粉末涂料：家电电器用高韧性粉末涂料的研制
日期: 2020-11-23
摘要：研究了应用于家电电器涂装方面的高韧性粉末涂料，特别是运用钣金工艺加工的工件的涂装上；分析了配方中聚酯树脂的种类、助剂以及固化剂等对涂层韧性的影响。通过对配方的优化，得到了涂层韧性满足工艺性能要求的粉末涂料产品。
性能测试结果表明，制备所得的粉末涂料涂层即使厚度在100~150μm时也具有超高韧性，满足新工艺的韧性标准。同时分别在常温25℃和-10℃下冷藏1h后，T弯（0T）而涂膜不开裂，涂层还具有优良的耐过烘烤黄变性能。
引言
近年来，随着白色家电电器加工生产工艺简洁化新要求的提出，大多数白色家电电器厂对粉末涂料产品的技术也要求升级。
为了解决边角上粉困难、降低加工成本的问题，家电电器厂家提出了工件喷涂粉末涂料后能在180℃/10min固化，涂层膜厚100~150μm条件下，进行加工成型而折弯处涂层不出现裂痕的需求，这种工艺就是钣金工艺。
即是针对金属薄板(通常在6mm以下)的一种综合冷加工工艺，包括剪、冲/切/复合、折、焊接、铆接、拼接、成型。
这就需要涂层具有优异的柔韧性，涂层能承受工件加工过程而不破损，同时要求涂料产品具有优良的耐天然气过烘烤黄变性能。
针对这些新的技术要求，拟研究一种具有高韧性的粉末涂料产品，同时在常温和-10℃冷藏1h后对涂层进行T弯（0T）测试和改进；在恒温烤箱里200℃/1h，要求达到涂层色差△E≤0.8，实现对于溶剂型涂料的部分替代。 1 试验部分
1.1 原材料饱和型聚酯树脂（A、B）：兴隆树脂化工建材公司；饱和型聚酯树脂（C、D）：擎天材料科技有限公司；金红石型二氧化钛：杜邦公司；硫酸钡：欣美化工有限公司；异氰脲酸三缩水甘油酯（TGIC）、羟基酰胺类物质、粉末涂料通用颜料、粉末涂料通用助剂（安息香、流平剂、抗氧剂、固化促进剂等）、增韧助剂（A、B、C、D）：市售。以上均为工业级。
1.2 主要设备和实验仪器
双螺杆挤出机（SLJ-30E型）：山东凌宇通用设备有限公司；万能中药粉碎机（DFY-500）：温岭市林大机械；磨粉系统（ACM-02型）：烟台东源化工设备有限公司；小型静电喷涂设备（SURECOAT型）；诺信静电喷枪；高温烘箱（GPH-30）：爱斯佩克环境仪器（上海）有限公司；冲击试验仪：昆山市精佳仪器设备有限公司；粉末涂料测定仪（FT-201）：宁波瑞柯伟业仪器有限公司；差示扫描量热仪（DSC）：上海和晟仪器科技有限公司；弯曲试验机（QZWT型）：精科；卧式冰箱（BDF-40H100）：博科。 1.3 粉末涂料及涂层制备
按设计配方称取各组分，用万能中药粉碎机充分预混合完毕后通过双螺杆挤出机在设定温度下进行熔融挤出，挤出片料经冷却、粉碎、过筛、静电喷涂、热固化成膜，最后对涂膜进行性能测试。 2 结果与讨论
2.1 树脂的选择
聚酯粉末涂料因其具有优良的耐候性、耐化学品性和机械性能等优点，已经在道路标志、汽车工业、交通器材、建筑材料、家用电器、农业机械等诸多户外涂装领域获得广泛应用。
本文研究的是应用于家电电器领域的高韧性粉末涂料，如空调室外机，其长期裸露在外部环境中，如受阳光、雨水侵蚀等，故其涂装的粉末涂料要求具有优良的耐候性能、耐化学品性。
同时，上文提到，为了简化加工过程，解决死角上粉困难，重复加工带来的成本增加问题，家电电器厂采用了钣金工艺，即先喷涂后加工成型工艺。
这就要求涂层具有优良的柔韧性，不会在加工过程中弯曲处出现破损或是裂痕，影响其后续的保护功能。综合上述要求，本研究选择了聚酯树脂作为高韧性粉末涂料的树脂部分。 目前市场上常用的粉末涂料用聚酯树脂分为两类，一是饱和型聚酯树脂，二是不饱和型聚酯树脂。
不饱和型聚酯树脂分子链中还含有部分不饱和键，如双键，这些不饱和键也决定了这类聚酯树脂不会应用于耐候型粉末涂料中，故在本研究中选择饱和型聚酯树脂作为树脂主体。
目前粉末涂料行业常用的饱和型聚酯树脂通常为端羟基聚酯树脂，端羧基聚酯树脂因合成技术更为复杂，使用较少。
但是低、中酸值的饱和型端羧基聚酯树脂制备的纯聚酯粉末涂料在耐候性、装饰性、施工性以及存储稳定性等方面具有优势，综合端羧基聚酯树脂的优点与本研究涂料产品的性能需求。
本研究采用酸值相对较低的4种饱和型端羧基聚酯树脂进行实验，通过多项性能测试进行验证，选出合适的聚酯树脂作为粉末涂料的树脂主体。
本研究采用4种两步法合成的饱和端羧基聚酯树脂（以下简称为树脂A、树脂B、树脂C、树脂D）进行实验。
4种树脂的酸值（mgKOH/g）依次分别为20~30，30~45，45~55，55~65。以异氰脲酸三缩水甘油酯（TGIC）为固化剂，选用通用型流平剂、安息香、固化促进剂、抗氧剂和颜料，不添加填料配制粉末涂料，对比了不同类型聚酯树脂对涂膜性能的影响，结果如表1所示。
表1数据表明，在一定程度下，随着树脂酸值的提高，涂层的柔韧性性能变强，这是因为树脂酸值越高，意味着一定质量的树脂中含有的活性官能团越多。
与固化剂的反应越复杂，涂层的交联程度越高，涂层的各项机械性能、耐化学性能等越好。
实验结果也显示，选用树脂酸值提高，涂层的柔韧性等机械性能变强；
但随着选用树脂的酸值达到一定程度，由于酸值高，涂层交联程度太高，涂层的刚性太强，涂层不能承受弯曲形变带来的张力变化，涂层开始破损，甚至脱离基材，无法达到应有的保护作用。
另一方面，从表中可以看到，不添加增韧助剂，单独使用树脂B制备的涂料产品在-10℃下冷藏1h后进行0T，折弯处还是出现微小的裂痕。
但从整体性能看，树脂B性能相对其他3种树脂要突出。故选择树脂B作为本研究的树脂主体。图1为柔韧性测试的实验结果图片。
2.2 固化剂的选择
固化剂是粉末涂料的重要组成部分，它对涂料的生产，运输储存以及应用性能都有着重要作用。
目前聚酯树脂用固化剂有以下几类，分别是三聚氰胺树脂、封闭型异氰酸酯、异氰脲酸三缩水甘油酯（TGIC）、酸酐、羟基酰胺类物质等，其中目前应用最为广泛的是异氰脲酸三缩水甘油酯（TGIC）和羟基酰胺类物质。 实验过程中以树脂B作为主体树脂，选用通用型二氧化钛、流平剂、安息香、抗氧剂、固化促进剂和颜料，对比了异氰脲酸三缩水甘油酯（TGIC）和羟基酰胺类物质2种固化剂对于涂膜性能的影响。涂膜厚度在（150±5）μm。表2数据表明，单纯从柔韧性、抗冲击以及附着力等方面来看，聚酯/TGIC与聚酯/HAA体系在本研究范围内。
这几项涂层性能两者都是在预期设想的性能需求中的，但从其他几项性能要求如过烘烤和涂层外观方面来看，聚酯/TGIC的涂层外观和过烘烤耐黄变要比聚酯/HAA体系要好。
综合各个方面，结合各项性能要求，本研究选择聚酯/TGIC体系作为涂料的固化体系。
2.3 增韧助剂的选择
通过前期试验与研究，选用的4种对于涂层的柔韧性等性能均具有不同程度的影响，因此决定通过进一步的实验，全面分析者4种增韧助剂的综合性能，进而找到我们想要的助剂种类。 为了进一步探究增韧助剂对于涂料涂层性能的影响，试验以聚酯树脂B作为树脂体系；
TGIC作为固化剂，选用通用型二氧化钛、流平剂、安息香、抗氧剂、固化促进剂和颜料，对比了4种增韧助剂（助剂1、助剂2、助剂3、助剂4）对于涂层性能的影响。
其中，增韧助剂1为热塑性弹性体，参与反应；增韧助剂2、3为橡胶类增韧剂，参与反应；，增韧助剂4为非活性增韧剂，不参与反应；结果如表3所示。
表中聚酯树脂200份，TGIC为11份，二氧化钛为80份，通用型流平剂为2.2份、安息香为2份、抗氧剂1.5份、固化促进剂0.8份、颜料适量，固化条件180℃/10min，涂膜厚度在（150±5）μm。
表3数据表明，4种增韧助剂对于涂层柔韧性增强效果不同。其中助剂1的作用效果相比于其他3种助剂要更好。
添加了助剂1之后，涂层的柔韧性得到了提高，未添加前涂料涂层在-10℃下冷藏1h后涂层0T弯时，折弯处有微小的裂痕，而添加之后，情况大有改善，此项性能也达到了预期的涂层柔韧性性能要求。
致使涂层韧性大为改善的原因可能是热塑性弹性体助剂1在参与固化反应过程中，在树脂与固化剂形成的交联网络中形成了半互穿的网络结构，使得涂层的柔韧性大大地提高了；
而其余3种增韧助剂，对于涂层柔韧性的提高并不显著。综合考虑，故选择助剂1作为本研究涂料产品的增韧助剂。图2为实验结果照片。
2.4 家电电器用高韧性粉末涂料配方的确定综上所述，应用于家电电器用高韧性粉末涂料配方如表4所示。涂膜厚度在（150±5）μm，固化工艺：180℃/10min固化。3 结语 以聚酯/TGIC固化体系为成膜物下制备的家电电器用高韧性粉末涂料产品能够满足高韧性粉末涂料在钣金工艺下要求达到的优异的附着力以及优异的柔韧性等性能方面的需求。
涂层不管是在常温25℃还是在-10℃下冷藏1h后，涂层0T测试时均表现出优异的柔韧性。同时，本研究制备的涂料涂层在过烘烤时表现出优良的耐过烘烤黄变性能。
本研究制备的家电电器用高韧性粉末涂料在同样工作环境下可以与溶剂性涂料相对比，与溶剂性涂料的各项性能基本一致，可以实现对于溶剂性涂料的部分替代。
