铝型材专用超耐候粉末涂料冲击性能改善最新研究

　　引言

　　粉末涂料始于20世纪40年代初，是以粉末粒子形态涂装并形成涂层的。粉末涂料在生产和涂装过程中没有溶剂释放，污染少，符合环保要求，涂装过程中喷溢的粉末可以回收再利用，有利于节省资源。粉末涂装易实施自动化生产，可提高生产率，粉末涂料已成为发展迅速的涂料新产品和新工艺，现已成为公认的符合4E型的涂料产品。

　　其中，聚酯粉末涂料因其优良的综合性能，相对低成本的优势，被大量用于建筑、汽车、交通道路等户外设施，目前一半以上的热固性粉末涂料都是以聚酯树脂作为基料的。而随着应用领域的扩大，聚酯粉末涂料的耐候性能仍然不能很好地满足市场的需要，超耐候性能、高性能显得非常重要和迫切。目前已有的超耐候聚酯粉末涂料和氟碳粉末涂料在耐候性方面已经初步满足市场的需要，但在物理性能方面，却滞后很多，出现超耐候粉末和氟碳粉涂料“一撞就裂”的尴尬局面。本研究从现有超耐候聚酯体系出发研究和探索影响超耐候聚酯粉末涂料体系物理性能的因素，并且初步改善了聚酯超耐候粉末涂料的物理性能，特别是冲击性能。

　　1 铝型材专用超耐候粉末涂料的配方设计

　　实验原材料：树脂A树脂B为不同厂家的超耐候树脂。配方中所使用的助剂为粉末涂料通用助剂。

　　实验仪器：漆膜冲击器QCJ-120A天津市世博伟业化玻仪器有限公司。

　　测试标准：GB 5237.4—2008；GB/T 1732—1993；

　　以冲击高度为测试超耐候粉末涂料耐冲击性能的测试条件：50cm冲击高度，冲出深度为（2.5±0.3）mm，40cm、30cm依次递减冲击强度。

　　查阅相关文献资料和实验结论，提高涂膜机械性能的途径主要有如下几个措施。

　　1.1超耐候树脂的选择

　　树脂是粉末涂料的主要成膜物质，是决定粉末涂料性质和涂膜性能的最主要成分。从超耐候涂膜的性能考虑，同一类树脂和固化体系，涂膜的交联密度越高，致密性越好，化学介质的渗透性越差，涂层的耐候性越好。因此选择树脂时应选择反应活性强、反应基团多、酸值高的品种。这种树脂与固化剂反应更加完全，成膜物的交联密度高，相应的涂层冲击性能好。另外，树脂的玻璃化温度（Tg）高可以提高涂膜硬度，但不利于涂膜的耐冲击强度。相对而言，玻璃化温度低的树脂有利于涂膜冲击强度的改进，但是对粉末涂料的储存稳定性不好，因此选择合适玻璃化温度的树脂是必要的。

　　表1列举了两种超耐候树脂其中树脂A酸值中等反应活性适中，树脂B酸值较大反应活性较树脂A大，树脂A玻璃化温度较树脂B低6℃。

　　表2为不同树脂对冲击性能的影响，从表2可知树脂A的涂膜耐冲击性能较树脂B涂膜要好，说明树脂B玻璃化温度太高，涂膜脆性较大。尝试在树脂A体系中添加适当的树脂B提高涂膜体系的交联密度，提高涂膜的冲击强度。

　　1.2配方体系的树脂量

　　树脂量是涂料的一个重要指标，它不仅影响着涂料的成本，更重要的是树脂量直接影响着涂层性能。除了透明粉末以外，一般的粉末涂料为了降低成本和提高性能均加入硫酸钡等颜填料。一般而言，树脂量大的涂料冲击性能比树脂量小的涂料要好，因此适当降低配方中颜填料的质量分数（或体积分数），有利于提高涂膜的冲击强度。

　　通过做不同树脂量的对比实验筛选最优树脂量，如表3所示。

　　从表3可知，5#到8#树脂量从50%增加到65%，冲击性能差异较明显，涂膜的冲击性能随着树脂量的增加而增强。9#、10#由于加入了增韧剂，冲击性能有所改善。但从改善程度上明显感觉到树脂量高的涂膜冲击性能较好。

　　实验结果表明，树脂量越大的涂膜冲击性能越好，但树脂量的提高会增加成本，因而本研究选择7#配方做进一步改进。

　　1.3固化反应完成度

　　在粉末涂料配方中，树脂与固化剂反应越完全，涂膜冲击强度越好。但是过烘烤以后，反而使成膜物热老化，涂膜冲击强度降低。为了使树脂与固化剂在烘烤条件下，交联固化反应完全，应选择树脂与固化剂反应活性大的体系，也就是选择粉末涂料胶化时间短的体系。

　　如表4所示，同一组粉选择200℃/10min、200℃/15min、210℃/15min三组固化条件进行测试。其中200℃/15min是正常固化条件。200℃/10min是固化条件的分组，涂膜冲击强度明显比正常固化条件下的差；而210℃/15min固化条件下的分组，涂膜冲击强度比正常固化条件下的稍好。固化时间的长短对涂层的固化完全度有直接的关系，当涂层固化程度较低时，冲击强度较弱；较高时，冲击强度较好。

　　但烘烤条件一定时候，选择反应速度快的树脂和催化剂以促进涂膜固化，如表5所示。

　　由表5可知：

　　（1）树脂量为56%：没有加入固化促进剂时冲击性能较差，胶化时间稍长。30cm冲击高度涂膜稍有开裂，30cm以上时涂膜开裂。加入0.15%的固化促进剂对胶化时间影响较大，加快了反应速度。涂膜冲击性能改善较明显，可以过30cm冲击高度。30cm以上时涂膜微裂；

　　（2）树脂量为60%：没有加入固化促进剂时胶化时间比56%树脂量的胶化时间短，反应速度较60%树脂量的快，涂膜冲击性能较56%树脂量的好；加入固化促进剂后胶化时间更短，反应速度更快，涂膜冲击性能改善明显，可以通过50cm。涂层膜厚较厚时，冲击性能下降明显。

　　从上述实验结果可以看出，涂膜反应完成度对涂膜冲击性能影响很大。涂膜反应完成度越高，冲击性能越好。研究发现可以采取适当延长固化时间或者提高固化温度的措施提高冲击性能。但一般情况下，客户的固化条件是一定的，所以要求粉末必须在常规固化条件下也能尽可能地固化完全。因此选择反应活性大的树脂和适当添加固化促进剂提高涂膜的反应活性，使涂膜在常规固化条件下也能尽可能地固化完全。但超耐候树脂的反应活性本来就比较大，加入固化促进剂后涂膜因反应速度过快而橘皮严重。因而固化促进剂的添加量需要慎重考虑。

　　1.4促进剂

　　当粉末涂料的反应活性不能满足用户烘烤条件时，也可以选择合适的固化促进剂，并选择合适的用量，这样可以保证涂膜的充分固化，有利于涂膜冲击性能的改善。但是固化速度太快时，涂膜的流平性不好，所有促进剂的加量要适当。这类助剂一般为增塑剂、增韧剂、热塑性树脂等。

　　为了测试增韧剂增塑剂等助剂对涂膜冲击性能的影响，分别选择两组树脂量进行对比实验，如表6所示。

　　从表6可知：

　　（1）树脂量56%：没有添加增塑剂的实验分组冲击性能较差，勉强能过30cm的冲击高度，而加入增塑剂后冲击性能改善较明显，在膜厚为70μm以下时，可以过50cm的冲击高度，但在80μm以上膜厚时冲击性能还是较差。

　　（2）树脂量为60%：没有加增塑剂的实验分组冲击性能稍差，70μm膜厚以下只能过30cm的冲击高度，30μm膜厚以上时候，涂膜轻微开裂。80μm膜厚时涂膜有轻微开裂。加入增塑剂后冲击性能改善较明显，80～100μm膜厚下能过50cm的冲击高度。相比现有的超耐候粉末冲击有非常明显的改进。

　　从实验结果分析，增塑剂的加入对超耐候粉末涂膜的冲击性能有较大的提高，但增塑剂的加入可能会对涂膜的其他性能有所影响。我们实验发现加入增塑剂后水煮及耐温均较空白组有较大的差别，水煮、耐温变色较空白组严重，而且随着增塑剂加量的增加而变得严重。所以增塑剂应选择耐温及水煮等综合性能较好的产品，否则仅仅只是改善了冲击性能，但降低了超耐候粉末涂膜的耐候性则得不偿失。

　　综上所述，要想获得综合性能优异的超耐候粉末涂料，首先考虑的是选择反应活性大、交联密度大的树脂，其次是在生产成本可控范围内尽可能提高树脂用量；再次是选择适当的固化促进剂提高反应速度，使涂膜反应尽可能完全，最后选择性能优异的增韧剂提高涂膜的柔韧性。

　　2 结语

　　随着生产环境越来越受关注，粉末涂料的发展必将成为主流，而其中超耐候聚酯粉末涂料由于其优异的耐候性和优良的综合性能必将随着科学技术的进步而变得更加完善和成熟，体系也会更多。而现有的超耐候聚酯粉末涂料由于其物理性能较普通耐候性能粉末涂料有所欠缺，而限制了其应用范围。现在技术日新月异，新技术及新理论的发展必将使其性能得到长足的改进。

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