如何降低涂料与胶粘剂的配方成本

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降低涂料、胶粘剂、油墨或复合材料体系的配方成本，很少意味着采购更便宜的原材料。它意味着降低成品的总使用成本：最低有效助剂添加量、更高的颜料利用率、更少的批次报废、更短的分散与脱气时间，以及能够逐批提供相同材料性能的供应链。如果更低的每公斤价格需要更高的添加量，或者会引入泡沫、浮色或黏度漂移，那么在实践中它就是更贵的助剂。

本指南为技术总监、配方化学家和采购经理给出一条系统化的路径：如何建立基准、如何确定最低有效添加量、分散剂、消泡剂与流变改性剂在何处影响成本，以及如何把优化后的配方带入量产而不丢失节省。

要点速览

• 正确的指标是总使用成本而不是每公斤价格：在满足规格的最低添加量下，计算单位成品的助剂成本。
• 针对每种颜料做分散剂需求量研究，针对每种助剂做试验设计；二者都能用明确的工艺窗口取代猜测。
• 按活性物含量计算添加量，并同时记录供货形态与活性物添加量，以免载体效应扭曲候选品之间的比较。
• 把消泡剂与分散剂放在一起评估，因为二者会互相改变对方的表现，并且应在生产的剪切与温度下验证，而不是在实验室理想条件下验证。
• 批次一致性与测量规范在放大之后守住这些节省。

按重量计，助剂通常只占物料清单的一小部分，但它们主导着带来高成本的结果：颜料填充量、研磨时间、缺陷率、返工和货架期。仅凭发票价格比较两种分散剂或消泡剂，至少忽略了五个变量。

一个实用的比较公式是每 1,000 kg 成品的助剂成本：以总配方计的添加量（供货形态）乘以每公斤价格，再针对该助剂所能带来的颜料、树脂或溶剂减少量进行调整。节省的大部分正出现在这个调整项上。

第 1 步：确立基准

没有参照就无法证明任何节省。SR-FMG 在关于量产前验证功能助剂的指南中所述的验证方法，首先是在受控条件下测试不含该助剂的现有配方。同样的逻辑适用于成本项目：

1. 固定现有配方、原材料批次、混合设备、剪切历程和温度。
2. 测量关键性能：黏度曲线、细度、光泽、着色力、泡沫体积与消泡时间、涂膜外观、附着力以及储存稳定性。
3. 同时以供货形态和活性物基准记录现有助剂添加量。
4. 把整个配方换算为单位体积和单位质量成品的成本。
5. 记录现有收率、报废率和返工率，因为它们决定了降低添加量是否构成真正的节省。

忽略缺陷率的基准，往往会产生一种“节省”，它在第一批不合格品被返工时就消失了。

第 2 步：按活性物含量计算添加量

助剂常常以复配物形式供应，用溶剂、水或矿物载体稀释。SR-FMG 指南指出，当助剂是复配物时，添加量应按活性物含量计算，并举例说明：如果只用供货形态的数值，会出现 40% 量级的欠加或过加误差。验证方案应同时记录产品总添加量和活性物添加量，因为载体本身也有影响：矿物载体可能提高黏度，而溶剂载体可能影响 VOC 贡献和干燥时间。

一个算例可以说明这种失真。考虑两种消泡剂 A 和 B，均在供货形态 0.4% 下评估：

• 消泡剂 A：100% 活性物的硅酮类浓缩液。
• 消泡剂 B：60% 活性物，其余为载体。

在相同供货形态添加量下，B 提供的活性物只有 A 的 60%。如果 B 表现较差，这一结论可能反映的是欠加，而不是化学性能不佳。正确的比较应在匹配的活性物添加量下进行，然后再在各自所需的最低活性物水平上做成本比较。只有到那时，每公斤价格才有意义。

第 3 步：用试验设计找出最低有效添加量

单因素逐一试验找到的是在实验室条件下有效的添加量。它们无法揭示添加量、温度与混合时间之间的交互作用，而生产的波动性正源于此。同一份 SR-FMG 指南推荐采用试验设计（DOE）方法，并指出2^3 析因设计可以用更少的试验筛选添加量、温度和混合时间，同时仍能识别统计上显著的效应。

实用的顺序是：

1. 筛选。 运行八次试验的 2^3 析因设计，取助剂添加量、温度和混合时间的高、低水平。加入中心点以检测曲率。
2. 选择响应值。 选择可测量的响应：规定时间后的泡沫体积、Hegman 细度、两个剪切速率下的黏度、60 度角光泽，以及刮涂板上的缺陷计数。
3. 建模并施加约束。 拟合模型，然后找出在所测试的温度与剪切范围内使每一项响应都保持在规格之内的最低添加量。
4. 确认。 在拟定添加量下以及工艺窗口边缘运行确认批次。
5. 设定操作添加量。 规定一个在最低值之上具有明确余量的添加量，使正常的工艺漂移不会导致失效。

余量本身就是一项成本决策。余量窄可以省助剂，但提高报废风险；余量宽则相反。试验模型使这一权衡可以被量化，而不是被假定。

第 4 步：针对每种颜料进行分散剂需求量研究

颜料通常是涂料或油墨中最昂贵的组分，其利用率取决于分散质量。分散不良的颜料会降低着色力和遮盖力，从而促使配方师用更高的颜料填充量来补偿。因此，正确的分散剂用量是对配方成本最直接的调节手段之一。

在一篇经美国涂料协会发表、关于将六西格玛工具应用于颜料分散剂需求量的论文中，作者主张应常规评估分散剂需求量，并以与配方师实际需求相关的方式表达，因为成本必须与性能平衡。其方法在原理上很直接：

• 配制一系列研磨基料，分散剂用量按颜料重量递增，同时保持颜料填充量、研磨介质和研磨时间不变。
• 测量每种研磨基料的黏度，通常在一系列剪切速率下测量。
• 以分散剂用量为横轴绘制黏度曲线。曲线的最低点即表示分散剂需求量，也就是颜料表面达到饱和的那一点。
• 在调漆后的涂料上测着色力、光泽和稳定性加以确认。

低于最佳值，颗粒絮凝、黏度上升；高于最佳值，多余分散剂增加成本，并可能损害耐水性、附着力或涂膜硬度。由于分散剂需求量随颜料比表面积变化，每一种颜料牌号乃至每一类颜料批次都应有自己的数值。在整套颜色范围内采用单一的“通用”用量，会使某些颜料过加、另一些欠加。

行业文献还把高分子量聚合物分散剂与成本收益联系起来。PCI Magazine 助剂手册描述了通过更快的分散和更高的产能、因着色力提升而降低的颜料填充需求，以及低起泡性带来的良好流变所实现的成本改善。某一牌号能否在特定体系中实现这些收益，必须在实验室中证明，这正是需求量研究的目的。

第 5 步：把消泡剂当作成本项，而不是补救手段

泡沫控制往往是被动加入的——产线上出现缺陷之后才加，添加量随时间不断爬升。每一次增量都可能引入缩孔或失光等表面缺陷，随后又可能需要流平助剂来弥补，从而增加第二项成本。

更经济的做法是：

• 按体系选择化学类型。 硅酮类消泡剂通常在低添加量下有效，但在某些体系中有较高的表面缺陷风险。非硅酮方案适合重涂性和缩孔问题关键的场合。决定应依据基材、树脂体系和施工方式。
• 让加入点与功能相匹配。 在研磨阶段加入的消泡剂控制分散过程中的泡沫；在调漆阶段加入的则针对灌装与施工过程中的泡沫。把用量分配到不同阶段，往往能降低总消耗。
• 在工艺剪切条件下测量泡沫。 在静态量筒测试中表现良好的消泡剂，可能在高速分散或无气喷涂下失效。
• 考虑法规走向。 正如 PCI Magazine 关于控泡助剂的综述所指出，VOC 限值已从低 VOC 走向零 VOC 要求。会引入 VOC 的消泡剂可能日后迫使重新配方，因此在选型时就应考虑全生命周期成本。

ASTRA Chemical 同时供应硅酮类与非硅酮类消泡剂系列（ASTRA DF® 与 ASTRA DF NS®），因此可以依据体系相容性而非供货可得性来选择化学类型。

第 6 步：不要假定助剂复配有协同效应

技术团队有时会把两三种助剂组合使用，期望每一种都独立发挥作用，甚至产生协同效应。在《为成本性能而配方》中介绍的缓蚀剂配方工作提醒说，大多数复配缓蚀剂的效果不如其各单一组分，因为它们会竞争活性位点。尽管该论文讨论的是水处理中的缓蚀剂，这一原理同样适用于在表面和界面上起作用的涂料助剂：润湿剂、分散剂、消泡剂和流动助剂可能争夺同一颜料表面或同一气液界面。

对成本的影响是具体的：

• 复配物中某一组分的最佳用量，往往低于其单独使用时的所需用量，因此把各组分按全量叠加就是超支。
• 每种助剂都应先单独评估，再成对评估，并使用与第 3 步相同的试验设计结构。
• 简化助剂组合——去掉在分散剂优化之后已不再有贡献的助剂——是现有最可靠的降本手段之一。

第 7 步：把节省带入生产

一个在 500 g 实验室批次上验证过的优化配方，如果混合能量、温升、加入顺序或测量精度不同，在 5,000 kg 规模上就可能失效。三项控制可以守住节省。

测量精度。 0.2% 的添加量在 2,000 kg 批次上是 4 kg，几百克的称量误差就会把添加量推出狭窄的最佳区间。经过校准的天平，以及对吸湿性原材料使用经校准的水分分析仪，可使实际配制的配方与已验证配方保持一致。颜料、填料或载体中的水分也会移动有效的活性物添加量。

工艺窗口文件化。 根据试验设计记录温度、剪切、混合时间和加入点的已验证范围，并纳入批次记录。

来料批次验证。 依据检验报告验证每一批助剂，并保留留样。供应商的批次间一致性允许采用更窄的安全余量，这本身就是一种降本。

总使用成本计算模板

以下结构支持在现有助剂与候选助剂之间做决策。数值仅为示例，必须替换为配方师自己的数据。

采购与技术团队应共同完成这张表。采购通常掌握价格与用量数据；技术团队掌握添加量、工艺时间和缺陷数据。任何一方单独给出的答案都不完整。

我们对总使用成本的看法

我们以分散剂、消泡剂、流变改性剂和功能性涂料助剂制造商的身份来看待配方成本。在与涂料、胶粘剂、油墨、塑料与复合材料生产商合作的经验中，可节省的最大一块成本，很少是采购订单上的助剂那一项。它是以下因素的叠加：为覆盖工艺波动而引入的过量添加、在多次重新配方中层层叠加的助剂，以及因供应商批次波动而损失的验证时间。

正因如此，我们围绕三项承诺来定位产品：以更低的总使用成本提供与优质品牌相当的性能；通过有实验室验证的添加量优化支持；以及通过文件记录满足法规与生产需求的批次一致性。我们鼓励客户在匹配的活性物添加量下进行验证，并分享其工艺条件，使建议反映实际的剪切、温度和基材，而不是产品目录上的默认值。一个无法在客户自身条件下证明单位成品净成本更低的候选品就不应被采用，而上述成本模板正是为了让这一判断变得清楚。

— Astra R&D Team

ASTRA 助剂的适用之处

ASTRA Chemical 生产并供应分散剂（ASTRA DISP®）、流变改性剂（ASTRA REO®）、硅酮与非硅酮消泡剂（ASTRA DF® 与 ASTRA DF NS®），以及面向涂料、胶粘剂、油墨、塑料与复合材料的其他功能助剂系列，并提供技术支持与定制配方指导。希望从分散剂需求量研究入手的配方师，可查阅 ASTRA F® 颜料分散剂页面，或浏览完整的 ASTRA 产品系列，并申请样品与技术咨询，以便在自有颜料和树脂上完成验证。价格按需报价。

会吞噬节省的常见误区

• 在相同供货形态添加量下比较。 这会使低活性物产品吃亏、使稀释产品占优，如第 2 步所示。
• 只在实验室条件下验证。 生产中的剪切、温升和空气夹带与实验室规模不同。
• 忽视储存稳定性。 为新鲜性能优化的配方，可能在仓库中存放数周后絮凝、分离或失去消泡性能，从而造成退货。
• 一次改动多个变量。 同时更换分散剂、消泡剂和流变改性剂，就无法把节省或失效归因于某一项。
• 只看价格而忽略材料准则。 SpecialChem 关于可持续与循环涂料的指南把性能、成本、环境足迹、供应链可信度和废弃处置表现列为原材料选择的准则。忽略其他准则的成本项目，可能不得不重做一遍。

常见问题

在不损害性能的前提下降低助剂成本，最快的方法是什么？

用试验设计确定最低有效添加量，并按活性物基准计算。大多数配方都带着一个在早前重新配方时设定、此后再未复核的添加量余量。把它降到已验证的最低值再加上明确的安全余量，通常能带来第一笔也是风险最小的节省。

更便宜的助剂有时是正确的选择吗？

是，前提是它在某一添加量和工艺时间下满足规格，从而使单位成品的净成本更低。比较必须在匹配的活性物含量下进行，并把缺陷率和返工率计入。仅凭更低的每公斤价格并不能证明存在节省。

分散剂需求量应多久重新评估一次？

每当颜料牌号、供应商、表面处理或研磨基料填充量发生变化时，都应重新评估。颜料比表面积驱动分散剂需求量，因此即使名义牌号相同，颜料来源的改变也可能移动最佳值。

减少助剂种类能降低成本吗？

通常可以。助剂会争夺相同的表面，因此在多次重新配方中拼凑起来的组合，可能含有已不再有贡献的组分。分别单独测试每一组分及其组合，并去掉没有可测量效果的组分。

资料来源

• 量产前验证功能助剂指南，SR-FMG
• 运用六西格玛工具评估颜料分散剂需求量性能，美国涂料协会
• 2012 助剂手册，PCI Magazine
• 不断演进的控泡助剂，PCI Magazine
• 为成本性能而配方
• 可持续与循环涂料：配方师的原材料选择方法，SpecialChem