永基实业：热转印与聚氨酯粉末涂料
日期: 2020-09-10
摘要：本文介绍了升华热转印技术，以及聚氨酯粉末涂料在升华热转印中的应用，并分析了转印工艺中影响撕纸的一些因素。
1 前言
粉末涂料具有环保、经济、高效、性能卓越之“四E”优点。随着人们环保意识的提高，粉末涂装的应用越来越受到人们的青睐。特别是美术纹理型粉末涂料，其独特的装饰效果和靓丽的外观，倍受人们钟爱。近年来转印技术在粉末涂装中开始应用，使我们可以随心所欲地获得各种复杂的纹理图案。转印技术的出现在美术纹理粉末涂料的研究史上具有里程碑的意义。聚氨酯粉末涂料具有较高的交联密度，优异的图案转移性能和更好的平整度，聚氨酯粉末涂料与热转印技术相结合在欧洲已经成为主流，建筑物和家居装饰中随处可见。但是，在亚洲由于专利保护和某些材料垄断的影响，热转印粉末以聚酯/TGIC体系为主，只是在某些特殊应用场合，还是必须选择聚氨酯粉末。
2 转印技术
转印粉末是纹理粉的又一突破。它比传统的纹理粉(彩色粉、金银花、点花粉)更易控制纹理，可以获得各种复杂的图案。转印又可分为热转印和水转印两类。水转印是用水作为媒介把已经印刷在纸基或特种PVA膜上的彩色图案转移到承印物表面的转印方式，分为水贴纸和水披覆两种。水转印设备要比热转印设备昂贵，在粉末涂料行业很少应用;热转印是将数字图案先通过印刷设备，将图案打印在特殊的转印专用纸上，然后再将印上图案的转印纸紧贴在承印物上，以高温高压的热升华转印技术把图案精准地转印到承印物表面。热转印中贴转印纸的方式又分为胶水贴纸和抽真空贴纸两种。
2.1 热转印
热转印是根据热升华原理工作的，底材用热固性材料涂覆，完全固化后与转印纸紧紧接触，在150~250℃下印刷油墨通过升华作用转移到底材上。热转印最初是将转印膜上的花纹采用热转印技术印制到铝型材的聚氨酯粉末涂层表面，以达到仿木纹或石材的装饰效果。它能在3~5min内将所需要的木纹或大理石花纹快速转印至铝型材的粉末涂层表面并可渗透到涂层内部40~60μm。由于具有抗腐蚀性、抗冲击性、耐磨性好、耐老化性均好，在户外使用能保持15年不变色;重量轻、强度高等优良的物理化学性能;清晰逼真的花纹;以假乱真的视觉效果，因而使热转印粉末涂装的铝型材广泛应用于门窗、家具、室内外装修、建材等行业。然而聚氨酯粉末涂料的固化剂受技术垄断的影响，价格昂贵，所以我国将转印技术应用到聚酯/TGIC及环氧/聚酯体系中。
2.2 热转印工艺
现在我们以真空贴转印纸工艺为例，介绍铝型材热转印的工艺。
（1）用切膜机将热转印膜卷(采购来的热转印膜为1000m/卷)裁成所需要的尺寸。
（2）根据工件大小，将裁好的转印膜用超声波包装机焊接成工件包裹袋。
（3）在包装平台上将喷好粉末并完全固化的工件插入用转印膜制成的工件包裹袋中。
（4）将包好转印膜的工件放在热转印机的小车平台上，依次可放18根铝材，将铝材包裹袋两端接上真空抽头并锁紧，打开真空开关，使转印膜紧紧地贴在铝材上。小车自动将铝材送至烘烤炉内，烘烤炉自动升温至220℃并保温3min，小车自动退出烘烤炉。
（5） 松开真空抽头，将工件取出。鼓气使转印纸与工件分离，去掉转印膜并检查工件质量。
2.3 转印粉末配方设计注意点
（1） 树脂与固化剂配比以等当量反应为基准，保证涂膜完全固化。
（2）不要加无关的蜡粉，以免转印图案模糊。
（3）添加适当的功能性填料增加涂膜硬度。
（4）保证涂膜表面丰满，鲜映性好。
2.4 转印撕纸技术
聚氨酯粉末配方须使用两种不同羟值的树脂，使涂膜表面产生微观不平整性从而便于撕纸。其次涂膜不能产生回粘，Tg在80~110℃较好，Tg低于50℃时转印(180~220℃)过程中涂膜软化，撕纸难度加大;Tg高于130℃时涂膜太脆，容易受损破坏。另外，涂膜硬度也十分重要，硬度低纸不好撕，硬度至少达到3N才能撕纸;涂膜硬度太高，则图案不能完全转移至涂膜表面(或完全转移所需要时间较长)，转印图案的附着力与渗透力也差。根据经验，在转印温度(如200℃)下，测定涂膜的抗划伤性(Oesterle型435抗划伤试验仪)，此时涂膜的抗划伤值应当高于8N，最好为11N以上。涂膜耐划伤的上限取决于热转印的时间，最长的转印时间又取决于涂膜的热稳定性。一般而言，最大的抗划伤值应该小于30N。
3 聚氨酯粉末涂料在热转印中的应用
聚氨酯粉末涂料是由羟基聚酯、封闭型异氰酸酯、流动控制剂、颜填料及助剂等组成的热固性粉末涂料。羟基(R-OH)与异氰酸酯(R-N=C=O)反应生成氨基甲酸酯键，才算真正的聚氨酯粉末涂料。聚氨酯粉末涂膜物理性能好，涂膜高交联密度给予优异的耐水性、耐溶剂性、耐候性、很强的耐油性和耐涂鸦性，特别适合用于图案热转印。
纵观我国的粉末涂料市场，由于聚氨酯粉末在热转印和户外低光粉末领域的应用有独到之处，所以应用量有增加趋势。聚氨酯粉末可利用高低羟值树脂共挤，一步到位地得到低光粉末，不会像聚酯/TGIC蜡系低光粉末那样易起雾，也不会像聚酯/GMA丙烯酸低光粉末那样光泽重现性差、硬度不理想。现在德固赛公司还开发了特殊的结晶型树脂产品，专用于低光超耐候粉末，是专为热转印开发设计的。
3.1 聚氨酯高光粉末涂料
相对而言聚氨酯高光粉末涂料在热转印中不好撕纸，这种由单一聚酯组成的热固性涂膜撕纸效果是不理想的。聚氨酯高光粉末参考配方(固化条件200℃/10min)如下：
材料名称 质量份
羟基聚酯(HV=30) 56.6
1530(NCO含量15%) 8.5
二丁基月桂酸锡 0.1
流平剂 1
钛白粉(金红石) 22
硫酸钡 14
安息香 0.4
颜料 适量
这种粉末的60°光泽大约90%，涂膜与转印纸不易分离。所以我们设计配方时常选用高低两种羟值的聚酯。若两种树脂的羟值差别不大，胶化时间差异就不大，涂膜与转印纸的分离还是不容易。通过大量试验，我们将羟基聚酯树脂的羟值75mgKOH/g定为参照点，>75mgKOH/g为高羟值，<75mgKOH/g为低羟值，采用这两种羟值的聚酯树脂来获得与转印纸易分离的涂膜。
3.2 聚氨酯半光粉末涂料
聚氨酯半光粉末涂料在热转印中撕纸比较容易，主要是靠高低羟值的两种树脂在固化反应期间引起非匀速反应，产生微观结构粗糙的涂膜而消光。由于涂膜表面产生微观不平整，转印纸不能完全紧贴涂膜故而好撕纸，粉末粒子的粒度控制在35μm左右。烘烤过程中，反应活性大的粉末粒子先发生反应，只是并不能实现适度的聚结，在熔融的涂膜表面上形成部分凸起的网络。当活性较小的粉末粒子交联时，它们在已形成的网络上收缩，产生网络互穿消光。
聚氨酯半光粉末涂料由两种不同的树脂和一种固化剂配制而成;或由一种树脂与两种不同的固化剂配制而成;或使用两种树脂与两种固化剂配制而成。当然，聚氨酯半光粉末涂料也可像其它粉末体系一样，采用消光填料法消光;或加入物理消光剂之类不相容材料消光;或使用具有两种不同活性的粉末混拼消光等。但这种共挤的拼混跟干混的拼混有本质的区别，前者重复性好。通常使用羟值30和羟值300的聚酯相拼混，羟值300的聚酯占聚酯总量的25%~40%时光泽水平较低;羟值300的聚酯占聚酯总量的10%以下时则只是轻微消光。增加羟值300的聚酯用量，会导致凝胶化时间变短，并出现耐化学品性提高的趋势。在最低光泽水平时，挤出混合物出现明显的相分离，须加助剂优化。这两种聚酯与聚二氮丁酮固化剂相配合，可以得到光泽10%~15%、流平性好、机械性能优良和耐溶剂良好的涂膜。聚氨酯半光粉末参考配方见表1。
表1聚氨酯半光粉末参考配方
组分
配方1
配方2
羟基树脂(HV：36~40)
50
羟基树脂(HV：280~310)
14
EP-R4030
20.7
30
封闭异氰酸酯(NCO含量15%)
P1530
18.4
P1580
38.4
流平剂
1.5
1
填料
40
20
安息香
0.4
0.5
炭黑
1
1
其它助剂
适量
适量
固化条件
200℃/10min
200℃/12min
配方1的涂膜60°光泽大约18%~20%;配方2的涂膜60°光泽为14%。德固赛公司推出了一种特殊的结晶树脂产品EP-R4030，最近已工业化生产并推向市场。专为提供低光泽、超耐候粉末而设计。该产品的羟值30，熔点110℃。添加量占树脂总量的35%~45%时，能提供低光泽和柔韧性。在低光泽(5%~25%)时，给予涂膜超耐候性和良好的柔韧性。涂膜光泽有非常优异的批次重现性(配方2)。
当含印刷油墨图案的转印纸贴在上述半光型热固性涂膜上实施转印工序后，转印纸与热固性涂膜的分离容易，且转印纸上的图案能渗透到热固性涂膜内部40~60μm，得到牢固、逼真的图案，不会被溶剂擦去，且具有优异的耐候性。
3.3 聚氨酯无光粉末涂料
聚氨酯无光粉末涂料在热转印中撕纸也比较容易，是用两种羟值不同的聚酯或含两种不同官能团的固化剂(Crelan VP LS2181/1，为Bayer公司产品)反应，得到的无光粉末。这种固化剂的两种基团分别是异氰酸酯基和羧基。它们可发生两种平行的固化反应。Crelan VP LS2181/1的异氰酸酯基与含羟基的聚酯反应，羧基则与羟烷基酰胺或TGIC反应。也可与二氮丁酮固化剂相配合，光泽可以控制在1%~85%。当与封闭型异氰酸酯固化剂配合使用时，也能得到各种光泽水平，涂层流平性好，机械性能和耐化学品性十分优良，且图案转印性优异。聚氨酯无光粉末涂料的参考配方如下：
组成 份数
羟基树脂(高羟值) 117
羟基树脂(低羟值) 273
封闭异氰酸酯 243
流平剂 10
消光填料 300
安息香 4
蜡粉 10
炭黑 8
其它助剂 40
运用此配方可得到60°光泽度5%左右的聚氨酯粉末涂料，调节高羟值树脂与低羟值树脂(低支化度)的比例，填料的品种及加入量，可以调整涂膜光泽。实施转印工序后转印纸与热固性涂膜的分离容易，转印纸上的图案能渗透到热固性涂膜内部40~60μm，得到牢固、逼真的图案，不会被溶剂擦去，且具有优异的耐候性。
4 影响撕纸的因素探讨
除去转印纸(及贴纸方式和胶水等)的影响外，涉及撕纸的因素还有以下几点：
(1)涂膜光泽：热转印纸好撕的粉末依次是无光粉>亚光粉>高光粉。无光粉和亚光粉的表面实际上是一种微观的不平整表面，转印纸在涂膜表面不能完全紧贴，所以好撕;
(2)体系不同：当然是聚氨酯体系最好，最好不要用Primid体系，这种体系易粘纸;
(3)涂膜固化程度：固化不彻底会影响撕纸。热转印产品的涂膜必须固化完全，否则热转印时就会粘纸;
(4)热转印时的温度与时间：热转印产品应根据转印纸质量确定热转印时的炉温和转印时间，一般来讲热转印温度控制在150~220℃之间，转印时间控制在3~8min为宜。转印纸质量差的应该降低转印温度;
(5)粉末涂料产品的分散性：粉末涂料产品分散不良也会产生粘纸现象。
5 结语
聚氨酯粉末涂料尽管价格较高，但性能卓越，且在热转印中的转移性好、图案清晰逼真，在市场上占有一定的份额。但是配方设计中必须要使用至少两种不同羟值的聚酯树脂才好撕纸，单独使用一种聚酯树脂不好撕纸。
来源：网络
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