低溫固化型粉末涂料的制備研究

江 蓉，鄒玲玲，畢海鵬，張 齊

（1.黃山學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，安徽 黃山245041；2.黃山市向榮新材料有限公司，安徽 黃山245900）

1 引言

粉末涂料是一種新型不含溶劑，組成為固體粉末狀的涂料。粉末涂料以空氣作為噴涂的分散介質(zhì)，粉末可回收，損失率小，一次性成膜，針孔缺陷少，堅(jiān)固耐用，相比于其他的種類的涂料來說更加環(huán)保[1]。

粉末涂料的固化分為4個階段：熔融、流動、凝膠和固化,其中固化過程決定了涂膜的性能[2]。而固化需要在一定的溫度下進(jìn)行，這個溫度稱之為固化溫度，又可以看作化學(xué)反應(yīng)快速進(jìn)行的溫度。根據(jù)熱力學(xué)反應(yīng)機(jī)理，只有分子碰撞能量達(dá)到反應(yīng)活化能時才能進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)[3]。分子碰撞能量是隨溫度上升而加大的，因此升高溫度或降低反應(yīng)活化能是使反應(yīng)速度加快的有效手段[4]。對于低溫固化粉末涂料而言，溫度是越低越好，因此選擇降低活化能是唯一的措施。

通用型粉末涂料固化溫度一般在180℃-200℃，低溫固化型粉末涂料的固化溫度可以低于160℃，在一定的溫度范圍內(nèi)，涂料的固化溫度降低10℃，就可節(jié)約10%左右的能源[5]。因此對涂料進(jìn)行低溫固化研究，對節(jié)約能源降低成本，擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域，具有十分重要的意義。

本文在現(xiàn)有配方基礎(chǔ)上，引入三羥甲基丙烷單體代替部分新戊二醇，同時因?yàn)樗?個活性官能團(tuán)，能有效改善聚酯的反應(yīng)活性，使聚酯具有優(yōu)異的支化度，大大提高端羧基活性，這使得聚酯樹脂在保持原有優(yōu)良性能的前提下，又能滿足低溫固化條件。本文著重研究三羥甲基丙烷含量、固化溫度、固化時間對粉末涂料光澤度和抗沖擊性能的影響，從中選出戶外型低溫固化型聚酯樹脂的最優(yōu)配方。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 主要原料及儀器

原料：新戊二醇、三羥甲基丙烷（TMP）、對苯二甲酸、間苯二甲酸、己二酸、單丁基氧化錫、抗氧劑、TGIC、鈦白粉、硫酸鋇、流平劑。

儀器：磁力攪拌不銹鋼反應(yīng)釜、無間隙雙螺桿擠出機(jī)、電熱恒溫干燥箱、旋片真空泵、涂膜測厚儀、光澤度計(jì)、靜電噴涂設(shè)備、漆膜沖擊器。

2.2 聚酯樹脂合成步驟

2.2.1 合成端羥基聚酯樹脂中間體

按照配方將新戊二醇、TMP、對苯二甲酸、催化劑單丁基氧化錫等加入5升反應(yīng)釜中。開始緩慢升溫；等到新戊二醇開始熔融，打開攪拌裝置并接通冷凝水，攪拌速度緩慢上升至60-75轉(zhuǎn)/min，均勻升溫至180℃后，保溫1h，180-220℃以5℃/h升溫，220-240℃以10℃/h升溫，到240℃后保溫1h，取樣測量，酸值黏度合格，即得到聚酯中間體。

2.2.2 對聚酯中間體進(jìn)行酸化

約225-228℃時投抗氧化劑，降溫至210℃，加入己二酸、間苯二甲酸，維持溫度，進(jìn)行酸化，以10℃/h升溫到240℃保溫至酸值，黏度合格，進(jìn)行真空減壓2h，同時跟蹤酸值和粘度，取出樹脂冷卻。

2.3 粉末涂料的制備

（1）按照表1配方稱量聚酯樹脂、TGIC、鈦白粉、硫酸鋇以及流平劑，混合均勻，待無間隙雙螺桿擠出機(jī)達(dá)到設(shè)定溫度，打開冷卻水管路，將喂料轉(zhuǎn)速調(diào)整至30Hz，螺桿調(diào)整至40Hz。再將樣品倒入雙螺桿擠出機(jī)中擠出壓片。

表1 粉末涂料配方

（2）將擠出成片的樣品冷卻后放在粉碎機(jī)粉碎成粉末，用180目分樣篩篩出粉末。打開靜電噴涂設(shè)備，取一塊備用金屬板用氣槍吹凈掛在靜電噴涂設(shè)備鐵架上，將粉末倒入噴槍中開始噴涂，噴涂時手離板面200mm左右，勻速上下移動，以保證成膜的均勻性。來回5次左右，再取下噴好的板放入電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中烘烤固化。

（3）固化后，取出板冷卻，用涂層測厚儀測板面厚度，用光澤度計(jì)測光澤度，用漆膜沖擊器進(jìn)行板面沖擊（正沖、反沖），最后得出板面結(jié)論。

3 結(jié)果與討論

3.1 單因素實(shí)驗(yàn)

以TMP含量、固化時間及固化溫度為影響因子，以光澤度為指標(biāo)，分別進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)。采用光澤度作為指標(biāo)既可以有效反映影響程度，也方便觀測。

3.1.1 TMP對涂膜光澤度的影響

加入TMP含量不同的聚酯，按照配方制成粉末后噴涂，在160℃下，固化10min?？疾霻MP含量對涂膜光澤度的影響，結(jié)果見表2。

表2 TMP對涂膜光澤度的影響

由表2可以看出，在加入TMP后涂膜的光澤度明顯降低，改善了其性能，但是在加入25%時，導(dǎo)致光澤度下降，只是因?yàn)檫^量的TMP使粉末涂料體系中的黏度增大，引起涂抹表面橘皮，因此光澤度也明顯下降。

3.1.2 溫度對涂膜光澤的影響

加入TMP10%的聚酯樹脂，按照配方制成粉末后噴涂，固化時間15min，觀察溫度對涂膜光澤度的影響,結(jié)果見表3。

表3 溫度對涂膜光澤的影響

由表3可以看出，隨著溫度升高，盡管涂膜的光澤度影響不大，但是仍有所下降。這是因?yàn)闇囟壬?，涂膜表面易出現(xiàn)泛黃現(xiàn)象，影響光澤度。

3.1.3 時間對涂膜光澤度的影響

加入TMP10%的聚酯樹脂，按照配方制成粉末后噴涂，固化溫度為150℃，考察時間對涂膜光澤度的影響，結(jié)果見表4。

表4 時間對涂膜光澤度影響

由表4可以看出，時間對涂膜的光澤度影響較小，但是隨著烘烤時間加長，涂膜表面不斷被氧化，其光澤度也有所下降。

3.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.2.1 正交試驗(yàn)影響因素的選擇

以三羥甲基丙烷（TMP）含量(A)、固化溫度(B)、固化時間(C)為考察因素，以光澤度為指標(biāo)，進(jìn)行三因素三水平實(shí)驗(yàn)，其影響因素和水平見表5，正交試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表5 正交試驗(yàn)因素和水平

表6 正交試驗(yàn)表及結(jié)果

由表6的極差分析結(jié)果可知，3種因素對光澤度的影響程度最大的為三羥甲基丙烷含量，固化時間、固化溫度的影響相同。實(shí)驗(yàn)1到實(shí)驗(yàn)6的光澤度都大于90，滿足正常需求。其正交試驗(yàn)最佳成膜條件為A2B1C2，即三羥甲基丙烷含量在10%，固化溫度在150℃，固化時間為15min涂膜光澤性能達(dá)到98，為最優(yōu)條件。

3.2.2 方差分析

由表7方差分析表可以得出，A因素（TMP的含量）的方差比F值為27.40，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它兩組，而P值為0.03則遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其它兩組。這證明A因素對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響是非常顯著的，而B因素（固化溫度）和C因素（固化時間）對實(shí)驗(yàn)影響不顯著。

表7 方差分析表

3.3 涂層抗沖擊性

以沖擊強(qiáng)度50kg.cm為基準(zhǔn)，分別對9組實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行涂層抗沖擊實(shí)驗(yàn)，得到結(jié)果如表8。

表8 涂層抗沖擊性能結(jié)果

由表8可以看出，前3組實(shí)驗(yàn)由于加入TMP含量為0，抗沖擊性能較差，無法達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，隨著加入TMP后，體系支化程度提高，反應(yīng)活性提高，即使固化條件降低也能完全固化，而且其交聯(lián)密度高，所以沖擊性能好。結(jié)合正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果，最佳成膜條件為A2B1C2，即三羥甲基丙烷含量在10%，固化溫度在150℃，固化時間為15min，可得到涂膜光澤度98，抗沖擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果正反均通過。

4 結(jié)論

本文通過設(shè)計(jì)三因素三水平正交實(shí)驗(yàn)以尋求在符合規(guī)定指標(biāo)情況下，對粉末涂料進(jìn)行低溫固化研究，可得出以下結(jié)論。

1.加入TMP會使涂膜的光澤度下降；

2.不同溫度下粉末涂料固化時間不同，固化溫度高則固化時間短；

3.增加TMP含量10%時，固化溫度可縮短到150℃，有效降低溫度至20℃左右；

4.在TMP含量為零時，涂膜光澤度雖然較高，但是涂膜柔韌性較差反沖不過，TMP含量在10%涂膜光澤度性能良好；

5.在保證醇酸比的前提下，適當(dāng)增加三羥甲基丙烷的含量，可以有效提高聚酯樹脂體系的柔韌性，提高涂料的抗沖擊性能；

6.經(jīng)過實(shí)驗(yàn)研究，涂料配方中三羥甲基丙烷含量在10%，固化溫度150℃，固化時間15min時，其性能表現(xiàn)最佳。

綜合以上結(jié)論，通過改變原料組分選出了具有低溫固化性能的聚酯樹脂涂料配方，其具備原涂料配方優(yōu)良性能的同時，也大大降低了能源消耗，具有很好的應(yīng)用價值。