有机消光剂在塑料涂料方面的应用研究
摘要： 本文介绍了有机消光剂在塑料涂料中的应用、PERGOPAK-M系列有机消光剂的组成特性及生产操作中影响涂膜光泽的因素等。将PERGOPAK-M系列有机消光剂用于塑料涂料中，其产品具有良好的分散性，且放置较长时间后稍加搅拌就可重新均匀分散在涂料中，不产生沉淀。
关键词: 有机消光剂；塑料涂料；光泽度
0 引言
亚光涂料是一种新型涂料，光泽柔和，给人以舒适、优雅的感觉，抗划伤，质感强，广泛用于建筑、家具、家用电器以及室内装饰。
涂料的消光方法有化学消光法和物理消光法。利用基体树脂分子链的消光基团吸收光，达到消光目的的方法是化学消光。物理消光是在涂料中加入消光剂的物理混合方法，使漆膜产生一定粗糙度，达到使入射光产生漫散射的消光效果。常用的消光剂有金属皂类、体质颜料、蜡和二氧化硅等]。美国雅宝公司（Albemarle Corporation）的产品PERGOPAK-M系列为有机消光剂，本文选择该系列产品，研究了其在塑料涂料方面的应用。
1 有机消光剂的特性及优点
1.1 特性
PERGOPAK消光剂是有机热固性聚甲基脲树脂（PMU），作为热固性聚合物，其具有较高的硬度和非熔化性质，因而可增强涂料的总体耐受性； PERGOPAK堆密度很小，呈膨松粉末状，具有优异的白度；其初级颗粒平均直径为0.1-0.15µm，形成5-9µm的近乎球形的团粒，这些团粒具有相对较高的比表面积和空隙容积，因此PERGOPAK可达到卓越的消光效果；由于近乎球形的团粒结构，PERGOPAK很容易与涂料融为一体，球形结构也导致更有利的流变性能。
PERGOPAK-M系列消光剂的常规指标如表1，表2所示：
表1 PERGOPAK-M系列有机消光剂的常规指标
Table 1 Product information of PERGOPAK-M matting agents
|
项目
|
单位
|
数据
|
|
化学成分
|
—
|
脲素甲醛的醇醛缩合物
|
|
形状
|
—
|
近似于球形
|
|
真密度
|
g/cm3
|
1.47
|
|
本体堆积密度
|
kg/m3
|
约80
|
|
包装密度
|
kg/m3
|
约 200
|
|
比表面积
|
m2 /g (BET)
|
14 – 22
|
|
吸油量
|
cm3 /100g
|
约310
|
|
热分解温度
|
°C
|
> 220
|
|
折光指数
|
—
|
1.607
|
|
PH值
|
—
|
8 - 9.5
|
|
固体份
|
%
|
> 83
|
|
储存时间
|
年
|
> 1
|
表2 PERGOPAK-M系列有机消光剂的粒径分布
Table 2 Size distribution of PERGOPAK-M matting agents
|
激光衍射法 （μm）
|
PERGOPAK M3
|
PERGOPAK M4
|
PERGOPAK M5
|
PERGOPAK M6
|
|
d 50
|
6 – 8.5
|
5 – 7
|
3.5–6
|
≤ 3.5
|
|
d 90
|
15 – 19
|
12–15.5
|
9.0–12.5
|
≤ 6.5
|
|
d 100
|
≤ 36
|
≤ 30
|
≤ 18
|
—
|
1.2 应用及优点
PERGOPAK-M有机消光剂因其大孔容、耐化学性、无熔点、在高于200℃下优异的热稳定性及在290-1100nm之间恒定的光反射率而获得广泛的应用。
在涂料配方中，PERGOPAK-M有机消光剂具有良好的掺混性能，容易分散；对流变性的影响小，耐剪切；在涂料通常使用的溶剂中不会发生溶胀；对催化剂无负面影响及有利的羟甲基反应等特性，因此可获得优良的涂料配方性能。
其在涂膜中的优势明显，表现为：高表面平滑度、高透明度、对弹性几乎无影响、高耐划伤性、减小对金属标志的敏感性、对再涂性、印刷性和可写性无不良影响、可清洁去污、在室内外应用中具有良好的光泽保持性等。
2 实验部分
2.1 实验药品
气相二氧化硅为沈阳化工股份有限公司提供；PERGOPAK-M系列有机消光剂为北京天恒健科技发展有限公司提供；CN132（低粘度二丙烯酸酯齐聚体）、SR306（二缩三丙二醇二丙烯酸酯齐聚体）、SR351（三羟甲基丙烷三丙烯酸酯）为美国沙多玛公司提供；光引发剂BP（二苯甲酮）、1173（2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮）由常州华钛化学有限公司提供；P115（活性叔胺）由美国氰特公司提供；消泡剂Airex 920、流平剂Wet KL245由德国迪高公司提供。以上药品均直接使用。
本文中所用塑料基材为PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）基材，由北京佳合永业塑料制品厂提供。
2.2 实验仪器
SFJ-400型高速分散器，上海现代环境工程有限公司。QXG型线棒涂布器，苏州恒港电子有限公司。中压汞灯，功率160W/cm，涿州蓝天特灯有限公司。阿贝折光仪，上海立光精密仪器有限公司。QXD型刮板细度计，天津材料试验机厂。WGG60型光泽度仪，上海杰颖电子技术有限公司。
2.3 实验方法
按照表3、表4所示配方首先将树脂、光引发剂、消泡剂、流平剂混合均匀；之后于搅拌下加入消光剂，添加完毕后于2000r/min的搅拌速度下高速分散30min。
表3 涂料配方
Table 3 Formulation of the coatings
|
CN132
|
40wt%
|
100份
|
|
SR306
|
32wt%
|
|
|
SR351
|
20wt%
|
|
|
BP
|
2wt%
|
|
|
P115
|
2wt%
|
|
|
1173
|
3wt%
|
|
|
Airex 920
|
0.5wt%
|
|
|
Wet KL245
|
0.5wt%
|
|
|
消光剂
|
n份
|
|
表4 涂料配方中的消光剂
Table 4 Matting agents in the coatings
|
消光剂种类
|
加入量 /份
|
||||
|
气相二氧化硅
|
1
|
3
|
5
|
|
|
|
M3
|
1
|
3
|
5
|
10
|
15
|
|
M4
|
1
|
3
|
5
|
10
|
15
|
|
M5
|
1
|
3
|
5
|
10
|
15
|
|
M6
|
1
|
3
|
5
|
10
|
15
|
分别用12μm、25μm、40μm QXG型线棒涂布器在PET基材上涂膜。后放置在中压汞灯下光照20s后取出。
用WGG60型光泽度仪测量各涂膜的光泽度，并用阿贝折光仪及QXD型刮板细度计测量各配方的折光率及细度。
3 结果与讨论
3.1 消光剂对涂料配方性能的影响
不同的消光剂及不同的消光剂用量均将对涂料配方性能产生重大的影响。本文研究了消光剂对涂料配方的外观、细度及折光率的影响，结果如表5所示。
表5 消光剂对涂料配方性能的影响
Table 5 Effection of the matting agents on the coatings
|
配方
|
外观
|
折光率
|
细度
|
|
未加消光剂
|
透明
|
1.481
|
—
|
|
SiO2-1份
|
透明
|
1.482
|
60
|
|
M3-1份
|
类似乳液；粘度变化不大
|
1.482
|
45
|
|
M4-1份
|
1.481
|
27
|
|
|
M5-1份
|
1.478
|
21
|
|
|
M6-1份
|
1.482
|
10
|
|
|
SiO2-3份
|
透明，粘度较大
|
1.482
|
>60
|
|
M3-3份
|
类似乳液；粘度均较SiO2-3份小
|
1.482
|
50
|
|
M4-3份
|
1.481
|
40
|
|
|
M5-3份
|
1.479
|
35
|
|
|
M6-3份
|
1.482
|
30
|
|
|
SiO2-5份
|
粘度很大
|
1.481
|
>60
|
|
M3-5份
|
类似乳液；粘度均较SiO2-5份小
|
1.483
|
55
|
|
M4-5份
|
1.482
|
45
|
|
|
M5-5份
|
1.482
|
42
|
|
|
M6-5份
|
1.482
|
40
|
|
|
M3-10份
|
白色粘稠乳液状
|
1.482
|
>60
|
|
M4-10份
|
1.482
|
55
|
|
|
M5-10份
|
1.481
|
50
|
|
|
M6-10份
|
1.483
|
43
|
|
|
M3-15份
|
白色粘稠乳液状
|
1.483
|
>60
|
|
M4-15份
|
1.481
|
60
|
|
|
M5-15份
|
1.484
|
55
|
|
|
M6-15份
|
1.483
|
50
|
从表5可以看出，不同的消光剂及不同的消光剂含量对涂料配方的折光率影响不大；但对涂料配方的外观及细度影响较大。随着消光剂粒径的增大，其涂料配方的细度增加，粘度相对变大；随着消光剂含量的增加，涂料配方的细度增加，分析可能是部分消光剂颗粒团聚所致。
3.2 膜厚对涂膜性能的影响
选用不同的消光剂配制涂料，用不同的线棒涂布器在PET基材上涂膜，涂膜紫外固化后用60°光泽计进行测试，试验结果如图1所示。
图1 膜厚对涂膜光泽度的影响
Figure 1 Effection of the thickness on the glossiness of the coatings
从图1中可以看出，膜厚增加，消光效果变好。根据实验结果分析，由于消光效果的好坏主要取决于涂膜表面的粗糙度，所以当涂料配方的细度与涂膜厚度相匹配时，消光剂在涂膜表面的分布最为均匀，涂膜表面的粗糙度最大，因此其消光效果最好。
若涂料配方的颗粒尺寸相对较小，埋在涂膜内不能突出表面构成表面粗糙度，那么就没有消光效果。若涂料配方的颗粒尺寸相对较大，虽然可以构成比光波波长大得多的不平度，但容易造成表面弊病。消光效果最好的条件是能够构成与光波波长相近的较小的粗糙度，入射光的散射度大，消光效果也强，即消光剂的平均粒径与涂膜的厚度相近[7]。
3.3 不同消光剂对涂膜性能的影响
选用不同的消光剂配制涂料，用线棒涂布器在PET基材上涂膜，涂膜紫外固化后用光泽计进行测试，试验结果见表6。
表6 消光剂对涂膜光泽度的影响
Table 6 Effection of the matting agents on the glossiness of coatings
|
消光剂种类
|
涂料配方细度 /μm
|
不同膜厚的涂层的光泽度 /%
|
||
|
12μm
|
25μm
|
40μm
|
||
|
SiO2-1
|
60
|
87.3
|
83.0
|
80.1
|
|
M3-1
|
45
|
92.3
|
91.5
|
85.2
|
|
M4-1
|
27
|
92.7
|
88.7
|
88.0
|
|
M5-1
|
21
|
93.1
|
89.4
|
89.0
|
|
M6-1
|
10
|
95.9
|
95.1
|
92.2
|
|
SiO2-3
|
>60
|
58.0
|
57.3
|
29.8
|
|
M3-3
|
50
|
66.1
|
61.9
|
60.7
|
|
M4-3
|
40
|
76.0
|
66.5
|
64.5
|
|
M5-3
|
35
|
79.1
|
78.5
|
75.2
|
|
M6-3
|
30
|
82.4
|
80.7
|
80.3
|
|
SiO2-5
|
>60
|
48.7
|
40.5
|
27.3
|
|
M3-5
|
55
|
62.3
|
53.6
|
38.7
|
|
M4-5
|
45
|
75.6
|
65.9
|
53.9
|
|
M5-5
|
42
|
76.7
|
67.3
|
66.7
|
|
M6-5
|
40
|
78.9
|
70.3
|
70.2
|
|
M3-10
|
>60
|
40.8
|
34.4
|
25.8
|
|
M4-10
|
55
|
49.4
|
49.3
|
48.0
|
|
M5-10
|
50
|
65.7
|
63.5
|
63.1
|
|
M6-10
|
43
|
66.9
|
64.5
|
63.5
|
|
M3-15
|
>60
|
22.5
|
17.5
|
12.3
|
|
M4-15
|
60
|
41.0
|
40.3
|
40.0
|
|
M5-15
|
55
|
46.0
|
40.7
|
40.1
|
|
M6-15
|
50
|
52.0
|
49.4
|
47.3
|
从表6中可以看出，不同的消光剂，其消光效果相差较大。气相二氧化硅的消光效果较好，但二氧化硅的加入，将大幅度增加体系粘度和触变性；而PERGOPAK-M系列有机消光剂的加入，其较高的孔隙容积和较宽的粒径分布，使得消光效果比较明显，同时体系粘度增加不大，对体系的触变性影响也相对较小。
4 结论
通过实验证实，PERGOPEK-M系列有机消光剂在塑料亚光涂料中使用，具有下列特点：1)漆膜光滑耐磨，具有优良的耐划伤和耐冲击性；2) PERGOPEK-M系列有机消光剂的高剪切稳定性和耐高速研磨性，使亚光涂料制造更加容易；3)良好的分散和再分散性。配成的涂料放置较长时间后，只需稍加搅动就可重新均匀分散在涂料中，不产生坚硬的沉积物。