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珠光顏料的基本原理
珠光顏料主要類(lèi)型有:天然魚(yú)鱗珠光顏料、氯氧化鉍結(jié)晶珠光顏料、云母涂覆珠光顏料。
應(yīng)用最為普遍的是氧化物涂蓋云母片珠光顏料。它們是極薄的云母片,表面覆蓋著薄薄的二氧化鈦、氧化鈦、或者其他金屬氧化物。云母的尺寸從4微米到120微米,厚度約為0.5微米。
珠光顏料依據(jù)鏡面效應(yīng)反射光線,因此在反射角可以看到干涉色,而在散射角度反向,由于部分光線穿過(guò)了表面涂層,干涉色的互補(bǔ)色仍然可以看到。例如:一個(gè)干涉紅色的珠光顏料,在反射角可以看到紅色 ,而在散射角度則可以看到綠色。白色珠光顏料在反射角為白色,而在散射角就會(huì)透露出基材的顏色,或者書(shū)著色劑的顏色。
顏色有富有層次立體感和因不同角度觀察有不同的顏色效果等特性,像在鏡面一樣,在最表面一層被反射,因此不具有珠光顏料多層反射的立體深度效果 。當(dāng)某種吸光顏料加入到珠光顏料時(shí) ,由于珠光顏料本身是透明的,允許光線穿透并到達(dá)吸光顏料,再被反射,所以吸光顏料的顏色由此而來(lái)被加強(qiáng),更加明亮。如果把吸光顏料加到金屬顏料中,由于金屬顏料本身不透明,光線不能穿過(guò)金屬片而到達(dá)顏料 ,因此顏色減弱。例如用鋁粉,其本身是灰色,吸光顏料的顏色因此變?yōu)榘档幕疑,如同泥漿一般。
金屬顏料在形狀和尺寸上同珠光顏料相近。依鏡面原理反射光線,即光線從45°角入射,再以45°角反射 。隨著觀察角度增大 ,反射光線減弱顏色變暗 。當(dāng)你在不同的角度觀察金屬顏料涂層時(shí) ,顏色只有深淺的變化,不會(huì)像珠光顏料那樣有不同的顏色變化。
(箭頭向上為反射色,向下為透過(guò)色)
圖1 珠光顏料的彩色相
金屬氧化物涂蓋的云母片表面十分小,因此具有良好的多重光光反射性能、而且具有透明性 。這意味著光線中只有一部分波長(zhǎng)被表面涂層反射,其余部分的光線穿過(guò)層表面涂層到達(dá)云母片及下一層,不同波長(zhǎng)繼續(xù)被反射,結(jié)果形成了許多層面的多次反射。令眼睛很難在某一層面上聚焦,并由此而來(lái)而建立起光反射的深度。所以可看到一種奇妙的有深度的閃亮光澤,我們稱(chēng)之為“珠光”。
此外,某類(lèi)有二氧化鈦涂蓋的珠光顏料,能通過(guò)光干涉現(xiàn)象而得到比較特別的顏色。來(lái)自不同薄片層的反射光線,互相干涉而形成特別的顏色,就如同水面上的油層或肥皂泡表面的色彩一樣。稱(chēng)之為干涉色。
每一種珠光顏色均由云母片上的二氧化鈦涂層的厚度所決定。白色珠光是由最薄的二氧化鈦層反射形成的,隨著涂層厚度的增加,反射光分別呈白、黃、金、紅、藍(lán)、綠。
氧化鐵涂層除了它本身的顏色以外,也具有以上的性能 。青銅色由三氧化二鐵吸收黃色光而形成 ,而干涉黃色是由三氧化二鐵的厚度產(chǎn)生。用同樣的道理可得出紅銅色、紅色等。
表1為云母鈦珠光顏料二氧化鈦多晶膜的幾何厚度、光學(xué)厚度與其干涉色之間的關(guān)系包覆于云母薄片之上的二氧化鈦的光學(xué)厚度與幾何厚度之間存在如下關(guān)系:
幾何厚度=光學(xué)厚度/折射率
二氧化鈦的折射率,銳鈦型為2.52;金紅石型為 2.71。
表1 珠光顏料二氧化鈦膜厚與色相
珠光顏料二氧化鈦膜厚與色相">
圖2為不同厚度的云母薄片其二氧化鈦附著率 與反射色相之間的關(guān)系。
圖2 二氧化鈦附著率與云母薄片厚度的關(guān)系
珠光顏料的顏色與基材底色有關(guān)。在白色的基材上,任何角度都可以看到透射光,干涉色是不明顯的 。若是在黑色或深色基材上,透射光被基材吸收,在反射角上干涉色就變的強(qiáng)烈了。
外觀
當(dāng)珠光顏料被應(yīng)用到涂料中之后,有以下幾個(gè)因素會(huì)影響涂層的整體光澤和外觀:顏料晶片的定向排列 、粒徑、珠光顏料的用量、以及漆膜本身的透明性。
一 定向排列
只有在顏料片均勻的平行排列于基材表面時(shí),才能達(dá)到最大的光反射和透明。在漆膜干燥時(shí),通過(guò)控制漆膜的受挫和流平來(lái)達(dá)到這種效果。
如圖:表明了不同基材的三種漆膜的干燥收縮過(guò)程。
漆膜的固含量越低,在干燥過(guò)程中,收縮性越高。漆膜收縮由此而改變了顏料片在基材上的定向排列。
良好的顏料分散、在配方中使用慢揮發(fā)容劑、延長(zhǎng)干燥時(shí)間或采用階梯烘烤都能獲得較好的顏料定向排列,取得最大的光澤效果。
定向排列是否均勻也是影響外觀的一個(gè)因素 。排列不均勻或積聚都會(huì)形成顏色深淺不一,像補(bǔ)丁一樣。
這種現(xiàn)象通常在大而平的區(qū)域會(huì)看到地,由于顏料片堆積在邊緣部分而形成暗色區(qū)。這個(gè)問(wèn)題普遍存在于所有片壯顏料中,包括金屬顏料。
形成以上現(xiàn)象的原因有幾種,最主要的原因是顏料流動(dòng)、漂移和溶劑揮發(fā)引起的對(duì)流。顏料的流動(dòng)問(wèn)題可以通過(guò)改善分散狀況來(lái)解決 ,我們稍后回討論。
溶劑揮發(fā)產(chǎn)生對(duì)流,并使漆膜表面降溫,溶劑及熱量的揮發(fā)是漆膜形成流動(dòng),把顏料片推向邊緣。如圖:
以上都是高分子量的助劑。在油漆干燥和烘烤時(shí)可以增加油漆的粘度。這種因分子間牛頓力的作用而造成的粘度提高,可以阻止因溶劑揮發(fā)對(duì)流而形成的顏料片傾斜,但又不會(huì)妨礙顏料片在漆膜收縮時(shí)的定向排列。
觸變劑的效果不太理想,因?yàn)樗鼈儠?huì)使粘度在噴漆后增加太快,幾乎凍結(jié)了顏料片的無(wú)序排列,使得它們不能流動(dòng)和作平行排列。
二 粒徑
珠光顏料有不同的粒徑分布范圍。粒徑的不同會(huì)影響油漆的光澤 、遮蓋力和外觀。
顏料片的粒徑增大 ,閃光度就會(huì)增加 。最理想的粒徑分布是5微米-48微米,我們稱(chēng)這個(gè)粒徑范圍作Z級(jí)或“超級(jí)”。
三 珠光顏料用量
適當(dāng)?shù)闹楣忸伭嫌昧靠梢赃_(dá)到理想的顏色效果和遮蓋力出。過(guò)量的使用珠光顏料對(duì)外觀并無(wú)好處。因?yàn)轭伭掀嗷頂D ,妨礙各自的定向排列,反而降低了光澤。
另外一個(gè)因素是邊緣效應(yīng)。所謂的邊緣效應(yīng)是指在顏料片的邊緣部分光線散射,光線的發(fā)散導(dǎo)致顏色發(fā)白和光澤降低。
最好的珠光粉用量是油漆總固量的10 - 20 % 。 而少量的珠光顏料能造出柔和及細(xì)致的感覺(jué) 。有時(shí) ,在有顏色的基材上使用少量的珠光顏料( 1-1.5%)亦能獲得良好的珠光效果。
四 漆膜透明度
鑒于珠光顏料的光學(xué)特性 ,令光線暢通無(wú)阻的進(jìn)出漆膜是十分重要的。因此播,任何不透明的或者會(huì)降低光線透射的顏料或添加劑都會(huì)使光線發(fā)散、從而減弱珠光效果,例如二氧化鈦、碳酸鈣和滑石粉等都避免與珠光顏料同時(shí)使用。
顏色
一 概述
調(diào)配顏色時(shí)話 ,應(yīng)充分利用珠光顏料的透明性。珠光顏料可以與普通顏料結(jié)合使用,從而創(chuàng)造出各種各樣色彩鮮艷、色品純度高的顏色。事實(shí)上,人們常用珠光顏料結(jié)合其他顏料結(jié)合其他顏料來(lái)增強(qiáng)視覺(jué)效果。一些透明度高的有機(jī)顏料,如鈦青藍(lán)、鈦青綠、奎丫啶紅等,配合珠光顏料可以創(chuàng)造出非常明亮鮮艷的顏色。同時(shí),當(dāng)珠光顏料有很好的排列時(shí),反射光的顏色會(huì)更強(qiáng)烈,而散射光的顏色就相對(duì)減弱很多了。在較薄的漆面里,這種顏色鮮艷的效果就會(huì)更加明顯。
要注意的是:混合兩種珠光色與混合兩鐘普通顏色的概念完全不同。對(duì)一般顏料來(lái)說(shuō),每種顏色會(huì)吸收其互補(bǔ);但珠光色則會(huì)將互補(bǔ)色加到總題顏色效果上去。例如:普通的紅色加上綠色就會(huì)得到黑色,但家干擾色類(lèi)的珠光紅加上干擾色類(lèi)的珠光綠就會(huì)得出一個(gè)珠光黃色,而且這個(gè)黃色會(huì)很弱。故此,我們不建議將兩種干擾色珠光顏料混合,但可將一種干擾色珠光色與單純的白色珠光混合來(lái)配制顏色。
調(diào)配珠光色時(shí),應(yīng)盡量避免用太多的著色劑,因?yàn)檫^(guò)量的吸光性顏色會(huì)在反射角遮蓋珠光色。
二 調(diào)配顏色
珠光漆的顯著特點(diǎn)就是漆膜顏色隨觀察角度而改變。當(dāng)調(diào)和一個(gè)漆時(shí),其顏色應(yīng)分為兩部分:正視角或反射角顏色;射角或散射角顏色。以下介紹配制珠光色的幾個(gè)步驟:
1. 干涉色珠光顏料
基于它們特殊的光學(xué)性能,可以將涂層顏色分為兩部分:正視角顏色(占大部分)和射角顏色(占小部分)。所以,當(dāng)配合一般顏色時(shí),如鈦青藍(lán)、鈦青綠和奎叨紅等,著些顏色就成了涂層的主要顏色。
2. 吸收光珠光顏料
吸收色,既有干涉色效果又有吸收光顏色效果,它們使涂層顏色在正視角呈干涉珠光色,而在掠射角呈普通吸收光顏料的顏色。
例如,要調(diào)一個(gè)正視角為紅色的紫/藍(lán)色,就要用鈦青藍(lán)作主基調(diào),再用超高紅光來(lái)提供正視角的紅色,得出來(lái)的顏色便是紫色帶紅色,如果用超級(jí)銹紅代替超高光紅的話,便得出棕色。因?yàn)槌?jí)銹紅是氧化鐵涂覆云母而成,正視角呈紅色,而掠射角呈棕色。
超級(jí)銹紅正視角的紅色,提供給涂層一個(gè)高光紅的效果,而它的吸收紅色,則與鈦青藍(lán)混合了,藍(lán)色加紅色就成了棕色。
如果要調(diào)配一個(gè)金屬紅色,配方要一奎叨紅作主基調(diào),再利用超級(jí)銹紅的兩個(gè)不同角度(正視角及掠射角)紅色,來(lái)加強(qiáng)涂層的紅色效果。吸收光珠光顏料通常用來(lái)調(diào)配有深度的、色彩強(qiáng)烈的顏色,其正視角及掠射角顏色一致。例如深綠色,金屬紅色都可以這樣調(diào)出來(lái)。
三 遮蓋力
珠光顏料的透明性對(duì)調(diào)色有一個(gè)弊端就是遮蓋力弱。不過(guò),我們可以在配方中加入遮蓋力稍強(qiáng)的顏料。
在配方中有幾個(gè)方法可以提高遮蓋力:
1.粒徑細(xì)的珠光粉可以提高遮蓋力,不過(guò)其珠光效果是較柔和的緞面效果,而閃爍效果就不明顯了。要得到理想的珠光效果和遮蓋力,可以用較細(xì)的珠光粉來(lái)代替一部分粗的珠光粉。
2.基于金屬粉的不透明性,也可以將其加入油漆中以提高遮蓋力,如鋁登、銅粉等,通常用量是珠光顏料的5-10%。
3.調(diào)配深顏色時(shí),少量的碳黑可以提供很好的遮蓋力,加入黑色可以提高珠光的反射色。
4.調(diào)配淺色時(shí),使用二氧化鈦對(duì)提高遮蓋力也有很好的幫助。不過(guò)珠光效果會(huì)因此而減弱,所以要用二氧化鈦,就要家大珠光顏料的用量,以加強(qiáng)反射光顏色,而二氧化鈦的用量則以最少而又剛夠應(yīng)付遮蓋力為妙。
請(qǐng)記。翰煌该鞯念伭匣蛉玖蠒(huì)降低珠光效果。
分散
油漆性能好壞的關(guān)鍵是顏料要有良好的潤(rùn)濕和分散,防止顏料聚集。潤(rùn)濕的過(guò)程就是使?jié)櫇裰鷦┌伭媳砻,使其與空氣和水份分開(kāi)。這個(gè)過(guò)程可以通過(guò)斥電子或空間位阻機(jī)理來(lái)完成。
使用離子型表面活性劑,可以使陽(yáng)離子或陰離子吸附到顏料表面,當(dāng)極性化了的顏料粒子碰到一塊時(shí),會(huì)互相排斥,從而使顏料分散系統(tǒng)穩(wěn)定。
用來(lái)加強(qiáng)空間位阻的穩(wěn)定劑應(yīng)該是可以將其整結(jié)構(gòu)附著在顏料表面,形成一個(gè)防止顏料片聚集的吸附層。這類(lèi)穩(wěn)定劑包括有聚合分散劑、非離子型表面活性劑和聚合樹(shù)脂。雖然有的時(shí)候,單獨(dú)使用聚合樹(shù)脂并不足以充分潤(rùn)濕顏料,但它們可以與油漆系統(tǒng)中的樹(shù)脂交聯(lián),將顏料片很好的包埋在油漆系統(tǒng)里,使得油漆的整個(gè)生命期有最佳的性能表現(xiàn);谶@一點(diǎn)我們還是愿意選擇聚合樹(shù)脂。在油性系統(tǒng)里,大多選用空間位阻的潤(rùn)濕機(jī)理;而在水性系統(tǒng)里,斥電子和空間位阻都會(huì)用到。
珠光顏料可以用普通的攪拌器分散,跟金屬粉相似。正確的攪拌方法應(yīng)該是:將珠光粉加到一個(gè)正在用低剪切力、軸流式攪拌器攪拌著的載體中。顏料不可以一次全部倒入,應(yīng)漸次倒入。當(dāng)先加入的部分已充分潤(rùn)濕時(shí),即可繼續(xù)添加,直至全部潤(rùn)濕。最后還要繼續(xù)攪拌15分鐘,使顏料得到更好的分散。
可以用軸向旋轉(zhuǎn)的齒型攪拌器(Cowles式)混合,顏料的用量應(yīng)低于25%,速度應(yīng)不超過(guò)2000ft/分。在攪拌過(guò)程中,攪拌漿的高度民主應(yīng)作不同的改變,以防止在攪拌漿正下方的死角攪拌不勻。
除了以上的方法外,還可以先將顏料在相容的溶劑中潤(rùn)濕,再將它加入到載體中去;或者是先將顏料加入到一部分載體中形成濃縮液,再將它與剩余的載體混合均勻。
為了避免顏料片碎裂,或金屬氧化物從云母片表層脫落,應(yīng)盡量避免使用高剪切力的攪拌器,如球磨機(jī)等。通常,珠光顏料應(yīng)在其他成分完全混合均勻以后再加入。
顏料的不完全分散會(huì)導(dǎo)致油漆顏色牢固度減低、流變性差、外觀有差異、性能差等毛病。油漆里的顏料分散可以直接的用顯微鏡來(lái)鑒定,或者是通過(guò)測(cè)定珠光顏料的沉降速度及沉淀體積來(lái)鑒定。
使用顯微鏡,可以直接的檢測(cè)顏料晶片是否聚集成團(tuán)。通常油漆中顏料的濃度回提高,而妨礙我們準(zhǔn)確的觀測(cè)其分散度,所以觀測(cè)前必須先在油漆中加入清漆或溶劑來(lái)降低顏料的濃度,但這樣做會(huì)改變油漆系統(tǒng),使顏料X凝或分離,導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)論。
用沉降法測(cè)定,則可以直接用待測(cè)油漆或經(jīng)改性但不含流變改性劑的待測(cè)油漆來(lái)測(cè)定。靜置幾天之后,慢沉降或不完全沉降以及最少的沉降體積均表示良好的分散程度。鑒定時(shí)還應(yīng)考慮到包裝的軟硬度,因其與再分散有關(guān)。
放沉淀
正如其他無(wú)機(jī)顏料一樣,珠光顏料因其比重大于載體的比重,故此會(huì)沉淀在包裝罐底。在存儲(chǔ)過(guò)程中,珠光顏料晶片會(huì)一個(gè)挨一個(gè)地平躺,緊密地排在一起,把晶片間的載體擠出去。因?yàn)轭伭暇加泄饣谋砻,所以它們可以很緊密的接觸及貼合,很難再次分散。
人們都不希望在油漆成品中出現(xiàn)顏料沉淀現(xiàn)象,那樣會(huì)導(dǎo)致顏色遷移、顏色牢固度差及品質(zhì)差。
有兩個(gè)方法可以減少顏料在油漆系統(tǒng)中的沉淀:
1.如前所述,通過(guò)良好的潤(rùn)濕和分散來(lái)防止顏料聚集;
2.使顏料很好的懸浮在載體中。
載體中的懸浮力
良好的懸浮就是讓顏料晶片獨(dú)立在載體中,提供更多的阻力防止顏料沉淀。
提高油漆的粘度無(wú)疑是最容易的一個(gè)防沉方法。不過(guò)粘度受應(yīng)用工藝要求的限制,可調(diào)整的范圍不大,而且提高粘度對(duì)長(zhǎng)期儲(chǔ)存在硬包裝里的油漆的防沉作用不大。
另一個(gè)防沉方法是在載體中假如一些特殊助劑(防沉劑或觸變膠),如煙硅膠或有機(jī)粘土等,在體系中建立一個(gè)三維結(jié)構(gòu)網(wǎng),通過(guò)氫鍵做骨架連結(jié)載體、顏料及助劑本身,增加顏料和載體之間的締合作用,減低沉淀傾向。另外,黏土或硅膠粒子還會(huì)在顏料晶片之間形成一個(gè)栔形結(jié)構(gòu),從而組織晶片與晶片之間形成緊密的聚集,這樣,顏料就會(huì)很快又很容易被分散在載體中。
以上助劑的功效如何取決于溶劑和樹(shù)脂的類(lèi)型。不同的系統(tǒng)可選用不同的助劑。通常在潤(rùn)濕分散步驟就應(yīng)加入這些助劑,以達(dá)到最佳效果。但是某些黏土和硅膠需要經(jīng)過(guò)高剪力或加熱處理,那就必須先進(jìn)行這個(gè)預(yù)研磨操作,再加到珠光顏料中去。請(qǐng)一定要嚴(yán)格按產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)來(lái)進(jìn)行操作。
使用過(guò)量的硅膠或黏土?xí)䴗p低油漆的透明度。如果是用在面漆的話,還會(huì)降低DOI(影像清晰度)和光澤度。特別是這些助劑沒(méi)有正確分散好的話,這種負(fù)面影響就更突出了。它們還會(huì)減弱涂層的防潮性,所以應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)來(lái)決定其使用量,盡量控制在最小用量范圍內(nèi)。
可以將防沉劑與聚合劑結(jié)合使用。聚合分散劑與顏料表面偶聯(lián),而防沉劑提供氫鍵做骨架,分散劑的分子結(jié)構(gòu)比顏料有更多的位置與氫鍵結(jié)合,增強(qiáng)了顏料的防沉能力。
另一類(lèi)型的助劑通過(guò)范德華力(Van der waals force)與載體相互作用而形成三維膠體結(jié)構(gòu)來(lái)取代氫鍵。這類(lèi)助劑就是經(jīng)過(guò)特殊有機(jī)處理的超細(xì)碳酸鈣。典型的產(chǎn)品有Lubrizol公司的Ircogel905,使用Ircogel905有一個(gè)好處就是可以在油漆生產(chǎn)過(guò)程中任何一個(gè)步驟加入此助劑。
總結(jié)
珠光是多姿多彩的,既有柔和的緞面光澤,又有閃爍星光,還有金屬光澤。依據(jù)以下三個(gè)原則進(jìn)行配方,可達(dá)到最好的珠光效果:
1.加入適當(dāng)份量的珠光顏料,以得到許多反射/透射面,從而產(chǎn)生良好的珠光效果。
2.量使顏料晶片作平行定向排列,以到達(dá)最好的鏡面反射;
3.漆膜要透明,以便光線出入自由,暢通無(wú)阻。
附圖一
漆膜收縮對(duì)顏料片排列的影響
1A (低固含量10-30%)涂料
1B (中固含量30-50%)涂料
1C (高固含量50-75%)涂料
附圖二
對(duì)流對(duì)顏料片排列的影響
一個(gè)使用珠光顏料的典型配方
樹(shù)脂 (以樹(shù)脂總固量為基準(zhǔn))
丙烯酸樹(shù)脂
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50-70%
|
主要成分
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聚脂樹(shù)脂/氨基酸樹(shù)脂
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5-15%
|
柔韌性
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三聚氰胺
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25-35%
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交聯(lián),鋼性
|
CAB
|
0-10%
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流平,防下垂
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顏料 (以顏料總量為基準(zhǔn))
1、藍(lán)色,綠色 P/B=15-25%
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珠光顏料
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50-80%
|
光澤
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太菁藍(lán)
|
10-30%
|
主色
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太菁綠
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10-30%
|
主色
|
0-5%
|
色度,遮蓋性
|
|
|
||
2、銀色 P/B=15-25%
|
||
珠光顏料
|
50-80%
|
光澤
|
鋁粉
|
10-30% |
金屬質(zhì)感,遮蓋性
|
有機(jī)顏料
|
10-30%
|
色度
|
炭黑
|
0-10%
|
色度,遮蓋性
|
|
||
3、紅色 P/B=25-35%
|
||
珠光顏料
|
50-70%
|
光澤
|
紅色
|
20-40%
|
主色
|
鋁粉
|
0-5%
|
金屬質(zhì)感,遮蓋性
|
氧化鐵
|
0-10%
|
色度,遮蓋性
|
炭黑
|
0-3%
|
色度,遮蓋性
|
溶劑 (以溶劑總量為準(zhǔn))
丁醇
|
5-10%
|
包裝穩(wěn)定性
|
甲苯
|
0-5%
|
主溶劑
|
丁基乙酸
|
0-10%
|
溶解性,相容性
|
芳香酸
|
10-20%
|
流平性
|
助劑 (以樹(shù)脂總量為準(zhǔn))
酸催化劑
|
1-5%
|
加速固化
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紫外線穩(wěn)定劑
|
0-4%
|
增加耐侯性
|
其它
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0-5%
|
按需要定
|