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嘉峪檢測(cè)網(wǎng) 2025-04-14 18:30
摘要：本文以提高低光澤聚酯粉末涂料的硬度為實(shí)驗(yàn)?zāi)康模ㄟ^(guò)對(duì)聚酯樹(shù)脂、填料、消光劑、增硬劑的擇優(yōu)選擇，最終得到一種光澤低、流平好、硬度可達(dá)3H的聚酯粉末涂料的制備配方。
引言
這一年，隨著國(guó)家環(huán)保政策重心從“過(guò)程監(jiān)管”到“末端治理”再到“源頭替代”轉(zhuǎn)變，涂料與涂裝行業(yè)步入綠色發(fā)展新時(shí)期，粉末涂料與涂裝也迎來(lái)了新的機(jī)遇期。粉末涂料一般由聚酯樹(shù)脂、固化劑、助劑及顏填料組成，將粉末涂料以空氣作為傳播媒介噴涂于工件上，在高溫烘烤時(shí)聚酯樹(shù)脂與固化劑發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，最后固化成平整堅(jiān)硬的涂膜。粉末涂料具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：
(1) 經(jīng)濟(jì)(Economics)：粉末涂料原材料來(lái)源十分豐富，價(jià)格便宜。
(2) 環(huán)保(Ecology)：相較于溶劑型涂料，粉末涂料因不含有機(jī)溶劑，既可以避免有機(jī)溶劑對(duì)土地、水源的污染，又可以避免有機(jī)溶劑受環(huán)境影響發(fā)生揮發(fā)與分解，產(chǎn)生的有毒刺激性氣味對(duì)大氣造成污染，從而在一定程度上保護(hù)人民群眾的生命安全。
(3) 高效(Efficient)：在相同涂裝次數(shù)的情況下，粉末涂料獲得的涂層厚度要比一般溶劑型涂料要厚(即一次粉末涂料涂裝的涂膜厚度相當(dāng)于一般溶劑型涂料多次涂裝的涂膜厚度)，大大減少了因多次涂裝所消耗的時(shí)間，進(jìn)而提高了生產(chǎn)效率。
(4) 性能卓越(Excellent)：粉末涂料用樹(shù)脂的分子量比溶劑型和水性涂料的大，因此，涂膜的物理力學(xué)性能和耐化學(xué)藥品等性能比溶劑型和水性涂料好。另外，在涂膜中沒(méi)有殘留溶劑，涂膜的致密性和耐腐蝕性也較好。
因此，粉末涂料被稱(chēng)作“4E”型涂料。其中，聚酯粉末涂料是我國(guó)耐候性粉末涂料中產(chǎn)量最大、用途最廣的重要粉末涂料品種。其具有機(jī)械性能良好、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。隨著人們審美意識(shí)的改變，人們更喜歡能帶來(lái)高級(jí)感的消光體系產(chǎn)品。當(dāng)光線照射至啞光涂層表面時(shí)，光線將發(fā)生漫反射現(xiàn)象，進(jìn)而減少了光污染現(xiàn)象。目前，制造消光聚酯粉末有
三種方式：
(1) 在單組分聚酯體系中添加消光劑進(jìn)行消光。優(yōu)點(diǎn)為其配方結(jié)構(gòu)以及制造工序簡(jiǎn)單，可制得表面平整、光滑、細(xì)膩的涂膜；缺點(diǎn)是消光劑成本較為高昂，不利于粉末涂料產(chǎn)品成本控制。
(2) 利用雙組分體系進(jìn)行消光。優(yōu)點(diǎn)為不使用消光劑即可降低光澤，可在一定程度上節(jié)約成本；缺點(diǎn)是制造工藝較為繁瑣，一般雙組分消光需制造兩種有反應(yīng)速度差異的粉末，再將其按1：1干混的方式合成最終粉末。并且一般純干混消光得到的光澤在25-40左右，消光范圍較為一般，且涂膜表面目視光滑度不如單組分。
(3) 使用消光填料進(jìn)行消光。其主要通過(guò)物理作用進(jìn)行消光，缺點(diǎn)是消光作用有限，一般用于制造光澤60左右的粉末涂料。
本文選用第一種方法進(jìn)行探索實(shí)驗(yàn)。
1. 實(shí)驗(yàn)部分
1.1 實(shí)驗(yàn)材料：
聚酯樹(shù)脂1、聚酯樹(shù)脂2，安徽神劍；聚酯樹(shù)脂3，浙江光華；TGIC，黃山華惠；
消光鋇，貴祥；增硬填料：廣州銀彩；流平劑1：艾斯特倫；流平劑2、光亮劑，寧波南海；安息香，揚(yáng)凡化工；增硬劑1，湖北來(lái)斯；增硬劑2，南京天詩(shī)；增硬劑3；增硬劑4，佛山客臨登；增電劑，東莞索是；消光劑1，六安捷通達(dá)；消光劑2，安徽景成；顏料：市售。以上材料的品質(zhì)級(jí)別均為一般工業(yè)級(jí)。
1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備：
電子天平(BWS-n)：佰倫斯；雙螺桿擠出機(jī)(TSK 22)、ACM微粉碎機(jī)(101-3AS)：煙臺(tái)杰程；靜電噴槍(OptiFlex
2)：廣東南海華美涂裝廠；電熱恒溫干燥箱(101-3AS)：康恒儀器；膜厚測(cè)量?jī)x(QNIX 4500)：德國(guó)尼克斯；光澤儀(WGG60-Y4 MN60)：科仕佳；鉛筆硬度測(cè)試儀(BGD 505)：標(biāo)格達(dá)；沖擊儀(QJL)：天津市精科材料試驗(yàn)機(jī)廠。
1.3 涂膜制備方法
(1) 將各原材料按表1所示的基礎(chǔ)配方結(jié)構(gòu)進(jìn)行配制并裝入容器中混合均勻，制成生料。
(2) 將生料放入雙螺桿擠出機(jī)進(jìn)行熔融擠出和壓片冷卻，制成片料。擠出機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速設(shè)置為45Hz，下料區(qū)溫度設(shè)置為100℃，出料區(qū)溫度設(shè)置為105℃。
(3) 片料粉碎后放入磨粉機(jī)制成粒徑分布均勻的粉末，控制粉末粒徑D50在30-35μm。
(4) 將制好的粉末用靜電噴槍噴涂于150mm×75mm ×0.5mm鋁板上，控制噴涂膜厚為60-80 μm。將噴涂好的鋁板放入爐溫200℃的電熱恒溫干燥箱中保溫10分鐘后取出，待冷卻后檢測(cè)各項(xiàng)性能。檢測(cè)項(xiàng)目及其檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。
2. 結(jié)果分析及討論
2.1 聚酯樹(shù)脂
聚酯樹(shù)脂作為粉末涂料的成膜物質(zhì)之一，是奠定涂膜各項(xiàng)性能的重要材料。一般聚酯體系常用端羧基聚酯樹(shù)脂，其羧基與固化劑的反應(yīng)基團(tuán)發(fā)生交聯(lián)固化反應(yīng)，從而使兩者結(jié)合成高分子化合物并以此形成涂膜。目前常用的固化劑有異氰尿酸三縮水甘油酯(即TGIC)和羥烷基酰胺(即HAA)。端羧基聚酯樹(shù)脂與TGIC的反應(yīng)原理為：端羧基聚酯樹(shù)脂的羧基與TGIC的環(huán)氧基發(fā)生連續(xù)性交聯(lián)固化反應(yīng)，該反應(yīng)連續(xù)不斷的進(jìn)行直至兩者結(jié)合成高分子化合物涂膜。在該反應(yīng)中沒(méi)有副產(chǎn)物產(chǎn)生，因而該體系涂膜流平性佳，不易產(chǎn)生針孔、豬毛孔等弊病。該反應(yīng)示意圖如圖1所示。端羧基聚酯樹(shù)脂與HAA的反應(yīng)原理為：端羧基聚酯樹(shù)脂的羧基與HAA的羥基之間發(fā)生脫水反應(yīng)，該反應(yīng)連續(xù)不斷的進(jìn)行直至兩者結(jié)合成高分子化合物涂膜。但當(dāng)兩者結(jié)合成高分子化合物時(shí)會(huì)產(chǎn)生小分子水，在涂膜固化時(shí)小分子水會(huì)從涂膜中溢出，容易使涂膜出現(xiàn)針孔、豬毛孔弊病，在涂膜厚噴時(shí)極易產(chǎn)生，影響涂膜外觀。該反應(yīng)示意圖如圖2所示。
綜合考慮后選擇端羧基聚酯樹(shù)脂與TGIC反應(yīng)體系。本實(shí)驗(yàn)選用以下3種參數(shù)不同的聚酯樹(shù)脂進(jìn)行涂膜制備，3種聚酯樹(shù)脂的參數(shù)及其涂膜性能如表3所示。
由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果得知，使用聚酯樹(shù)脂2和聚酯樹(shù)脂3形成的涂膜硬度較高。這是因?yàn)樗鼈兯嶂当染埘?shù)脂1高，酸值越高則需要消耗更多的固化劑，發(fā)生交聯(lián)固化反應(yīng)時(shí)所形成的涂膜交聯(lián)密度也更大，因而對(duì)涂膜硬度有更好的提升效果。但從聚酯樹(shù)脂的成本方面考慮，最終選擇聚酯樹(shù)脂2進(jìn)行后面的探索實(shí)驗(yàn)。
2.2 消光劑
消光劑分為非反應(yīng)型消光劑和反應(yīng)型消光劑。
(1)非反應(yīng)型消光型主要通過(guò)物理作用進(jìn)行消光。其消光原理為：利用消光劑與成膜物質(zhì)之間相容性差，使涂膜表面微觀平整性遭到破壞，當(dāng)入射光線照射涂膜表面時(shí)，出射光線將以漫反射的形式發(fā)出，從而達(dá)到消光效果。
(2)反應(yīng)型消光劑也稱(chēng)為消光固化劑，主要通過(guò)物理和化學(xué)作用進(jìn)行消光。其消光原理為：消光固化劑在粉末涂料的成膜過(guò)程中可作為固化劑的一部分參與反應(yīng)。因?yàn)橄夤袒瘎┡c常規(guī)固化劑的反應(yīng)活性有一定的差異，所以它們所形成的化合物彼此之間相容性差，破壞了涂膜表面微觀平整性，從而達(dá)到消光效果。圖3為消光劑消光原理示意圖。
本文選用不同類(lèi)型的消光劑進(jìn)行對(duì)比擇優(yōu)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。
由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果得知，在添加量相同的情況下，消光劑1的板面光澤比消光劑2高，且板面硬度比消光劑2低。這是因?yàn)橄鈩?在粉末涂料發(fā)生交聯(lián)固化反應(yīng)時(shí)需消耗部分TGIC，即與之也發(fā)生交聯(lián)固化反應(yīng)，在一定程度上提升了涂膜的交聯(lián)密度，進(jìn)而提高了涂膜硬度，故選用消光劑2進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。但目前光澤與目標(biāo)值仍有一定差距，故下一步調(diào)整消光劑用量以使光澤達(dá)到目標(biāo)值。
2.2.1 消光劑用量
表5為不同消光劑2添加量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出，調(diào)整消光劑用量后，光澤達(dá)到目標(biāo)要求，且硬度不受影響。
2.3 填料
填料是粉末涂料中重要組成成分之一，在為粉末涂料提供硬度、剛度等性能的同時(shí)還可以降低成本。本實(shí)驗(yàn)選擇3種填料組合以驗(yàn)證它們對(duì)涂膜性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表6所示。
由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果得知，將部分消光鋇替換為增硬填料，涂膜硬度隨替換量的提升而提升，但流平狀況隨替換量的提升而下降(從平整變?yōu)榻燮?，因而替換量不宜過(guò)多。經(jīng)過(guò)綜合考慮之后，選擇消光鋇(27%)+增硬填料(5%)的填料組合進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。
2.4 增硬劑
增硬劑在粉末涂料成膜過(guò)程中會(huì)遷移至涂膜表面，最終在涂層表面形成分布均勻的保護(hù)膜，從而為涂層提供觸感爽滑、耐磨耐刮和消光效果。增硬劑主要分為有機(jī)硅類(lèi)和蠟類(lèi)兩大類(lèi)。圖4為增硬劑作用效果示意圖。
本文選用不同類(lèi)型的增硬劑進(jìn)行對(duì)比擇優(yōu)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表7所示。
由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果得知，增硬劑1與增硬劑2為蠟基增硬劑，它們?cè)谔嵘磕び捕鹊耐瑫r(shí)也提供了較強(qiáng)的消光效果，得到的涂膜光澤離目標(biāo)值差距較大，故不使用該類(lèi)型的增硬劑。增硬劑3與增硬劑4為非蠟基增硬劑，它們不僅提升了涂膜硬度，而且對(duì)涂膜光澤無(wú)明顯影響。其中增硬劑3的涂膜硬度比增硬劑4高，故最終選用其作為最佳增硬劑。
2.5 結(jié)果匯總
綜合以上結(jié)果，確定最終粉末涂料配方如表8所示：
3. 結(jié)語(yǔ)
提高聚酯體系粉末涂料硬度可從以下幾個(gè)方法進(jìn)行：
(1)選用交聯(lián)密度大的聚酯樹(shù)脂。一般酸值越高的聚酯樹(shù)脂其需要消耗的固化劑就越多，所制得的涂膜交聯(lián)密度也就越大。但過(guò)大的反應(yīng)官能團(tuán)密度會(huì)導(dǎo)致另一個(gè)弊端，即使得整個(gè)配方體系反應(yīng)速度過(guò)快，極易導(dǎo)致涂膜產(chǎn)生橘皮，影響涂層外觀。
(2)添加適合的增硬劑以及增硬填料。
(3)消光劑選擇可以消耗TGIC的為宜，其與部分TGIC進(jìn)行反應(yīng)，在一定程度上可提升涂膜的交聯(lián)密度。
通過(guò)對(duì)增硬劑、聚酯樹(shù)脂、填料、消光劑的擇優(yōu)選擇，最終制得與目標(biāo)性能接近的配方。
來(lái)源：2024年粉末涂料與涂裝行業(yè)年會(huì)會(huì)刊 林智宇 / 劉飛 (廣東華江粉末科技有限公司)
來(lái)源：涂料工業(yè)
