粉末涂料及其涂装技术是十多年来在我国迅速发展起来的一项新品种、新工艺、新技术,具有许多溶剂型涂料无法比拟的优点。聚氨酯粉末涂料是由树脂、固化剂、流平剂以及颜料等组成的,具有许多优良的性能,在工业、农业、交通运输业以及航天航空业在内的应用领域内均可发挥其优势。这种粉末涂料在加热烘烤过程中是依靠羟基聚酯树脂中所含羟基(—ＯＨ)与固化剂成分中所含异氰酸酯基(—ＮＣＯ)的交联反应来实现成膜,成膜的结果是在膜层中形成大量的氨基甲酸酯键。热固性聚氨酯粉末涂料,由于其所成涂膜耐磨性能特别强,附着力又好,具有良好的耐候性、防腐性、电性能和机械性能,同时兼顾了环氧和丙烯酸粉末涂料的优点,又比纯聚酯系的粉料具有无毒等优点,使得它成为涂料系列中的佼佼者,倍受人们的青睐。
在国内,早在七十年代就有人研究并制得聚氨酯粉末涂料,但其效果不甚理想。近几年来,化工部兰州涂料研究所,天津石化公司研究所,齐鲁石化研究所以及一些生产厂家,对聚氨酯粉末涂料及其膜涂料技术进行研究开发,但由于原材料、设备、技术等方面的原因,国产聚氨酯粉末涂料与国外相比仍然存在差异。涂膜性能与构成粉末涂料的组分、制备工艺、固化过程中各因素的影响有很大关系。通过改变各种相关成分及相对用量、催化剂含量、工艺控制参数,研制出性能优异的样品,摸索出各种因素对涂膜性能的影响及其最佳条件。
1 制粉工艺与金属涂装
1.1 制粉工艺
涂料生产的原材料一般有基料、颜料和涂料助剂等成分。聚氨酯粉末涂料配方中一般应含有下列成分:饱和羟基聚酯;固化剂;钛白粉;流平剂;安息香;固化催化剂。这些原材料成分先经过挤出机挤压和充分混合,再经过打粹磨粉,过筛制得粉料。其制备工序如下:
1.2 金属表面涂装
粉末涂料在喷涂之前,必须对金属表面进行光滑处理,去掉其表面的氧化物和污染物。在静电喷涂室内,用高压静电喷枪将粉末涂料均匀地喷涂在光滑金属表面,然后将之放入恒温烘烤箱中,烘烤一定时间后取出。
2 挤出工艺条件对聚氨酯粉末涂料涂膜的影响
根据纯聚酯粉末涂料的制备工艺和挤出机的工作特性,拟定三因素两水平正交实验确定挤出机的一区、二区温度和螺杆转速对涂膜抗冲击强度的影响因素及结果分析见表1与表2。
从表2可以看出,一区温度的极差最大,故对涂膜抗冲击强度的影响最大,而且在水平二效果最好,故可取为100℃。二区温度对涂膜抗冲击强度的影响较小,考虑到较高温度下树脂发生交联、氧化、降解以及固化解封,取为115℃。螺杆转速取为1000ｒ/ｍｉｎ,涂膜的平均强度大。
3 树脂、固化剂摩尔比对涂膜性能的影响
聚氨酯粉末涂料颗粒在涂装过程时,首先在高温下发生熔融、流平过程,随后固化剂进行解封反应,暴露出的异氰酸酯基(—ＮＣＯ)立即与聚酯羟基(—ＯＨ)进行反应。两种官能团的摩尔比,或树脂与固化剂的摩尔比对固化交联反应的程度有很大的影响。在固定其他条件不变的情况下,测出树脂与固化剂摩尔比对固化交联反应转率的关系,如图1。固化交联反应程度的大小,直接影响到涂料涂膜抗冲击强度大小以及涂膜性能的好坏。在挤出机的最佳挤出条件下,固定基他组份含量,改变树脂与固化剂摩尔比,分别测得涂膜抗冲击强度,得到图2。从图1可以看出,在树脂与固化剂摩尔比为0.6～0.9的范围内,反应的转化率逐渐降低,而且在超过0.67以后,相对转化率下降速度减慢。从图2可以看出,当树脂与固化剂的摩尔比在0.72时,涂膜强度最大。摩尔比超过0.72后,涂膜强度随摩尔比增大而减小;摩尔比达到0.8以后,继续增大摩尔比,涂膜强度难以提高。摩尔比小于0.72时,增大摩尔比,涂膜强度增大。在配方设计时,树脂与固化剂摩尔比有一最佳范围,一般保持在0.70～0.72左右。
笔者认为,当树脂与固化剂摩尔比超过0.67,固化反应速度相对减慢,但反应比较充分、完全。当树脂与固化剂摩尔比小于0.63时,固化剂相对较多,固化反应速度表现为一开始很快,聚合物网络很快形成,随后剩下的反应性官能团扩散、接触、反应变得困难,至使反应速度减慢,而一部分官能团被网络包埋失去交联反应的机会,这样在宏观上使固化反应平均速度降低,且涂膜交联密度也下降,致使涂膜强度下降。
4 催化剂含量对涂膜性能的影响
催化剂对交联反应的速度影响较大,故也影响涂膜交联密度和涂膜强度。在挤出机工作的最佳条件下,固定树脂与固化剂摩尔比为0.714和其他组份含量,改变催化剂含量测得涂膜强度变化,如图3。从图3可以看出,催化剂含量低于0.3%左右时,涂膜强度随催化剂含量增大而缓慢增加;催化剂含量在0.3～1.1%时,涂膜强度随催化剂含量增大而增加明显;催化剂含量达到1.1%左右时,继续增大催化剂含量,对涂膜强度影响较小。
5 固化条件对涂料涂膜性能的影响
5.1 烘烤时间
选取一样品,在烘烤温度190℃下,分别在不同的烘烤时间下,测得涂膜强度随烘烤时间变化的曲线如图4。
从图4可以看出,涂膜强度随烘烤时间增大而增大。如果将曲线向外推移,将发现当烘烤时间增大到一定程度后,继续延长烘烤时间而不能提高涂膜强度。
5.2 烘烤温度
烘烤温度对固化反应影响比较大。取同一样品,固定烘烤时间12ｍｉｎ,分别在不同温度下进行固化,测得对涂膜强度的影响如图5。
从图5可以看出,随着烘烤温度的升高,涂膜强度明显增大;如果将曲线外推,可以发现温度超过200℃后,继续增加温度,涂膜强度的变化比较小;温度在180℃至190℃内涂膜强度较为理想。
6 结论
(1)挤出机理想的挤出工艺参数为一区温度100℃,二区温度115℃,螺杆转速为1000ｒ/ｍｉｎ。
(2)树脂/固化剂摩尔比为0.63～0.67时,涂料固化反应有一相对较大的平均反应速度;树脂/固化剂摩尔比在0.7～0.72时,所得涂膜抗冲击强度最理想。
(3)固化催化剂的含量有一个最佳值。催干剂含量少时反应慢,固化反应不完全,涂膜强度小;随着催化剂含量增加,涂膜强度增大;含量过大,其对涂膜强度的影响明显减小。
(4)固化条件对涂膜强度影响较大。理想的条件是:固化温度:180～190℃固化时间:10～25ｍｉｎ
