聚丙烯酸酯類流平劑在粉末涂料中的應(yīng)用

朱 偉，江建明，唐龍祥，徐衛(wèi)兵

（1.合肥工業(yè)大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，安徽合肥 230009；2.黃山正杰新材料有限公司，安徽黃山 245200）

聚丙烯酸酯類流平劑在粉末涂料中的應(yīng)用

朱 偉1，2，江建明2，唐龍祥1，徐衛(wèi)兵1

（1.合肥工業(yè)大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，安徽合肥 230009；2.黃山正杰新材料有限公司，安徽黃山 245200）

在粉末涂料中，流平劑是一種非常重要的添加劑，其中應(yīng)用較廣的是聚丙烯酸酯類流平劑。重點(diǎn)討論了聚丙烯酸酯類流平劑的相對(duì)分子質(zhì)量及添加量等對(duì)粉末涂料性能的影響。

粉末涂料；流平劑；表面張力；相對(duì)分子質(zhì)量；差示掃描熱量法

0 引言

在粉末涂料體系中，表面張力和體系黏度是兩個(gè)重要的因素，表面張力是涂膜流平的驅(qū)動(dòng)力，黏度制約著熔融粉末涂料的流動(dòng)。只有當(dāng)兩者達(dá)到平衡時(shí)，才能得到完美的涂層。流平劑的作用就是調(diào)節(jié)體系表面張力和黏度之間的平衡，其作用機(jī)理如下：

（1） 流平劑的加入降低了粉末涂料體系的熔融黏度，增加了熔融涂料在固化前的流動(dòng)性。

（2） 由于樹(shù)脂的有限相容性，使流平劑中的烷基支鏈迅速逃逸至表面，形成一個(gè)單分子層，增加了定向分子結(jié)構(gòu)的密度，使表面張力更均勻，緩解了貝納德漩渦的產(chǎn)生，減少橘皮形成的可能性。

（3） 降低了熔融涂料與基材之間的界面張力，增加涂料對(duì)基材的潤(rùn)濕性，從而降低縮孔施體與縮孔受體間的表面張力梯度。

（4） 改善了樹(shù)脂對(duì)顏填料的潤(rùn)濕作用，且當(dāng)流平劑從基料樹(shù)脂中逸出時(shí)，排除了基料所吸附的某些氣體，避免了縮孔的產(chǎn)生。

流平劑的種類有許多，有丙烯酸酯類、聚有機(jī)硅類、氟碳類等，但在粉末涂料行業(yè)中，應(yīng)用最廣的還是丙烯酸酯類流平劑。本研究考察了聚丙烯酸酯類流平劑的相對(duì)分子質(zhì)量、添加量等對(duì)粉末涂料性能的影響。

1 原材料及儀器設(shè)備

1.1 原材料

羧基聚酯（CC2441-2，美國(guó)氰特）、TGIC（異氰脲酸三縮水甘油酯，HT-708，黃山華惠）、顏填料及其他功能添加劑，其中以流平劑（HL988，黃山華惠）作為研究對(duì)象，其合成路線如下：

1.2 儀器設(shè)備

德國(guó)Qnix4500膜厚儀、德國(guó)BYK-Gardner microgloss 60°光澤儀、QCJ型沖擊儀、TA Q200差示掃描量熱儀。

2 試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)配方

試驗(yàn)1：研究HL988流平劑不同添加量對(duì)涂料性能的影響。

A1：無(wú)流平劑（空白）；A2：添加配方總量5%的流平劑；A3：添加配方總量10%的流平劑；A4：添加配方總量20%的流平劑。

試驗(yàn)2：研究不同相對(duì)分子質(zhì)量的HL988流平劑（添加量均為配方總量的10%）對(duì)涂料性能的影響。

B1：相對(duì)分子質(zhì)量5 000；B2：相對(duì)分子質(zhì)量10 000；B3：相對(duì)分子質(zhì)量20 000；B4：相對(duì)分子質(zhì)量分布較寬（從5 000～20 000）。

所有的粉末涂料樣品均在相同的參數(shù)條件下制得。

2.2 樣板外觀檢測(cè)

將粉末涂料均勻地噴涂在鋁制基材上，膜厚一致，經(jīng)鼓風(fēng)恒溫烘箱在200℃下烘烤10 min，然后在室溫下待樣板完全冷卻后，通過(guò)光澤儀測(cè)定涂膜光澤、觀察樣板外觀及表面流平性。

2.3 粉末涂料傾斜板流動(dòng)性測(cè)定

稱取事先準(zhǔn)備好的粉末涂料樣品，精確至10 mg。將樣品裝入圓柱壓膜機(jī)中，將其壓成厚度為（6.5± 0.2）mm的圓餅，用頂推桿推出圓餅。稱量圓餅，保證其質(zhì)量精確至0.01 g。烘箱溫度設(shè)定為（180±2）℃，并預(yù)熱。

將金屬板水平放在板架上，然后將整個(gè)設(shè)備放進(jìn)事先設(shè)定好的烘箱內(nèi)預(yù)熱15 min。將制備好的粉末圓餅依次放在金屬板尾部，迅速將金屬板調(diào)節(jié)至（65±1）°的位置，關(guān)好烘箱門(mén)。保持15 min后，取出金屬板，在水平位置冷卻至室溫。

用鋼尺測(cè)量圓餅流動(dòng)的總長(zhǎng)度，以毫米計(jì)算。將總長(zhǎng)度減去圓餅自身直徑，即得粉末涂料圓餅流動(dòng)長(zhǎng)度。

2.4 粉末涂料混容性試驗(yàn)

將研磨好的粉末涂料，分別按一定比例進(jìn)行混合，然后噴涂、烘烤，觀察涂膜表面情況?；烊菪栽囼?yàn)的主要目的是考察不同配方粉末涂料之間的相互干擾性，其依據(jù)是不同表面張力的粉末涂料相互之間的影響會(huì)導(dǎo)致縮孔等缺陷。

2.5 粉末涂料差示掃描量熱法（DSC）測(cè)試

差示掃描量熱法是在程序升溫的條件下，測(cè)定試樣與參比物之間的能量差隨溫度變化的一種分析方法。對(duì)不同配方的粉末涂料進(jìn)行DSC測(cè)定，并繪制DSC曲線。

3 結(jié)果與討論

3.1 樣板外觀結(jié)果

HL 988流平劑的用量及其相對(duì)分子質(zhì)量分布對(duì)涂膜外觀的影響見(jiàn)表1。

表1 流平劑的用量及相對(duì)分子質(zhì)量對(duì)涂膜外觀的影響Table 1 The influence of leveling agent amount and relative molecular weight on the film appearance

由表1可見(jiàn)：在相同的配方中，流平劑的添加量及其相對(duì)分子質(zhì)量對(duì)最終涂膜的外觀影響很大：

（1） 當(dāng)配方中沒(méi)有流平劑時(shí)，涂膜的縮孔較大。這是因?yàn)榫酆衔镌谌廴诠袒^(guò)程中，受到各種因素的干擾，造成涂膜在收縮過(guò)程中表面張力不均勻，形成貝納爾德漩渦。

（2） 當(dāng)配方中流平劑的用量不足時(shí)，縮孔缺陷得到緩解，但并未完全消除。這是因?yàn)楫?dāng)體系中有了一定量的流平劑時(shí)，在熔融流平過(guò)程中，流平劑迅速遷移到涂膜表面，形成一層單分子層，使涂膜表面張力趨于均衡，消除了部分貝納爾德漩渦，但由于流平劑的用量不足，局部區(qū)域不能完全覆蓋，表面缺陷仍然存在。

（3） 當(dāng)配方中流平劑的用量適中時(shí)，遷移到涂膜表面的流平劑能夠完全將貝納爾德漩渦消除，使整個(gè)體系的表面張力完全均勻，此時(shí)得到的涂膜是最理想的。

（4） 繼續(xù)增加流平劑的用量，發(fā)現(xiàn)涂膜表面也沒(méi)有縮孔的缺陷，但是在涂膜表面卻形成了一層薄薄的油層。這是因?yàn)楫?dāng)體系中流平劑過(guò)量時(shí)，大量的流平劑遷移至涂膜表面，完全覆蓋了涂膜，反而降低了涂膜的鮮映度。

另外，從B1～B4可以看出，流平劑的相對(duì)分子質(zhì)量分布寬窄對(duì)涂膜外觀也有較大影響，相對(duì)分子質(zhì)量分布較寬的流平劑（B4）遷移到涂膜表面的能力不同，造成涂膜外觀不夠細(xì)膩；B1～B3流平劑的相對(duì)分子質(zhì)量分布較窄，在涂膜熔融流平過(guò)程中，流平劑能更均勻地遷移到涂膜表面，使涂膜更細(xì)膩光滑。

3.2 傾斜板流動(dòng)性

粉末涂料傾斜板流動(dòng)性測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 粉末涂料傾斜板流動(dòng)性的測(cè)試結(jié)果Figure 1 The test results of fluidity of powder coatings on inclined plate

由圖1可看出：在粉末涂料體系中，隨著流平劑用量的增加（A1～A4），體系黏度呈下降趨勢(shì)；在流平劑用量相同的情況下（B1，B3），體系黏度基本不隨流平劑相對(duì)分子質(zhì)量大小的變化而變化。

流平劑的加入能有效降低粉末涂料熔融初級(jí)階段的體系黏度，利于熔融態(tài)粉末涂料的流動(dòng)。

3.3 混容性試驗(yàn)結(jié)果

粉末涂料混容性試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表 2 粉末涂料混容性試驗(yàn)結(jié)果Table 2 The compatibility test results of powder coatings

由表2可見(jiàn)：在流平劑足量的前提下，雖然其添加量不同，但是制得的粉末涂料（A3與A4混溶）相互之間沒(méi)有影響；同一款流平劑，相對(duì)分子質(zhì)量大小不同（B1與B2、B1與B3）制得的粉末涂料相互之間沒(méi)有影響。

3.4 粉末涂料DSC測(cè)試結(jié)果

粉末涂料差示掃描量熱法（DSC）曲線見(jiàn)圖2。

圖2 粉末涂料的DSC曲線Figure 2 The DSC curve of powder coatings

由圖2可見(jiàn)：流平劑的添加會(huì)降低體系的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg），最終涂膜的Tg也得到降低；流平劑相對(duì)分子質(zhì)量的大小也直接影響了粉末體系的Tg，但對(duì)最終涂膜的Tg影響不大。

4 結(jié)語(yǔ)

（1） 在粉末涂料配方體系中，流平劑的主要作用是調(diào)節(jié)體系的表面張力。

（2） 流平劑加入到粉末涂料配方中，會(huì)降低涂料體系的Tg，且流平劑用量越大，體系Tg降低得越多。

（3） 在流平劑用量相同的情況下，流平劑本身的相對(duì)分子質(zhì)量越小，對(duì)涂料體系的Tg降低得越多。

（4） 流平劑加入至粉末涂料配方中能降低涂料體系的黏度，但降低程度不隨其相對(duì)分子質(zhì)量大小改變而改變。

（5） 流平劑加入至粉末涂料中能降低體系的表面張力，其降低涂膜表面張力的能力不隨其相對(duì)分子質(zhì)量大小的改變而改變，即同一款流平劑，相對(duì)分子質(zhì)量大的與相對(duì)分子質(zhì)量小的對(duì)體系表面張力的降低程度相同。

根據(jù)高分子材料表面張力（ρ）與相對(duì)分子質(zhì)量（Mn）的關(guān)系：

式中：ρ∞—當(dāng)相對(duì)分子質(zhì)量無(wú)窮大時(shí)，聚合物的表面張力；Kb—等比張容。

查閱文獻(xiàn)可知：甲基丙烯酸正丁酯單體的相對(duì)分子質(zhì)量是141.2、表面張力是26.4 mN/m、Kb為360.3。從而間接推導(dǎo)出ρ∞=39.7，然后反推出不同相對(duì)分子質(zhì)量流平劑的表面張力：

Mn=1 000時(shí)，ρ=36.1 mN/m；

Mn=2 000時(shí)，ρ=37.5 mN/m；

Mn=3 000時(shí)，ρ=38 mN/m；

Mn=5 000時(shí)，ρ=38.5 mN/m；

Mn=10 000時(shí)，ρ=39 mN/m；

Mn=20 000時(shí)，ρ=39.2 mN/m。

從以上數(shù)值可以看出，當(dāng)流平劑的相對(duì)分子質(zhì)量＞5 000時(shí)，ρ與ρ∞已經(jīng)非常接近，這也證實(shí)了同系流平劑相對(duì)分子質(zhì)量不同，降低體系表面張力的能力是一樣的。

1 張華東.粉末涂料與表面張力［J］.中國(guó)涂料，2003（4）：43-46.

2 南仁植.粉末涂料與涂裝技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000.

3 黃玉東.聚合物表面與界面技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

4 T.A. Misev. Powder Coatings，Chemistry and Technology［M］. J. Wiley & Sons，New York，1991.

5 何曼君，等.高分子物理［M］.上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，2001.

6 D.G. Legrand. The Molecular Weight Dependence of Polymer Surface Tension［J］. Journal of Colloid and Interface Science，1969，31（2）：162-167.

Application of Polyacrylate Levelling Agent in the Powder Coatings

Zhu Wei1，2，Jiang Jianming2，Tang Longxiang1，Xu Weibing1
（1.College of Chemistry and Chemical Engineering，Hefei University of Technology，Hefei Anhui，230009，China；2.Huangshan Zhengjie New Materials Co.，Ltd.，Huangshan Anhui，245200，China）

Levelling agent is a kind of important additive in the powder coatings. The most popular and widely used levelling agent in powder coatings is polyacrylate levelling agent. This research focused on the influence of relative molecular weight and amount of polyacrylate levelling agent on the performance of powder coatings.

powder coatings；levelling agent；surface tension；relative molecular weight；DSC

TQ 630.4+9

A

1009-1696（2017）01-0025-04

2016-08-08

朱偉（1985—），男，大學(xué)本科，高分子材料科學(xué)與工程專業(yè)。