家電用高韌性粉末涂料的研制
分類：技術文檔 來源：廣州擎天材料科技有限公司 發(fā)布時間：2023-08-30
摘要：研究了應用于家電涂裝方面的高韌性粉末涂料，特別是運用鈑金工藝加工的工件的涂裝上；分析了配方中聚酯樹脂的種類、助劑以及固化劑等對涂層韌性的影響。通過對配方的優(yōu)化，得到了涂層韌性滿足工藝性能要求的粉末涂料產品。性能測試結果表明，制備所得的粉末涂料涂層即使厚度在100~150μm時也具有超高韌性，滿足新工藝的韌性標準。同時分別在常溫25℃和-10℃下冷藏1h后，T彎（0T）而涂膜不開裂，涂層還具有優(yōu)良的耐過烘烤黃變性能。
近年來，隨著白色家電加工生產工藝簡潔化新要求的提出，大多數(shù)白色家電廠對粉末涂料產品的技術也要求升級。為了解決邊角上粉困難、降低加工成本的問題，家電廠家提出了工件噴涂粉末涂料后能在180℃/10min固化，涂層膜厚100~150μm條件下，進行加工成型而折彎處涂層不出現(xiàn)裂痕的需求，這種工藝就是鈑金工藝。即是針對金屬薄板(通常在6mm以下)的一種綜合冷加工工藝，包括剪、沖/切/復合、折、焊接、鉚接、拼接、成型。這就需要涂層具有優(yōu)異的柔韌性，涂層能承受工件加工過程而不破損，同時要求涂料產品具有優(yōu)良的耐天然氣過烘烤黃變性能。針對這些新的技術要求，擬研究一種具有高韌性的粉末涂料產品，同時在常溫和-10℃冷藏1h后對涂層進行T彎（0T）測試和改進；在恒溫烤箱里200℃/1h，要求達到涂層色差△E≤0.8，實現(xiàn)對于溶劑型涂料的部分替代。飽和型聚酯樹脂（A、B）：興隆樹脂化工建材公司；飽和型聚酯樹脂（C、D）：擎天材料科技有限公司；金紅石型二氧化鈦：杜邦公司；硫酸鋇：欣美化工有限公司；異氰脲酸三縮水甘油酯（TGIC）、羥基酰胺類物質、粉末涂料通用顏料、粉末涂料通用助劑（安息香、流平劑、抗氧劑、固化促進劑等）、增韌助劑（A、B、C、D）：市售。以上均為工業(yè)級。
雙螺桿擠出機（SLJ-30E型）：山東凌宇通用設備有限公司；萬能中藥粉碎機（DFY-500）：溫嶺市林大機械；磨粉系統(tǒng)（ACM-02型）：煙臺東源化工設備有限公司；小型靜電噴涂設備（SURECOAT型）；諾信靜電噴槍；高溫烘箱（GPH-30）：愛斯佩克環(huán)境儀器（上海）有限公司；沖擊試驗儀：昆山市精佳儀器設備有限公司；粉末涂料測定儀（FT-201）：寧波瑞柯偉業(yè)儀器有限公司；差示掃描量熱儀（DSC）：上海和晟儀器科技有限公司；彎曲試驗機（QZWT型）：精科；臥式冰箱（BDF-40H100）：博科。
按設計配方稱取各組分，用萬能中藥粉碎機充分預混合完畢后通過雙螺桿擠出機在設定溫度下進行熔融擠出，擠出片料經冷卻、粉碎、過篩、靜電噴涂、熱固化成膜，最后對涂膜進行性能測試。
聚酯粉末涂料因其具有優(yōu)良的耐候性、耐化學品性和機械性能等優(yōu)點，已經在道路標志、汽車工業(yè)、交通器材、建筑材料、家用電器、農業(yè)機械等諸多戶外涂裝領域獲得廣泛應用。本文研究的是應用于家電領域的高韌性粉末涂料，如空調室外機，其長期裸露在外部環(huán)境中，如受陽光、雨水侵蝕等，故其涂裝的粉末涂料要求具有優(yōu)良的耐候性能、耐化學品性。同時，上文提到，為了簡化加工過程，解決死角上粉困難，重復加工帶來的成本增加問題，家電廠采用了鈑金工藝，即先噴涂后加工成型工藝。這就要求涂層具有優(yōu)良的柔韌性，不會在加工過程中彎曲處出現(xiàn)破損或是裂痕，影響其后續(xù)的保護功能。綜合上述要求，本研究選擇了聚酯樹脂作為高韌性粉末涂料的樹脂部分。目前市場上常用的粉末涂料用聚酯樹脂分為兩類，一是飽和型聚酯樹脂，二是不飽和型聚酯樹脂。不飽和型聚酯樹脂分子鏈中還含有部分不飽和鍵，如雙鍵，這些不飽和鍵也決定了這類聚酯樹脂不會應用于耐候型粉末涂料中，故在本研究中選擇飽和型聚酯樹脂作為樹脂主體。目前粉末涂料行業(yè)常用的飽和型聚酯樹脂通常為端羥基聚酯樹脂，端羧基聚酯樹脂因合成技術更為復雜，使用較少。但是低、中酸值的飽和型端羧基聚酯樹脂制備的純聚酯粉末涂料在耐候性、裝飾性、施工性以及存儲穩(wěn)定性等方面具有優(yōu)勢，綜合端羧基聚酯樹脂的優(yōu)點與本研究涂料產品的性能需求。本研究采用酸值相對較低的4種飽和型端羧基聚酯樹脂進行實驗，通過多項性能測試進行驗證，選出合適的聚酯樹脂作為粉末涂料的樹脂主體。
本研究采用4種兩步法合成的飽和端羧基聚酯樹脂（以下簡稱為樹脂A、樹脂B、樹脂C、樹脂D）進行實驗。4種樹脂的酸值（mgKOH/g）依次分別為20~30，30~45，45~55，55~65。以異氰脲酸三縮水甘油酯（TGIC）為固化劑，選用通用型流平劑、安息香、固化促進劑、抗氧劑和顏料，不添加填料配制粉末涂料，對比了不同類型聚酯樹脂對涂膜性能的影響，結果如表1所示。
表1數(shù)據表明，在一定程度下，隨著樹脂酸值的提高，涂層的柔韌性性能變強，這是因為樹脂酸值越高，意味著一定質量的樹脂中含有的活性官能團越多。與固化劑的反應越復雜，涂層的交聯(lián)程度越高，涂層的各項機械性能、耐化學性能等越好。實驗結果也顯示，選用樹脂酸值提高，涂層的柔韌性等機械性能變強；但隨著選用樹脂的酸值達到一定程度，由于酸值高，涂層交聯(lián)程度太高，涂層的剛性太強，涂層不能承受彎曲形變帶來的張力變化，涂層開始破損，甚至脫離基材，無法達到應有的保護作用。另一方面，從表中可以看到，不添加增韌助劑，單獨使用樹脂B制備的涂料產品在-10℃下冷藏1h后進行0T，折彎處還是出現(xiàn)微小的裂痕。但從整體性能看，樹脂B性能相對其他3種樹脂要突出。故選擇樹脂B作為本研究的樹脂主體。圖1為柔韌性測試的實驗結果圖片。
固化劑是粉末涂料的重要組成部分，它對涂料的生產，運輸儲存以及應用性能都有著重要作用。目前聚酯樹脂用固化劑有以下幾類，分別是三聚氰胺樹脂、封閉型異氰酸酯、異氰脲酸三縮水甘油酯（TGIC）、酸酐、羥基酰胺類物質等，其中目前應用最為廣泛的是異氰脲酸三縮水甘油酯（TGIC）和羥基酰胺類物質。實驗過程中以樹脂B作為主體樹脂，選用通用型二氧化鈦、流平劑、安息香、抗氧劑、固化促進劑和顏料，對比了異氰脲酸三縮水甘油酯（TGIC）和羥基酰胺類物質2種固化劑對于涂膜性能的影響。涂膜厚度在（150±5）μm。
表2數(shù)據表明，單純從柔韌性、抗沖擊以及附著力等方面來看，聚酯/TGIC與聚酯/HAA體系在本研究范圍內。這幾項涂層性能兩者都是在預期設想的性能需求中的，但從其他幾項性能要求如過烘烤和涂層外觀方面來看，聚酯/TGIC的涂層外觀和過烘烤耐黃變要比聚酯/HAA體系要好。綜合各個方面，結合各項性能要求，本研究選擇聚酯/TGIC體系作為涂料的固化體系。
通過前期試驗與研究，選用的4種對于涂層的柔韌性等性能均具有不同程度的影響，因此決定通過進一步的實驗，全面分析者4種增韌助劑的綜合性能，進而找到我們想要的助劑種類。為了進一步探究增韌助劑對于涂料涂層性能的影響，試驗以聚酯樹脂B作為樹脂體系；TGIC作為固化劑，選用通用型二氧化鈦、流平劑、安息香、抗氧劑、固化促進劑和顏料，對比了4種增韌助劑（助劑1、助劑2、助劑3、助劑4）對于涂層性能的影響。其中，增韌助劑1為熱塑性彈性體，參與反應；增韌助劑2、3為橡膠類增韌劑，參與反應；，增韌助劑4為非活性增韌劑，不參與反應；結果如表3所示。表中聚酯樹脂200份，TGIC為11份，二氧化鈦為80份，通用型流平劑為2.2份、安息香為2份、抗氧劑1.5份、固化促進劑0.8份、顏料適量，固化條件180℃/10min，涂膜厚度在（150±5）μm。
表3數(shù)據表明，4種增韌助劑對于涂層柔韌性增強效果不同。其中助劑1的作用效果相比于其他3種助劑要更好。添加了助劑1之后，涂層的柔韌性得到了提高，未添加前涂料涂層在-10℃下冷藏1h后涂層0T彎時，折彎處有微小的裂痕，而添加之后，情況大有改善，此項性能也達到了預期的涂層柔韌性性能要求。致使涂層韌性大為改善的原因可能是熱塑性彈性體助劑1在參與固化反應過程中，在樹脂與固化劑形成的交聯(lián)網絡中形成了半互穿的網絡結構，使得涂層的柔韌性大大地提高了；而其余3種增韌助劑，對于涂層柔韌性的提高并不顯著。綜合考慮，故選擇助劑1作為本研究涂料產品的增韌助劑。圖2為實驗結果照片。
綜上所述，應用于家電用高韌性粉末涂料配方如表4所示。涂膜厚度在（150±5）μm，固化工藝：180℃/10min固化。
以聚酯/TGIC固化體系為成膜物下制備的家電用高韌性粉末涂料產品能夠滿足高韌性粉末涂料在鈑金工藝下要求達到的優(yōu)異的附著力以及優(yōu)異的柔韌性等性能方面的需求。涂層不管是在常溫25℃還是在-10℃下冷藏1h后，涂層0T測試時均表現(xiàn)出優(yōu)異的柔韌性。同時，本研究制備的涂料涂層在過烘烤時表現(xiàn)出優(yōu)良的耐過烘烤黃變性能。
本研究制備的家電用高韌性粉末涂料在同樣工作環(huán)境下可以與溶劑性涂料相對比，與溶劑性涂料的各項性能基本一致，可以實現(xiàn)對于溶劑性涂料的部分替代。
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