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智能化调色系统用溶剂性木器涂料色浆的研发

文卫华,陈云龙,何志伟

(广东知木新材料有限公司,广东韶关,512600)

摘要:简要分析了颜料浓缩浆的构成和分类,溶剂型浓缩浆和水性浓缩浆的区别,分析了木器涂料用的颜料浓缩浆的研发思路以及常规溶剂型浓缩浆和智能化机器调色用浓缩浆的区别和差异,分析了智能化机器调色用浓缩浆的应用前景。

关键词:木器涂料;溶剂型色浆;智能化调色系统

0前言

颜料浓缩浆又称色浆,是颜料浓度得到严格控制的颜料浓缩浆,其主要组成为颜料、溶剂、树脂和助剂。以下统称色浆。 颜料浓缩浆分为水性颜料浓缩浆(水性色浆)和溶剂型颜料浓缩浆(溶剂型色浆)。

溶剂型色浆:是以有机溶剂为介质,用高浓度的颜料加上树脂、分散剂等助剂,通过配方的优化与组合,通过特殊的工艺和研磨设备精心制备的颜料浓缩浆。智能化调色系统:是指运用分光光度色差仪器、调色软件、自动调色下料机(调色机)等系统通过色差仪对颜色进行分析,并形成配方,自动加料,自动混合均匀,调出样板颜色的系统。调色机的国家标准采用GB/T 3299-2016规定的自动化调色机器。本文所探讨的色浆为适合机器调色的溶剂型涂料色浆。

1.研发背景

溶剂型涂料受国家的法律法规严格控制,国家提倡使用低VOC的涂料和水性涂料、UV涂料代替传统的溶剂型涂料,或大量降低传统溶剂型木器涂料的VOC和有害物质含量,成为节能降耗,符合环保潮流的必要手段。相对环保的高固含低粘度的溶剂型涂料在当今一些特殊的应用场景仍然有一席之地。如:高端的木器涂料(实木涂装)和工业烤漆。调色是涂料生产制造和涂装应用不可缺少的一道工序,现阶段基本都是采用人工调色,随着人工成本的日益增高,客户的要求日益提高,传统人工调色的成本、准确性、随意性、调色数据容易丢失的缺陷马上暴露出来,机器调色的智能化调色系统已经成为非常必要的事情。

现阶段,采用智能化调色系统调色的溶剂型涂料制造企业和仍然采用溶剂型涂料进行涂装的企业还存在,而现在的色浆还是传统的溶剂型的普通色浆,其产品的色浓度、颜色的稳定性、批次的稳定性等各项指标都不符合智能化调色系统的使用。开发一套适合机器调色的智能化调色系统用的溶剂型色浆已经成为非常必要的事情。

2.产品创新和特点

2.1最低的颜料沉降或颜料结块松软,色浆不易分层不产生沉淀

2.2优异的抗浮色和抗发花性能,颜料粒子由于空间位组和范德华力或氢键的作用,处于完全的解絮凝状态。

2.3研磨树脂、分散剂对应用系统无影响

2.4对产品批次之间的粘度控制 

2.5对产品批次之间的比重控制,由于智能化调色系统需要用高精度的电子称做色浆加量的反馈,故比重会对机器注入色浆的准确性造成影响,所以必须对比重进行控制

2.6对色浆批次之间色差值的控制,色差值在0.3以内

2.7该系列色浆稳定性好,即使热储存后,色浆的性能也很稳定,色浆的贮存稳定性好,抗絮凝性好

3.常规溶剂型涂料色浆的优缺点

3.1传统的溶剂型通用色浆非常成熟,适用于人工调色,不适合机器调色,低颜料含量,粘度还比较高,有很高的触变性,不好添加,无法用管道输送,无法用自动调色机器加料。

3.2 混溶性差,和很多体系相容性不好

3.3展色性一般,在相容好的应用体系展色性好,不同体系的展色性不一样

3.4色浆易分层或产生沉淀

3.5光泽度一般,色浆在做淋涂时,容易产生雾影,储存稳定性不好                                                                              

3.6抗浮色和抗发花性能一般

3.7研磨树脂、分散剂对应用系统有影响,不能通用

3.8对产品批次之间的粘度控制不好,批次之间粘度差异大,不适合机器调色

3.9对色浆的比重未做控制

3.10对色浆批次之间色差值的基本不做控制或色差值偏差大

4.智能化调色系统用色浆的具体要求

4.1优异的流动性,好添加,能用自动化调色机准确地添加电脑调色软件给定的量,误差精确度不超过0.015克,本文所研发的色浆的流变性控制为项目的第一大难题。流变性:是指色浆中的颜料得到充分的解絮凝,浓缩浆的粘度控制在一定范围内,流动性优异并保持恒定,适合机器调色。

4.2产品批次之间的色相、色强度进行控制,对E值、L值、a值、 b值度进行控制,采用特殊的工艺控制色相、色强度

4.3对色浆的批次之间的比重进行控制

4.4智能化调色系统用溶剂型通用色浆毒性和环境保护是按照现在的环保标准开发的,绝不使用含铅颜料。产品符EN71-3:2019特定元素迁移和GB18581-2020标准要求

5.实验部分

5.1仪器

天平(精确至0.001g)

分散机(上海现代环境)

细度板(上海现代环境0-50μm)

光学色分析仪(美国DataColor850)

设备条件:双光束分光光度测色仪,采光SCI模式,光源D65/10°,d/8结构积分球模式

1L圆形透明玻璃瓶(80㎜×125㎜)

BYK小型研磨机(功率7.5KW ),锆珠(95%氧化锆 1㎜ 填充量为 70%)

秒表(精确至0.01秒)

单刀湿膜制备器(上海现代环境 200μm)

5.2 树脂筛选

5.2.1 树脂筛选重要性

树脂作为溶剂型色浆必不可少一部分,且在溶剂型色浆领域中种类繁多且尤为复杂,不易与市面上油漆完全匹配契合,所以一款树脂的选择,对色浆的粘度、絮凝,以及相容性,展色力,以及着色力,优异的防沉,防色分层等效果极其重要。

5.2.2制备流程

表1.溶剂型色浆参考配方

序号

原材料

百分比

1

树脂

75%

2

色粉(黑C.l.BK7)

15%

3

溶剂

10%

注:以黑色粉MA-100为例,按表1配方,将树脂 A、 B、 C、 D 四种分别进行测试。

A、 B、 C、 D为不同厂家和类型的树脂,实际研发中,我们筛选了近二十种不同类型的树脂,先将效果最优的四种树脂汇报如下:

1.将全部树脂加入至1L圆形透明玻璃瓶中进行分散,800r/min分散5min

2.依次加入色粉,1200r/min分散10min

3.用剩余10%的溶剂进行分散盘的冲洗

4.用BYK小型研磨机进行研磨(研磨全程温度控制在60℃以下,细度研磨至10μm-15μm)

5.3 树脂评定标准

5.3.1 树脂对色粉的润湿性评价

润湿性是指颜料与树脂亲和性,润湿性好的树脂,能将颜料粒子绝大部分中的水分和空气置换出,以达到充分的降粘效果。

5.3.2 如下 粘度数据(表2)

色浆采用斯托默粘度计(KU),按GB/T 9278-2008中方法规定进行,其中A、 D 树脂制作的色浆粘度较低,B 、C 树脂制作的色浆粘度明显高于A 、D ,则说明A、 D 树脂具有良好的润湿性。

表2.粘度数据

序号

色浆

粘度(KU)

1

A树脂色浆

92KU

2

B树脂色浆

90KU

3

C树脂色浆

75KU

4

D树脂色浆

78KU

5.4着色强度数据性分析

色强度检测是颜料是否在分散研磨过程中,被树脂均匀包裹的重要指标。

5.4.1 测试流程

1.实验环境

符合GB/T 9278 规定

2.取样

按GB/T 3186-2006 规定方法进行

3.将A、 B、 C 、D 树脂制作好的色浆取样分别加入白色基础漆(自干型)中(比例5:100),用分散机(上海现代环境)800r/min 分散10min。

4.将分散好的色漆,用单刀湿膜制备器(上海现代环境 200μm)均匀的刮下(涂膜宽度不小于25㎜),漆膜干燥24小时。引用GB/T 5211.1—1988 中7.4 相对着色方法测定

5.选用光学色分析仪(美国DataColor850)测试数据

温度25-35℃ 湿度50-80%

6.数据如下: 测试示意图3   色强度表4

鍥?3.png

图3、测试示意


表4、色强度


色浆序号

L*(黑白)

a*(红绿)

b*(黄蓝)

Y*(色强度)

A树脂色浆

48.16

-0.65

-4.81

100.0

B树脂色浆

48.05

-0.68

-4.89

98.8

C树脂色浆

47.95

-0.65

-4.90

101.3

D树脂色浆

48.02

-0.70

-4.92

97.9

5.5色相数据性分析

5.5.1 测试流程

1.实验环境

符合GB/T 9278 规定

2.取样

将A 、B 、C 、D  树脂制作好的色浆分别加入透明基础漆(自干型)中(比例 20:100),用用分散机(上海现代环境)800r/min 分散10min。

4. 将分散好的色漆,用湿膜制备器(上海现代环境 200μm)均匀的刮下。漆膜干燥24小时,引用GB/T 5211.1—1988  7.4 冲淡色方法测定

5.选用光学色分析仪(美国DataColor850)测试数据

温度25-35℃ 湿度50-80%  

数据如下:测试示意图5   色相数据表6

鍥?5.png

图5、测试示意

表6、色相数据

色浆序号

L*(黑白)

a*(红绿)

b*(黄蓝)

C*(色饱和度)

A树脂色浆

26.17

0.01

1.10

1.08

B树脂色浆

26.33

0.05

1.12

1.10

C树脂色浆

25.12

0.06

1.18

1.23

D树脂色浆

26.12

0.09

1.20

1.21


结论: A B C D 四种树脂 C在润湿性,着色强度,色相等性能对比B A D都较为优秀,且符合调色机使用粘度标准。C树脂为与某大型树脂供应商按我司要求开发的润湿性好的带分散剂共物基团的聚树脂。

6  分散剂筛选

6.1制备流程

引用本文实验5-2的C树脂为实验树脂

表7、溶剂型色浆参考配方

序号

原材料

百分比

1

C树脂

65%

2

色粉(C.l.B.K.7)

15%

3

溶剂

10%

4

分散剂

10%

注:以黑色粉MA-100为例,按表2配方,将分散剂 E F G H 四种分别进行测试

6.1.1引用本文5.2.2的制备流程制作样品

6.2 分散剂评定标准

分散剂作为溶剂型色浆中关键的原材料之一,在研磨过程中不仅能减少分散的时间和能量,还能改变颜料粒子基团的粒径和形成电子位阻隔保护颜料粒子基团聚集絮凝,从而增强着色力度,色饱和度,储存稳定性,抗浮色发花等性能。

6.2.1 分散剂对色粉的润湿性评价

如下 粘度数据表

其中E 分散剂制作的色浆粘度较低且隔夜黏度无明显变化,F G H 分散剂制作的色浆粘度明显高于E且隔夜粘度变化较大, 则说明E 分散剂具有良好的润湿性。如下:黏度数据(表8)

表8、黏度数据

序号

色浆

粘度(KU

隔夜粘度

1

E分散剂色浆

62KU

63KU

2

F分散剂色浆

75KU

81KU

3

G分散剂色浆

78KU

85KU

4

H分散剂色浆

77KU

83KU

6.2.2分散剂对着色强度数据

如下:色强度数据

表9、色强度数据

色浆序号

L*(黑白)

a*(红绿)

b*(黄蓝)

Y*(色强度)

E分散剂色浆

48.16

-0.65

-4.81

100.0

E分散剂色浆

48.05

-0.68

-4.89

98.8

G分散剂色浆

48.02

-0.70

-4.92

97.9

H分散剂色浆

47.95

-0.65

-4.90

101.3

6.2.3.分散剂对色相数据  

如下:色相数据(表10)

表10、色相数据

色浆序号

L*(黑白)

a*(红绿)

b*(黄蓝)

C*(色饱和度)

E分散剂色浆

25.12

0.01

1.10

1.08

E分散剂色浆

26.33

0.05

1.12

1.10

G分散剂色浆

26.17

0.06

1.18

1.21

H分散剂色浆

26.12

0.09

1.20

1.23

6.2.4 分散剂对絮凝数据分析

色浆淋涂检测色浆在清漆中的性能稳定方法,在只受重力的影响下查看色粉粒子轻微絮凝实验测试。

色浆轻微絮凝在刮细度时无法有效的判断色浆是否存在问题,因为刮板时的剪切力会打破粒子的絮凝,但这种轻微絮凝会影响漆膜的镜面成像效果甚至是漆膜的光泽。 

如下:淋涂(图11)中E 分散剂漆膜无颜料颗粒析出,絮凝情况,而F G H 分散剂中都有不同程度的颜料颗粒析出,与絮凝,F G 较为严重,H则稍好。

11.png

图11、淋涂

6.2.5 分散剂储存稳定性数据分析

热储条件:

将E F H G 四种分散剂制作的色浆,各分成两份,500g色浆,分别装入500ML玻璃容器中,瓶内留有约10%的空间,密封后将其中一份样品放入(50±2)℃恒温干燥箱中,另一份样品放置25-35℃的实验环境中,7天后取出在(23±2)℃下放置3h。放在恒温(50±2)℃干燥箱中的则为热储色浆样品,放在常温(25-35℃)中的则为常温色浆样品

测试流程

引用GB/T 5211.1—1988 中7.4 取样相对着色方法测定

如下:色差光谱(图12 )  色差数据(表13)

粘度变化:采用色浆采用斯托默粘度计(KU),按GB/T 9278-2008中方法规定进行测试

12.png

图12、色差光谱

表13、色差数据

色浆序号

 

L*

 

a*

b*

E*

Y*

C*

粘度变化

E分散剂色浆

0.11

0.05

0.12

0.17

-0.83

1.05

3KU

F分散剂色浆

0.15

0.14

0.12

0.24

-1.13

1.07

7KU

G分散剂色浆

0.21

0.14

0.18

0.31

-2.35

1.18

15KU

H分散剂色浆

0.23

-0.15

0.21

0.35

-1.73

1.20

12KU

6.2.6罐内静态浮色

1.将E F H G 分散剂制作的色浆分别加入白色基础漆中(5:100),分散均匀(分散机(上海现代环境)800r/min 分散10min),在常温下正常放置15天,模拟色漆的储存环境。

结果:E F 分散剂有少量浮色,为正常现象,HG出现不同程度的严重浮色,视为不合格。

如下:色漆静态浮色图(14)H G 分散剂严重浮色,E F 分散剂稍好

14.png

图14、色漆静态浮色

6.2.7 指研色差数据测试

将基础漆,按施工要求备料后(若需要加固化剂施工则按施工要求加入固化剂),用200μm的湿膜制备器在黑白卡纸上制备涂膜,

选取指研部分和未指研部分边界10 mm内区域,用测色仪测试色差。指研部分(如:指研示意图15  取测试点区)和未指研部分别(如:指研示意图15 取指研测试点区)分别测量三个点。

若同时满足以下条件,则测试数据可采纳, 计算指研部分和未 指研部分的色差,以算术平均值为最终结果。

指研部分任意两点的色差值均不大于0.2;

未指研部分任意两点的色差值均不大于0.2;

15.png

图15、指研示意

色浆序号

指研色差△E*1

指研色差△E*2

指研色差△E*3

E分散剂色浆

0.12

0.14

0.13

F分散剂色浆

0.18

0.20

0.16

G分散剂色浆

0.30

0.32

0.28

H分散剂色浆

0.31

0.33

0.35

表16、分散剂性能评估数据

色浆序号

粘度变化

着色强度(Y

色相

絮凝

浮色

指研色差△E

E分散剂色浆

3KU

100.0

轻微

0.13

F分散剂色浆

7KU

98.8

轻微

0.18

G分散剂色浆

15KU

97.9

严重

0.30

H分散剂色浆

12KU

101.3

轻微

严重

0.33

7  溶剂的筛选

7.1制备流程

引用本文实验5-2的C树脂与实验6-2的E分散剂进行测试

表17、溶剂型色浆参考配方

序号

原材料

百分比

1

C树脂

65%

2

色粉(C.l.B.K.7)

15%

3

溶剂

10%

4

E分散剂

10%

注:按表17配方,将Y、J、K、M、L 效果最佳且木器漆常用的五种溶剂分别进行测试。

7.1.1引用本文5.2.2的制备流程制作样品

7.2 溶剂评定标准

溶剂做在溶剂型色浆中,不仅可以为色浆提供溶剂力,在一定程度上也会影响色浆的黏度,以及色浆的着色强度等

7.2.1 溶剂对着色强度数据

如下:色强度数据(表18)

表18、色强度数据

溶剂

L*(黑白)

a*(红绿)

b*(黄蓝)

Y*(色强度)

Y溶剂色浆

48.22

-0.62

-4.83

100.0

J溶剂色浆

48.13

-0.65

-4.91

98.8

K溶剂色浆

48.11

-0.68

-4.95

98.9

M溶剂色浆

48.33

-0.70

-4.98

101.3

L溶剂色浆

48.31

-0.69

-4.95

100.8

7.2.2溶剂对黏度数据

如下:粘度数据表19

表19、粘度数据

序号

色浆

粘度(KU

1

Y溶剂色浆

75KU

2

J溶剂色浆

76KU

3

K溶剂色浆

78KU

4

M溶剂色浆

70KU

5

L溶剂色浆

65KU

根据表18、表19数据可得出M、L 对色浆着色力有明显的提高,由于L溶剂降粘效果比较明显,所以两种溶剂可混合搭配使用,达到互补效果

通过对树脂、分散剂、颜料、溶剂等关键原材料的筛选,制备能达到智能化调色系统用的溶剂型机调色浆。加上车间生产合适的研磨工艺,确保达到研发所预定的指标。溶剂对色浆的稳定性有一定的影响,但相对于树脂、分散剂来说,影响极其甚微。本文不在做论述。色浆的生产过程分为润湿、分散、稳定三个步骤。

8  色浆研磨工艺的介绍

21.png

8.1润湿过程:

颜填料的表面一般吸附着一层空气和水分,颗粒间         的空隙也被空气所填充,粒子间相互堆积形成原级粒子、附聚体、聚集体。而颜填料分散的首要前提是需要用漆料取代空气和水分,并在颜料暴露出来的表面上形成一层新的包覆膜,这种漆料取代空气和水分并在颜填料表面形成包覆膜的过程,就称为润湿过程。这个过程如果存在表面活性剂,可以加快润湿过程。

8.2分散过程:

仅将这些附聚体、聚集体的表面润湿是不够的,因为这种大粒径而小表面积的颜填料粒子团,不能稳定的分散状态,因此,必须施加以外机械力(主要是剪切力)将这些大颗粒解聚集,令其恢复到或接近原级粒子的大小,以小颗粒大表面积的形式暴露在漆料中,并使其所有暴露出来的表面都被漆料所润湿。这种借助外加机械力将颜填料附聚体和聚集体恢复成或接近其原级粒子的过程,也称解聚过程,这个过程受到机械力大小及温度的影响。

8.3稳定化过程:

已被润湿和解聚的颜填料颗粒继续分布到大量的漆料中,这样会有足够的 漆料包覆在颜填料粒子周围并将其彼此隔绝开来,从而缩小了颜填料颗料间的吸引力,避免了颜填料颗粒间的相互接触,并使每个被解聚及润湿的的颜填料颗粒被足够厚的、连续的、不挥发的成膜物质永久地隔绝,使分散体系在无外加机械力的控制下,也不会出现颜填料粒子再次聚集成大颗粒的过程,称为稳定化过程。颜填料粒子要达到100A的吸附厚度时可以保持稳定。这个过程如果存在表面活性剂,可以形成多接点包覆或空间位阻。润湿、分散、稳定是个同时发生、交替进行的可逆过程,由于颜填料粒子之间存在分子间力,如果未到达充分的稳定状态,在遇到极性物质或被过度稀释时,那么已被分散的颜填料颗粒,有可能又会重新接近而聚集成大颗粒,形成颜填料的絮凝体。

9  智能化调色系统颜料的选择

智能化调色系统用溶剂型通用色浆毒性和环境保护是按照现行的环保标准开发的,绝不使用含铅颜料。产品符合EN71-3:2019特定元素迁移和GB18581-2020标准要求。产品所选的颜料都是耐光性、耐候性好的颜料。且颜料的耐迁移性较好,能满足木器漆调色的需求。所选择的颜料有13个,基本能满足木器调色的色域。

颜料索引号

颜料

颜料含量

%-W

树脂含量

 

粘度

(mpas/25)

比重

P.W.6

钛白

65

30

4000

1.98

P.BK .7

碳黑

20

70

1800

1.10

P.B .15:3

酞菁蓝

20

60

3000

1.06

P.G .07

酞菁绿

24

60

3000

1.16

P.R .101

氧化铁红

55

33

3500

1.85

P.Y .042

氧化铁黄

55

33

2500

1.58

P.V .042

二噁嗪紫

10

70

1000

1.09

P.R .177

蒽醌红

15

60

2800

1.06

P.R .170

单偶氮红

22

50

2200

1.07

P.R .254

吡咯并吡咯二酮类

30

50

1650

1.04

P.Y .110

费斯道肯黄GR

20

50

2800

1.15

P.Y .139

异吲哚啉黄

20

50

1750

1.09

P.O .36

异吲哚啉黄

20

50

2800

1.13

P.Y.151

联苯 胺黄

25

40

2100

1.08

10  智能化调色系统色浆和常规手工调色浆的性能区别 

测试项目

智能化调色系统用色浆

常规手调工调色色浆

备注

外观

无硬块,呈均匀状态

无硬块,呈均匀状态

都做控制

旋转粘度

不做控制,很多假稠

10000

强度流动性,适合机器添加

斯托默粘度

不做控制

120

确保机器添加准确

细度

20

20

都做控制

热储存稳定性

不做控制

合格

确保色浆的稳定性

热储存色差差

不做控制

0.7

确保色浆的稳定性,从而保证机器调色准确性

比重

不做控制

X±0.05

保证机器添加的准确性

批次重现性

 

目测无异常

总色差0.7

确保色浆的稳定性,从而保证机器调色准确性和可持续性

色相差 d H

±0.7

彩度差 d C

±0.7

明度差 d L

±0.7

/绿色相差 d a

±0.7

/蓝色相差 d b

±0.7

11  结语

随着人工成本越来越贵,以及智能化调色系统硬件和软件的发展,木器漆用智能化调色系统成为必然,能准确运用于该系统的色浆是智能化木器调色系统运行成败的关键。此套色浆的研发成功,能提高木器漆调色的稳定性,提高木器涂料的核心竞争力,并有效控制产品质量和相关环保安全指标,从而达到节约能耗,减少VOC排放的目的,并使之符合国家的相关产业政策。

 

参考文献

【1】 GB 18581-2020 木器涂料中有害物质限量

【2】 GB/T 21473-2008 调色系统用色浆

【3】 HG/T3951-2009 建筑涂料用水性色浆



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