聚氨酯粉末涂料

张华东

leegia workroom

导读:主要介绍了聚氨酯粉末涂料的特性及组成、配方设计机理,以及目前重点研究的几种类型,再与其他的耐候型粉末涂料做了简单的比较。 

聚氨酯粉末涂料是由羟基聚酯、封闭型多氰酯、颜填料及助剂等组成的热固性粉末涂料。于20世纪80年代进入使用阶段,其户外曝晒性和物理机械性能均可与纯聚酯/TGIC粉末涂料相媲美。此类粉末涂料目前广泛应用于日本和美国市场,主要应用在汽车部件、空调设备、道路栅栏、铝型材、家用电器等产品的涂装上。‍

1 聚氨酯粉末涂料的特性及组成

1.1 聚氨酯粉末涂料的特性

作为一种主要耐候性粉末涂料的产品,聚氨酯粉末涂料具有以下的优势:

①粉末涂料固化前有充分的流平时间,体系粘度低,所以涂膜流平性特别好,可以与液体涂料相媲美,此性能得益于聚氨酯体系里的固化交联温度高;

②配制范围较宽,可以通过改变羟基聚酯(结构、羟值)和固化剂(-NCO)或其它含量来调整;

③粉末涂料的喷涂性优异;

④涂膜的耐磨性和耐化学药品性很好,耐候性同聚酯/TGIC 体系;

⑤粉末涂料储存稳定性很好。

目前,国内粉末涂料厂家很少选用此类型的粉末涂料,除固化剂价格昂贵外,此类型的粉末涂料还存在如下缺点:

①在固化成膜过程中,要释放封闭剂,造成烘烤环境的空气污染,气味难闻。所以要在固化设备上加有回收封闭剂的处理装置;

②涂膜不宜过厚,否则易使涂膜产生针孔、气泡等毛病;

③烘烤固化温度高。

1.2 聚氨酯粉末涂料的组成

聚氨酯粉末涂料的配制是利用聚酯树脂中的羟基(R-OH)与异氰酸酯(R – N = C = O)反应来完成,此交联反应会生成氨基甲酸酯键,异氰酸酯中的芳香族,由于耐候性差,很少选用,常选用脂肪族的异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)和己二异氰酸酯(HDI)做固化剂。二异氰酸酯在常温下大部分是具有挥发性的液体,R – N = C = O非常活泼,极易与羟基聚酯发生化合物反应,所以,应用于聚氨酯粉末涂料的异氰酸酯固化剂都必须预封闭,主要是为了避免在烘烤前与羟基聚酯反应,等加热一定温度后异氰酸酯就会解封闭,与羟基聚酯树脂反应形成立体网状结构涂膜。目前,最常用的体系是基于只在高于170℃以上才发生反应的己内酰胺封闭的异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI),反应机理如下:

除了己内酰胺封闭外,还有如二氮丁酮基、环己酮肟等来封闭,寻求综合性比较优异的封闭剂,Bayer、Degussa-Huels 公司处于此行业中的领先地位。

1.3 聚氨酯粉末涂料的配方

聚氨酯粉末涂料配方的设计是根据羟基聚酯、封闭异氰酸酯、催化剂、颜填料、助剂等组合配制,见表1。

将表1 配方组分进行称量、预混合、挤出、压片、破碎、粉碎、过筛、喷涂、烘烤,便可以得到性能优良的聚氨酯粉末涂料。

2 聚氨酯粉末涂料的几种类型

2.1 哑光聚氨酯粉末涂料

哑光聚氨酯粉末涂料,主要是靠固化反应期间引起不规则反应速率和微观结构粗糙程度形成的涂膜,当然实际应用技术应用于降低聚氨酯粉末涂料的光泽还应包括:使用填料;加入微粉蜡之类不相混溶的材料;使用具有两种不同活性的粉末的混拼物;一种树脂与两种不同的固化剂的配制;两种不同树脂与一种固化剂的配制;使用分散的活性消光剂;使用两种树脂和两种固化剂配制等等。一些厂家哑光聚氨酯粉末涂料的配方见表2。

用表2配方可得光泽度为5°左右的聚氨酯粉末涂料,根据高羟值树脂与低羟值树脂的比例、填料的品种及加入量,可以调整涂膜光泽。商家常用的另一种消光手法,是通过运用两种固化剂,一方面是使带有羟基的聚氨酯和己内酰胺封闭的异氰酸酯进行反应;另一方面使固化交联其羧基的聚氨酯进行反应,该种方法所制得的成品性能也比较稳定。

2.2 透明聚氨酯粉末涂料

正由于聚氨酯粉末涂料具有优异的流平性和光泽,粉末涂料涂装的工业应用日益增多,尤其近年来粉末涂料涂装进入汽车涂料领域。例如现在部分汽车的铝轮毂喷涂大多数采用罩光清漆或者透明粉末涂料,聚氨酯透明粉末涂料作为一种比较优异聚酯型涂料,其优点在于:①涂膜透明清晰、不泛黄、不起雾;②涂膜流平性佳,涂膜丰满度好;③耐溶剂性能好;④耐擦伤性能优异。透明聚氨酯粉末涂料由羟基聚酯、封闭异氰酸酯、催化剂、助剂等组合配制,其配方见表3。

需要说明的是,在选择原材料的时候要考虑聚氨酯与固化剂的反应活性及清晰度,还应筛选具有高透明性的流平剂及其它助剂,同时要注意生产工艺,防止交叉污染的产生。相信随着国内粉末涂料技术的日趋完善和粉末涂料原材料供应商提供性能不断提高的原料,国产粉末涂料清漆完全有可能满足轿车涂装的各项技术性要求。

2.3 内封闭低温交联固化体系

基于粉末涂料的发展方向,以及性能方面的考虑,开发内封闭低温交联固化体系已成为聚氨酯粉末涂料的研究重点。因为外封闭型IPDI的烘烤过程会释放出挥发性的己内酰胺,造成针孔、气泡等弊病,对环境也存在影响。新兴的内封闭的IPDI技术,是在烘烤过程中,热分解生成NCO基,再与羟基聚酯树脂反应,其反应机理如下:此内封闭型的IPDI 固化体系所得涂膜性能优越,只是光泽及流平性较外封闭型IPDI 差。聚氨酯粉末涂料的低温固化,从两方面出发,一是选择合适的固化剂,即适当的IPDI及封闭剂,催化剂的控制,另一方面即选择合适的树脂。

2.4 聚氨酯粉末涂料及耐候型粉末涂料

随着科技进步和人民生活水平的提高,户外耐候型粉末涂料以优良的保光保色性而倍受涂料工业界同仁所青睐,其应用领域越来越广泛,所占市场份额将会有较大的增加,据2002年世界粉末涂料产量统计,户外类型的粉末涂料占到粉末涂料总量的38.5%。对于各种耐候型粉末涂料,其特点和性能比较见表4。

3 结 语

聚氨酯粉末涂料具有优良的涂膜、极佳的性能,已经在建材外用部件和空调等家电领域获得了广泛应用,在我国,聚氨酯粉末涂料的性能正在被人们所认识,所占的比例会逐步增加。

从表5的实验数据可以看出,在一定范围内增加增塑剂的用量能有效地增强附着力。这是因为邻苯二甲酸二丁酯加入后,能对PM381树脂分子中的主要支链如-CH、-C00C (CH)。和-C00CH等起到阻隔的作用,减小了聚合物分子间的作用;另外,增塑剂小分子能够在聚合物适应收缩空缺困难时,通过扩散作用来缓解空缺,从而减小涂膜的内应力,-定程度上增加了附着力。当增塑剂的用量超过一定程度时,涂膜的性能就发生不良的变化,如硬度下降、发粘、干燥延迟等,涂膜的综合性能降低,因此增塑剂用量要控制在一定的范围内;实验证明增塑剂的用量为4.2%时,涂膜的综合性能最好。

4 结论

(1)E-44和EP2325都能提高涂膜的附着力,EP2325的羟值小于E-44的羟值,在对于附着力要求较高的情况下(如1级), 采用E-44比采用EP2325的改性效果好;

(2)当溶剂从热塑性涂层上挥发时,聚合物通过松驰来适应这种空缺,这样便产生了收缩,涂料在钢性底板上成膜而无法收缩时便产生内应力。溶剂的挥发速度和溶解度参数都会影响涂膜的内应力。在选择溶剂时,要选用挥发速度适中、溶解度参数与树脂接近的溶剂,这样能得到较好的附着力;

(3)在保证涂膜使用性能的基础上,涂膜薄对附着力有利;

(4)增塑剂邻苯二甲酸二丁酯加入后能对PMB81树脂分子中的主要支链如-CH3、-C0OC (CH2)。和-C00CH等起到阻隔的作用,减小了聚合物分子间的作用;另外,增塑剂小分子能够在聚合物适应收缩空缺困难时,通过扩散作用来缓解空缺,从而减小涂膜的内应力,一定程度上增加了附着力。但是当增塑剂的用量超过一定程度时,涂膜性能就发生不良的变化;实验证明,增塑剂用量为42时,涂膜综合性能最好。

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