色浆中的漆料和调漆用漆料,组成的差异造成的。也就是说,两种相差较大的漆料突然间密切接触时,容易出现“胶体冲突”现象,故而给调漆操作带来难度。漆料的不相似性不仅表现在组成方面的差异,同时也包括漆料粘度、表面张力、温度、漆料胶束形成和其它性能方面的差异。

色漆制造的根本目的是获得以颜料为分散相(不连续相),以漆料为连续相的稳定化的胶态分散体系,这就意味着,不仅颜料要呈良好的分散状态,而且漆料也要形成良好的分散体系,虽然某种程度的不均匀是允许的,甚至有时人为地使色漆产品呈现轻微的不均匀性,以获得某些希望的性能(如令颜料呈微絮状态,有助于降低硬性沉淀现象)。然而不可控制的不均匀性将严重导致产品质量下降,甚至会造成不可挽回的经济损失。因此深入研究导致漆浆不稳定的问题,采取行之有效的避免措施,将研究漆浆中漆料和调漆漆料两者间的不相似性,由不利因素转化成有利因素是十分重要的研究课题。

(一)稳定性不良

1、树脂析出(树脂沉淀)

涂料用合成树脂对溶解它的有机溶剂都有其一定的容忍度,树脂溶液(即漆料)的固体含量在允许范围内,树脂可以溶解,低于此范围树脂便会从溶液中析出(即沉淀出来)。

在调漆过程中出现的树脂析出问题,是由调漆操作技术不当而造成的。

如一种醇酸磁漆用三辊机研磨分散的加工,该产品的研磨漆浆中的漆料是固体含量为67%的醇酸树脂溶液。该树脂在200号油漆溶剂油中的稀释极限是固体分不低于27%,由于所制得醇酸磁漆中相应的醇酸树脂漆料的固体含量为45%,这种色漆产品的组成应当是在树脂呈良好溶解状态的安全范围内。但是若是调漆阶段,稳定化处理的方法不得当,也有可能导致局部区域树脂的固体含量范围低于27%,而使树脂析出,体系的稳定性破坏。

为了说明问题,我们假设将含颜料的研磨漆浆缓缓加到装有溶剂的搅拌罐中。在开始调稀时,罐中溶剂的树脂含量为零,随着研磨漆浆的加入,稀释溶剂中的树脂含量增加,树脂含量在0~27%的范围内发生沉淀。在这里,任何强有力搅拌只会加速沉淀的产生,树脂含量高于27%,过程向反方向进行,树脂溶解而不会沉淀,树脂又重新溶解,漆料达到45%的固体含量。尽管如此,由于在此过程中,树脂的暂时析出,会使原来已经包覆有树脂膜的颜料粒子间的空间位阻降低,彼此接近,聚集在一起而发生不可逆的颜料絮凝,使分散体系的稳定性破坏。

以上仅仅是一种假设,通常的操作不会将研磨漆浆加入溶剂中,也不会将含有颜料的研磨漆浆加入溶剂含量较高的漆料之中。正确的操作恰恰相反,是将溶剂或溶剂含量较高的漆料在搅拌情况下,缓缓加入含有颜料的研磨漆浆之中。即使是这样如果调漆操作不当,例如,在未开动搅拌的情况下,向研磨漆浆中加入溶剂,尽管体系搅拌均匀后,所加入的溶剂不会导致研磨漆浆中漆料的固体含量降低到其容忍度下限以下,但是局部区域的漆料被大量溶剂冲稀,也有可能造成其固体含量低于容忍度下限,这时,该区域的树脂完全有可能析出,而导致颜料絮凝,分散体系破坏等一系列不良现象的发生。

这种现象就是我们所讲的树脂析出或称作树脂沉淀。它是分散体系破坏的诱因之一。

2、树脂剥离(颜料析出)

所谓树脂剥离是指已分散好的研磨漆浆中,包裹在颜料表面的树脂被溶剂迅速溶解,而脱离颜料表面进入溶液之中的现象。

当大量的溶剂或溶剂含量较高的调漆漆料,加入少量树脂固体含量较高的研磨漆浆中,如三辊机研磨漆浆中。当树脂浓度不平衡的两相相接触时,体系就有自动趋于平衡的趋势,小分子量的溶剂迅速移向树脂浓度高的颜料粒子包覆膜周围,进而将原来均匀包覆在颜料粒子表面的树脂溶解并进入溶液中,即相当于将树脂从颜料粒子表面剥离,这种剥离现象发生的结果,使包覆颜料粒子的树脂膜由厚变薄,而导致空间位阻下降,使颜料粒子重新接近,并可能聚集成大颗粒,削弱甚至破坏了颜料分散体系的稳定性。

由上所述,不难看出,树脂剥离和树脂析出现象的本质是一样的,仅仅是二者的程度不同而已。

3、溶剂迁移(溶剂扩散)

当一种树脂固体含量较高的漆料加入溶剂含量较高的研磨漆浆,如砂磨机或球磨机的研磨漆浆中,立即会发生相互迁移和扩散作用,两种不同浓度的漆料有自动趋于平衡,成为单一均匀漆料的趋势。尽管在此过程中,树脂和溶剂这两种组分均参与相互迁移和扩散过程。但是穿过界面转移的主体几乎完全是更易运动的溶剂组分,并继而使两相混合均匀。因此,应当把这种调漆过程看作是,溶剂从含溶剂量较高的漆浆迅速迁移到含溶剂较少的漆料中,这种溶剂迁移的控制是否得当,是对研磨漆浆进行稳定化处理是否成功的一个重要方面。因为,类似上述溶剂迅速迁移现象的发生会导致研磨漆浆中颜料的絮凝,漆液的返粗。

我们应当清醒地认识到,这种溶剂的迁移作用不一定包括颜料的迁移。事实上,颜料往往会集留在原来的研磨漆浆体系中,并随着溶剂迁移到调漆漆料去的同时,体积不断缩小。结果,集留的颜料粒子在漆浆收缩过程中被挤压得越来越密集,直至相互接触并聚结在起,这就会造成调漆过程中遇到的返粗现象。

Garrison的研究表明同系列的两种溶剂,其分子量较大的溶剂扩散速度较慢,也即因溶剂迁移造成颜料絮凝的可能较小。在所有同系列溶剂中,扩散速率大体上与溶剂分子量M的平方成反比。

设想两种异链烷烃溶剂,

一种是溶剂E(M=120,η=0.00085Pa·s,r=20×mN/m,沸程为116~141℃)。

一种是溶剂L(M=165,7=0.00154Pa·s,r=23×mN/m,沸程为189~208℃)。

由扩散速率与分子量的平方呈反比的关系可知,溶剂E的扩散速率约为溶剂L的两倍(1652/1202=1.9)。由此便知以低分子量的溶剂配制的溶剂含较高的砂磨漆浆,比用高分子溶剂造成调漆时溶剂迁移现象的潜伏危险性要大得多。在这种情况下,采用高分子量的溶剂(高沸点溶剂)制备研磨漆浆可将调漆阶段颜料絮凝的可能降低到。也即应当优先选用沸点较高及沸程较窄的溶剂来制备研磨漆浆。

4、树脂聚集

前面我们讨论了由于调漆时加入溶剂,如果使树脂的固体含量低于其稀释容忍度的低限,树脂便会析出,并导致研磨漆浆分散体系破坏的现象。这里要讨论的是两种固体含量、温度、粘度、表面张力等相差比较悬殊的漆料,在一起混合时,如何提高胶态分散体系稳定性的问题。

用于涂料的树脂皆为高分子化合物,它们在溶液中溶解时一般呈胶束状分散。尽管这些胶束是我们目测观察往往很难发现的,但是它们确实是以微小的实体存在着。因此,在色漆生产过程中,漆液中实际存在着两种分散体,即可见的颜料分散体,和较不明显的树脂胶束的胶态分散体。

在有效的搅拌下,树脂的胶束通常再分成细小状,当搅拌停止后,它们又会逐渐恢复原状。将一种低温的高粘度的漆料和一种低粘度的漆料相混合,如果搅拌能力不足的话,会导致聚集状的树脂很难完全分散,也即在树脂溶液中以分散状态不良的粗粒状凝胶状态存在,因此,即使在调漆过程中颜料分散体系十分良好的,因树脂本身的胶态分散体系不良,也会使漆液质量下降。

故而,警惕导致树脂聚集现象的产生,也是漆浆稳定化处理时的一个十分重要的问题

(二)稳定化处理的措施

(1)将研磨漆浆首先加入调漆罐中并在自始至终的有效搅拌下,均匀而缓慢地逐步加入需要补加的涂料、溶剂、助剂等组分是十分重要的。这样可以避免混合不均及加入的组分因局部增量太大,而导致组分悬殊所造成的各种稳定性破坏的现象。如溶剂或低树脂含量的漆料加入高树脂含量的研磨漆浆中,导致树脂析出或树脂剥离,或高树脂含量的漆料加入低树脂含量的漆浆中,引起溶剂迁移,以及高粘度漆料加入低粘度漆料中,导致的树脂聚集现象。

(2)应遵循先补加调漆用漆料后,再补加入调稀用溶剂的加料顺序。如果需要补加两种漆料时,需区别情况,采取不同的加料顺序。即对于三辊机研磨分散漆浆(漆浆中系高树脂含量的漆料),应先加入较高树脂含量的漆料,再加入较低树脂含量的漆料,以避免树脂剥离现象。相反,对于砂磨机、球磨机的研磨漆浆(漆浆中系低树脂含量的漆料),应先加入较低树脂含量的漆料,再加入较高树脂含量的漆料,以避免溶剂迁移或树脂聚集。

(3)向研磨漆浆中补加完漆料后,再小心加入调稀用的溶剂,切忌向研磨漆浆中直接加入溶剂(因这样会引起树脂剥离,或树脂析出的潜伏性危险比较大)。

另一种可以考虑的方法是,先将溶剂在有效的搅拌下,均匀缓慢地加入调漆用高树脂含量漆料中,初步满足溶剂对漆料的需求后,再将该树脂溶液,以上述程序加入研磨漆浆中,这样也可降低因溶剂的加入使研磨漆浆中原已包覆在颜料粒子表面的树脂剥离的趋势。

(4)当构成研磨漆浆的是低树脂含量的漆料时(如砂磨机研磨漆浆或卧式球磨机研磨漆浆),向其中补加高树脂含量漆料时,为防止因溶剂迁移而导致的分散体系稳定性降低,采取在有效搅拌下,缓慢而均匀地补加漆料的操作方法是有效的。

但是,为了安全起见,我们也需注意有意地适当提高研磨漆浆中漆料的树脂含量,以缩小研磨漆浆中漆料及调漆漆料在组成上的差别。

(5)在同系溶剂中,其扩散速度大体上与溶剂分子量的平方成正比,故而,以低分子量(低沸点)的溶剂配制的高溶剂含量的砂磨机研磨漆浆或球磨机研磨漆浆,比用高分子量(高沸点)的溶剂制备的研磨漆浆造成调漆时溶剂迁移现象的潜伏危险要大得多。

因此,通常在使用两种或两种以上溶剂时,尽量在研磨漆浆中使用高沸点溶剂,一方面可缓解调漆时的溶剂迁移现象,另一方面也可以减少研磨分散阶段的溶剂挥发损失,并减少环境污染。

(6)尽量避免将温度和粘度相差很大的调漆漆料和研磨漆浆直接混合,如将一种温度低而粘度又较高的漆料直接加入低树脂含量漆料组成的硏磨漆浆中(砂磨机硏磨漆浆或球磨机研磨漆浆),往往会产生树脂聚集或溶剂扩散现象,造成胶态分散不良或颜料分散不良等问题。有效的方法是漆料在加入研磨漆浆前,需做粘度及温度的调整。

(7)当用于调制复色漆的调色浆经贮存后粘稠度太大时,应先用搅拌将其强力搅拌均匀并破坏其触变性,如果必要的话尚需加入部分漆料将其调稀。然后再加入漆浆中调整颜色,这样不仅利于漆浆稳定化,同时可保证颜色均匀。

(8)调漆时要准确计量各种物料的加料数量并做好复核及记录,以免因加料量的误差导致上述不希望发生的情况出现。

(三)配方平衡

如前所述,无论采取哪种研磨制浆方式,在色漆生产过程中,总是在拟定工艺配方时将标准配方规定加入的原料分成“研磨漆浆加料”及“调色制漆加料”两部分。但是终必须保证每批产品加入原料的种类及其数量完全符合标准配方的规定。在色漆生产中,将在制漆阶段进行加料量的终调整。使每批产品的加料量符合标准配方规定的比例(或工艺配方规定的总量)的过程称作配方平衡。

通常,为达到配方平衡,在调漆加料阶段,需进行以下方面的工作。

(1)依据调色制漆加料配方的规定、数量和符合漆浆稳定化要求的加料方式,将调漆时需要补加的物料逐项加入研磨漆浆中。

(2)在进行上述项加料时,应考虑研磨制浆阶段加料量的变化,而在制漆加料阶段予以调整。例如,在用砂磨机进行研磨分散时,当需要更换花色时,往往需要用一部分漆料经供浆泵输入砂磨机筒体,把筒体内残存的漆浆(A)置换干净。这些漆料俗称“冲磨料”。在进行下一个花色分散时,又会被注入的研磨漆浆(B)顶出,合并入漆浆(A)中。因此,在用漆浆(A)调色制漆时,就需在补加的调漆漆料中,将这部分冲磨料的数量,从调色制漆加料配方中减掉。当然,还有其它原因会导致类似的加料量调整情况,操作起来,皆同此例,并不困难。

(3)在生产彩色漆时,由于依据标准颜色的需要,加入的调色漆浆量往往与调色制漆配方规定的数量不完全相同(可能是因为每批颜料的颜色、着色力的差别;也可能是配料预混合阶段颜料加量的微弱误差所致),而多加入一部分调色漆浆。大家知道,出于调色制漆时尽量减少调色浆加料的考虑,调色浆的颜料含量总是比较高的,这些调色浆超量部分,要想调整颜基比,就要补加相应的漆料;而补加相应的漆料后,又需视漆料量,补加相应的催干剂或交联树脂等(如醇酸树脂漆需补加催干剂,氨基树脂漆需补加氨基树脂)。

无疑,这种调整是配方平衡及稳定产品质量所必须的,也可以想象,在实际生产中这种平衡配方的计算是比较复杂的。尤其是考虑到许多色漆产品配方中的颜基比是彼此不同的,如果我们在对超量的调色浆进行颜基比调整,计算需补加的漆料量时要将其调整到生产中色漆的颜基比时,简直是难以做到。我们对每一种超量调色浆进行补加漆料量计算(以及与其相关连的催干剂及交联剂等的计算)时,不是将其颜基比调整到符合正在生产的色漆产品的颜基比,而是调整到与其颜色相同的色漆产品的颜基比。

例如:在生产醇酸树脂漆时,若加入的黄色调色浆超量的话,那么对这部分黄色调色浆进行补加漆料计算时,是将其调整成黄色醇酸磁漆的颜基比。这样,无论调整什么颜色的醇酸磁漆,也不管其颜基比如何,只要是黄色调色浆超量,我们调整颜基比需加入的漆料量是固定的。自然,因这部分漆料量的加入需补加的其它组分的量也是固定的。问题就简化了,但却不失科学的严谨。因为这种选择是基于一种假设,即假设对被生产的色漆产品进行颜色调整,不是用的调色浆,而是使用的同类型的磁漆进行颜色调整—一用同类型的磁漆互相混合,以配制其它颜色的磁漆(如黄醇酸磁漆和蓝醇酸磁漆配制绿醇酸磁漆)当颜色合格后是不再需要进行组分调整的。

以上所述,是我们进行配方平衡时需要牢记的原则,在这个原则下,各种调色漆浆的超量,需要补加的漆料及其它原料的种类和数量皆可预先计算出来并列成表格,操作者只需简单查表即可决定加料数量,

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