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涂料顏料的體積濃度對(duì)涂層性能的影響

作者：精顏化工日期： 2023-12-12 文字大小：大中小

解析涂料顏料：體積濃度PVC、臨界顏料體積濃度CPVC和顏料特性對(duì)涂層性能的影響

大多數(shù)涂料由填充有固體顆粒（顏料和/或填料）的粘合劑基質(zhì)組成。顆粒必須分散、穩(wěn)定和分布在涂料中。在成膜過(guò)程中，當(dāng)濕涂料轉(zhuǎn)變?yōu)楦赏苛蠒r(shí)，固體顆粒的均勻分布應(yīng)保持完整。

顏料體積濃度（PVC）

涂層性能受固體顆粒系統(tǒng)負(fù)載程度等因素的影響。一些涂料含有大量的固體顆粒，而其他涂料，如清漆，不含固體顆粒。涂料的顆粒負(fù)載量通過(guò)其顏料體積濃度（PVC）進(jìn)行量化。系統(tǒng)的PVC被定義為當(dāng)所有揮發(fā)性成分（水和溶劑）蒸發(fā)時(shí)，成膜后系統(tǒng)中固體顆粒的體積百分比。

高PVC體系具有高顆粒負(fù)荷，而低PVC體系含有低體積百分比的固體顆粒。

PVC是膜形成后系統(tǒng)的一個(gè)性質(zhì)。這意味著PVC是通過(guò)排除揮發(fā)成分（水和溶劑）來(lái)計(jì)算的。應(yīng)該使用非揮發(fā)成分的體積進(jìn)行計(jì)算，而這些體積需要通過(guò)使用每個(gè)組分的密度進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

考慮一種基于醇酸樹(shù)脂、二氧化鈦顏料和脫芳香溶劑油（D40）：
成分和功能

為了便于計(jì)算，我們忽略了添加劑。在100克油漆中固體顆粒的總體積可以通過(guò)將TiO2的重量除以其密度來(lái)計(jì)算。這給出了Vp = 6.00 cm3。油漆不含填料，因此：Vf=0.

現(xiàn)在我們看一下粘合劑，它由溶解在D40中的醇酸樹(shù)脂組成。粘合劑非揮發(fā)部分的重量為30.05克。從粘合劑供應(yīng)商那里我們知道純醇酸樹(shù)脂的密度為1.10 g/cm3。因此，粘合劑非揮發(fā)部分的體積為：Vb=27.32cm3。

通過(guò)使用定義，可以得出該油漆的PVC為18.0%。這個(gè)值告訴我們，在膜形成后的涂層系統(tǒng)中，82%的體積由樹(shù)脂組成，顏料顆粒占據(jù)18%的體積。

樹(shù)脂的密度

通常，技術(shù)數(shù)據(jù)表（TDS）中僅給出所提供的粘合劑的密度，而不是純樹(shù)脂的密度。純樹(shù)脂（所供應(yīng)的粘合劑的非揮發(fā)性部分）的密度可以通過(guò)計(jì)算進(jìn)行估算。以下是使用上述例子的計(jì)算方法。

我們知道溶劑D40的密度為0.78 g/cm3。醇酸樹(shù)脂溶液的密度為0.91 g/cm3；這不是醇酸樹(shù)脂的密度。60.1克粘合劑的體積為66.04cm3。

60.1克粘合劑包含30.05克醇酸樹(shù)脂和30.05克D40。根據(jù)D40的密度，可以估算出60.1克粘合劑含有38.53cm3的溶劑。粘合劑體積的其余部分估算為醇酸樹(shù)脂：Vb=27.51cm3。從這個(gè)分析中得出的估算醇酸樹(shù)脂的密度為1.09g/cm3。通過(guò)將固體顆粒的體積和粘合劑的估算非揮發(fā)部分的體積代入方程，得出涂層的估算PVC為17.9%。

盡管計(jì)算方法并不嚴(yán)格正確，但它往往能夠給出接近真實(shí)PVC的值。然而，最好的做法是使用涂層中存在的樹(shù)脂的非揮發(fā)部分的測(cè)定密度。

添加劑

上述計(jì)算中沒(méi)有考慮添加助劑。為了更準(zhǔn)確地計(jì)算系統(tǒng)的PVC，應(yīng)該包括添加劑。為此，需要了解有關(guān)添加劑的一些信息。首先，必須知道每種添加劑的非揮發(fā)物質(zhì)的重量百分比，通常稱為“固體”含量。其次，應(yīng)該獲取或估算每種添加劑的非揮發(fā)部分的密度。最后，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員必須知道添加劑是作為成膜聚合物還是固體顆粒來(lái)使用。

閱讀以上內(nèi)容，不難理解為什么在計(jì)算涂層的PVC時(shí)通常不考慮添加助劑。下面我們繼續(xù)討論臨界顏料體積濃度（CPVC）、顏料吸油性（OA）以及顏料形狀和密度對(duì)涂層性能的影響。

臨界顏料體積濃度（CPVC）

隨著PVC的增加，涂層的許多性能會(huì)突然發(fā)生變化。這些變化發(fā)生在CPVC上。CPVC可以定義為在緊密堆積的系統(tǒng)中，有足夠的粘合劑在顏料表面以及顏料顆粒之間的所有間隙空間上提供完全吸收的層。

涂料顏料組合的CPVC可以根據(jù)吸油率（OA）計(jì)算，前提是OA值基于非絮凝分散體。OA表示為每100克色素中亞麻籽油的克數(shù)。

ρ是色素的密度，93.5是亞麻籽油（EU）密度的100倍。OA和CPVC都以百分比表示，而不是分?jǐn)?shù)。OA和CPVC的定義都是基于緊密堆積的顏料粘合劑，其粘合劑剛好足以在顏料表面吸收并填充顏料顆粒之間的所有間隙。使用吸油值為20（#克亞麻籽油/100克顏料）且顏料密度為4.2克/立方厘米的金紅石型二氧化鈦（EU）的白色醇酸（EU）飾面的CPVC計(jì)算示例如下：

隨著涂料顏料密度和/或吸油值的增加，CPVC會(huì)減少。在CPVC以上，存在空氣孔隙（膜密度降低），在CPVC以下，顏料粒子分離。當(dāng)通過(guò)CPVC時(shí)，油漆行為發(fā)生急劇和突然的變化，這可以用于確定CPVC。性質(zhì)的突然變化包括：物理性（附著力、抗拉強(qiáng)度/伸長(zhǎng)和涂層密度）、耐久性（抗?jié)駳?、防銹、防潮滲透、起泡、濕附著力、耐污染性）和外觀（遮蓋、光澤、色力）。影響水和氧氣滲透的其他因素包括顆粒形狀和顆粒大小。顏料粒子的大小和形狀各異。用于描述顏料顆粒結(jié)構(gòu)的一些術(shù)語(yǔ)，按它們從球形度遞增的順序遞增如下：具有片狀顆粒的顏料可以降低滲透性，尤其是如果它們與涂層表面平行排列。云母（EU）、云母鐵氧體（EU）和金屬片（EU）是這類顏料的幾個(gè)例子。涂料顏料粒子的平均粒徑越小，顏料對(duì)致密填料的抵抗力就越強(qiáng)。例如，細(xì)（沉淀）碳酸鈣（EU）的密集堆積因子大致是較粗碳酸鈣的兩倍。單位重量顏料的表面積與顆粒直徑成反比。對(duì)于大多數(shù)形狀與球體、小球或矩形相差不大的顏料粒子而言，這種關(guān)系尤為真實(shí)。因此，對(duì)于給定重量的顏料粒子，減小直徑會(huì)使表面積翻倍，對(duì)于給定的顏料來(lái)說(shuō)，表面積越大，負(fù)載需求就越大。

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