低温固化型粉末涂料的制备研究

摘要：以三羟甲基丙烷（TMP）为主要原料，制备低温固化型粉末涂料。综合利用单因素分析和正交实验法研究了TMP的加入量、固化温度、以及固化时间对涂膜光泽度和冲击性能的影响，经过优化筛选，确定了低温固化粉末涂料的最佳条件为TMP含量10%，固化温度150℃，固化时间15min。

1 引言

粉末涂料是一种新型不含溶剂，组成为固体粉末状的涂料。粉末涂料以空气作为喷涂的分散介质，粉末可回收，损失率小，一次性成膜，针孔缺陷少，坚固耐用，相比于其他的种类的涂料来说更加环保[1]。

粉末涂料的固化分为4个阶段：熔融、流动、凝胶和固化,其中固化过程决定了涂膜的性能[2]。

而固化需要在一定的温度下进行，这个温度称之为固化温度，又可以看作化学反应快速进行的温度。根据热力学反应机理，只有分子碰撞能量达到反应活化能时才能进行化学反应[3]。

分子碰撞能量是随温度上升而加大的，因此升高温度或降低反应活化能是使反应速度加快的有效手段[4]。对于低温固化粉末涂料而言，温度是越低越好，因此选择降低活化能是唯一的措施。

通用型粉末涂料固化温度一般在180℃-200℃，低温固化型粉末涂料的固化温度可以低于160℃，在一定的温度范围内，涂料的固化温度降低10℃，就可节约10%左右的能源[5]。

因此对涂料进行低温固化研究，对节约能源降低成本，扩大其应用领域，具有十分重要的意义。

本文在现有配方基础上，引入三羟甲基丙烷单体代替部分新戊二醇，同时因为它有3个活性官能团，能有效改善聚酯的反应活性，使聚酯具有优异的支化度，大大提高端羧基活性，这使得聚酯树脂在保持原有优良性能的前提下，又能满足低温固化条件。

本文着重研究三羟甲基丙烷含量、固化温度、固化时间对粉末涂料光泽度和抗冲击性能的影响，从中选出户外型低温固化型聚酯树脂的最优配方。

2 实验部分

2.1 主要原料及仪器

原料：新戊二醇、三羟甲基丙烷（TMP）、对苯二甲酸、间苯二甲酸、己二酸、单丁基氧化锡、抗氧剂、TGIC、钛白粉、硫酸钡、流平剂。

仪器：磁力搅拌不锈钢反应釜、无间隙双螺杆挤出机、电热恒温干燥箱、旋片真空泵、涂膜测厚仪、光泽度计、静电喷涂设备、漆膜冲击器。

2.2 聚酯树脂合成步骤

2.2.1 合成端羟基聚酯树脂中间体

按照配方将新戊二醇、TMP、对苯二甲酸、催化剂单丁基氧化锡等加入5升反应釜中。

开始缓慢升温；等到新戊二醇开始熔融，打开搅拌装置并接通冷凝水，搅拌速度缓慢上升至60-75转/min，均匀升温至180℃后，保温1h；

180-220℃以5℃/h升温，220-240℃以10℃/h升温，到240℃后保温1h，取样测量，酸值黏度合格，即得到聚酯中间体。

2.2.2 对聚酯中间体进行酸化

约225-228℃时投抗氧化剂，降温至210℃，加入己二酸、间苯二甲酸，维持温度，进行酸化，以10℃/h升温到240℃保温至酸值，黏度合格，进行真空减压2h，同时跟踪酸值和粘度，取出树脂冷却。

2.3 粉末涂料的制备

（1）按照表1配方称量聚酯树脂、TGIC、钛白粉、硫酸钡以及流平剂，混合均匀，待无间隙双螺杆挤出机达到设定温度，打开冷却水管路，将喂料转速调整至30Hz，螺杆调整至40Hz。再将样品倒入双螺杆挤出机中挤出压片。

（2）将挤出成片的样品冷却后放在粉碎机粉碎成粉末，用180目分样筛筛出粉末。

打开静电喷涂设备，取一块备用金属板用气枪吹净挂在静电喷涂设备铁架上，将粉末倒入喷枪中开始喷涂，喷涂时手离板面200mm左右，匀速上下移动，以保证成膜的均匀性。来回5次左右，再取下喷好的板放入电热恒温鼓风干燥箱中烘烤固化。

（3）固化后，取出板冷却，用涂层测厚仪测板面厚度，用光泽度计测光泽度，用漆膜冲击器进行板面冲击（正冲、反冲），最后得出板面结论。

3 结果与讨论

3.1 单因素实验

以TMP含量、固化时间及固化温度为影响因子，以光泽度为指标，分别进行单因素实验。采用光泽度作为指标既可以有效反映影响程度，也方便观测。

3.1.1 TMP对涂膜光泽度的影响

加入TMP含量不同的聚酯，按照配方制成粉末后喷涂，在160℃下，固化10min。考察TMP含量对涂膜光泽度的影响，结果见表2。

由表2可以看出，在加入TMP后涂膜的光泽度明显降低，改善了其性能，但是在加入25%时，导致光泽度下降，只是因为过量的TMP使粉末涂料体系中的黏度增大，引起涂抹表面橘皮，因此光泽度也明显下降。

3.1.2 温度对涂膜光泽的影响

加入TMP10%的聚酯树脂，按照配方制成粉末后喷涂，固化时间15min，观察温度对涂膜光泽度的影响,结果见表3。

由表3可以看出，随着温度升高，尽管涂膜的光泽度影响不大，但是仍有所下降。这是因为温度升高，涂膜表面易出现泛黄现象，影响光泽度。

3.1.3 时间对涂膜光泽度的影响

加入TMP10%的聚酯树脂，按照配方制成粉末后喷涂，固化温度为150℃，考察时间对涂膜光泽度的影响，结果见表4。

由表4可以看出，时间对涂膜的光泽度影响较小，但是随着烘烤时间加长，涂膜表面不断被氧化，其光泽度也有所下降。

3.2 正交试验设计

3.2.1 正交试验影响因素的选择

以三羟甲基丙烷（TMP）含量(A)、固化温度(B)、固化时间(C)为考察因素，以光泽度为指标，进行三因素三水平实验，其影响因素和水平见表5，正交试验结果见表6。

由表6的极差分析结果可知，3种因素对光泽度的影响程度最大的为三羟甲基丙烷含量，固化时间、固化温度的影响相同。实验1到实验6的光泽度都大于90，满足正常需求。

其正交试验最佳成膜条件为A2B1C2，即三羟甲基丙烷含量在10%，固化温度在150℃，固化时间为15min涂膜光泽性能达到98，为最优条件。

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值为27.40，远远高于其它两组，而P值为0.03则远远小于其它两组。

这证明A因素对实验结果的影响是非常显著的，而B因素（固化温度）和C因素（固化时间）对实验影响不显著。

3.3 涂层抗冲击性

以冲击强度50kg.cm为基准，分别对9组实验样品进行涂层抗冲击实验，得到结果如表8。

由表8可以看出，前3组实验由于加入TMP含量为0，抗冲击性能较差，无法达到标准。

随着加入TMP后，体系支化程度提高，反应活性提高，即使固化条件降低也能完全固化，而且其交联密度高，所以冲击性能好。

结合正交实验结果，最佳成膜条件为A2B1C2，即三羟甲基丙烷含量在10%，固化温度在150℃，固化时间为15min，可得到涂膜光泽度98，抗冲击实验结果正反均通过。

4 结论

本文通过设计三因素三水平正交实验以寻求在符合规定指标情况下，对粉末涂料进行低温固化研究，可得出以下结论。

1.加入TMP会使涂膜的光泽度下降；

2.不同温度下粉末涂料固化时间不同，固化温度高则固化时间短；

3.增加TMP含量10%时，固化温度可缩短到150℃，有效降低温度至20℃左右；

4.在TMP含量为零时，涂膜光泽度虽然较高，但是涂膜柔韧性较差反冲不过，TMP含量在10%涂膜光泽度性能良好；

5.在保证醇酸比的前提下，适当增加三羟甲基丙烷的含量，可以有效提高聚酯树脂体系的柔韧性，提高涂料的抗冲击性能；

6.经过实验研究，涂料配方中三羟甲基丙烷含量在10%，固化温度150℃，固化时间15min时，其性能表现最佳。

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