高光聚氨酯木紋粉末的研究

1 前言
   粉末涂料始于 20 世紀 40 年代初， 是以粉末粒子形態涂裝并形成涂層的。 粉末涂料在生產和涂裝過程中沒有溶劑釋放、少污染，符合環保要求，涂裝過程中噴溢的粉末可以回收再利用，有利于節省資源，粉末涂裝易實施自動化生產，可提高生產效率，粉末涂料和涂裝已成為發展迅速的涂料新產品和新工藝，現已成為公認的符合 4E 型涂料產品。
   近幾年，隨著鋁型材行業飛速發展，熱轉印粉末涂料（俗稱木紋粉末涂料）也得到快速發展，在中國市場上木紋粉末主要以聚酯/TGIC 類型為主，也有很多粉末研究者對其進行了大量的研究并在鋁型材上大量的應用，技術比較成熟。但是隨著人們需求日益增加，聚酯/TGIC 熱轉印粉末已經漸漸不能滿足客戶的需求， 這樣就需要更高檔的聚氨酯木紋粉末涂料來代替。聚氨酯木紋粉末涂料相對于聚酯/TGIC 木紋粉末涂料，具有流平更好、豐滿度好、轉印紋理更清晰逼真和無毒等特點， 因此很好的滿足了客戶對美觀、 性能和健康等三方面的需求。
 

2 聚氨酯木紋粉末涂料當前應用的狀況和特點
   聚氨酯粉末涂料做為粉末涂料中的一大類，具有涂膜表面豐滿光潔、流平好、硬度高、耐候性優良、耐化學性和防腐蝕性好等許多的優良的性能。目前主要應用于冰箱、洗衣機和汽車等高檔產品中。在熱轉印方面，聚氨酯粉末涂料主要依靠其涂膜硬度高、交聯密度大、涂膜流平好和轉印圖案更清晰從而得到應用。在鋁型材行業里，聚氨酯粉末涂料主要用做生產高檔產品，這很大的原因是由于目前國內的聚氨酯固化劑主要依賴進口， 價格昂貴， 導致聚氨酯木紋粉末只能小批量應用， 而且聚氨酯木紋粉主要在低光澤方面應用較多。 對于高光聚氨酯木紋粉在鋁型材中應用較少的主要原因是:光澤高意味著其表面微觀上更平整， 就會造成撕紙較困難。而隨著聚酯/TGIC 高光木紋粉在鋁型材上大量應用，由于此類粉末整體上流平不是很好，手感粗糙， 所以客戶需要一種更高檔次的粉末涂料來滿足消費者的需求。 本文主要探討應用于鋁型材的高光聚氨酯木紋粉末涂料。
 

3 鋁型材用高光聚氨酯木紋粉末涂料配方設計
   本文中“高光”是指采用光澤儀的 60º 角測的光澤在 80%單位以上。 目前鋁型材熱轉印的方式主要是通過真空轉印方式，對于熱轉印粉末來說，首先必須保證其不粘紙，其次需要流平好、機械性能優良和耐沸水性能優異才能適合應用于鋁型材。聚氨酯木紋粉主要由羥基樹脂和封閉型多異氰酸酯組成， 而中國市場上封閉型多異氰酸酯主要以國外進口的德固賽公司生產的 B1530 為主，羥基樹脂國內外品種較多，大概分為三大類，即低羥值樹脂（一般羥值在 30mgKOH/g-50mgKOH/g 之間） 、中羥值樹脂（一般羥值在90mgKOH/g-110mgKOH/g之間） 和高羥值樹脂 （一般羥280mgKOH/g-320mgKOH/g之間） 。所以需要先研究不同羥值樹脂對涂膜的影響。

從表 1 知， 羥基樹脂的羥值大小對涂膜的影響非常大， 整體上聚氨酯粉末的流平性都很好，但是隨著羥值的增大，其機械性能越來越差，硬度越來越高，轉印效果逐漸變好，耐沸水性隨之變差。對比配方 2#和 3#發現，中羥值樹脂的交聯密度和硬度已經基本上能保證熱轉印效果良好，而且高羥值樹脂還具有機械性能太差、光澤較低和耐沸水性極差等特點，所以制備高光聚氨酯木紋粉末就不考慮高羥值樹脂。這樣對于配方 1#來說，只要解決其轉印效果不太好的問題，就能設計出來高光木紋粉末涂料。對于配方 2#來說，也只要解決其耐沸水性能不好的問題就能制備出高光木紋粉末。對于配方 1#，我們可以通過篩選不同廠家的低羥值樹脂來看涂膜效果是否有差異，也可以考慮添加增硬蠟粉來改善， 或是加入有機錫類促進劑來提高固化程度。 其探索實驗如表2 和表 3。

   從表 2 可以看出，通過對比配方 4#、5#、6#知，進口 A 樹脂的涂膜硬度略高一些；低羥值樹脂制備聚氨酯粉末的轉印效果有缺陷； 不同廠家的轉印紙質量有輕微差異 （在此不多做討論） ；相對而言進口 A 樹脂更加有利于制備高光聚氨酯木紋粉末；低羥值樹脂的耐沸水性都好。所以選定 5#配方為基礎配方，然后通過一些助劑來進一步提高涂膜硬度和交聯密度。我們一方面通過添加增硬蠟粉來改善表面涂膜硬度，另一方面，由于粉末涂料固化的完全度不可能達到 100%， 所以加入有機錫催化劑可以提高聚合速度，那么在一定的固化時間內，相當于提高了固化程度，讓其更接近 100%，這樣就增加涂膜的交聯密度。其探索實驗如下表 3。

從表 3 可以看出， 選用合適的增硬蠟粉可以改善涂膜硬度， 有機錫類促進劑對涂膜轉印效果起到一定的改善作用。配方 8#和配方 9#的各項性能都滿足鋁型材用高光聚氨酯木紋的要求。所以對配方 1#的改進已經達到了預想的效果，下面主要討論對配方 2#的改進。對于以中羥值樹脂體系的高光聚氨酯木紋體系來說， 由于其羥值明顯大于低羥值樹脂，因此根據上述實驗知其交聯密度和涂膜硬度已經達到轉印粉的要求，可以保證轉印效果優異。根據配方 2#的實驗結果知，此配方的缺陷主要是耐沸水性不好。我們分析認為可能是由于中羥值樹脂的羥基相對于低羥值樹脂的羥值要多， 如果二者固化程度相同時， 中羥值樹脂相對殘留涂膜里的羥基較多，而羥基是親水基團，所以中羥值樹脂耐沸水性不好。那么要想解決中羥值聚氨酯木紋粉末的水煮問題就必須減少涂膜固化后的殘留羥基含量， 也就意味著要提高涂膜的固化程度。 所以我們可以通過對比不同廠家樹脂對涂膜的影響、 添加催化劑來增加固化程度和復配低羥值樹脂來減少最終涂膜中的羥基含量。其探索實驗如表 4。

從表 4 可以看出， 不同廠家的中羥值樹脂的耐沸水性相差不大， 意味著其固化程度相差程度還不能夠通過耐沸水性的結果來進行分辨。 根據表 3 實驗知， 加入有機錫類催化劑在一定程度上能夠增加交聯密度，但是通過 11#和 13#兩組實驗結果表明，其增加的交聯密度不夠多， 在涂膜中仍殘留一定量的羥基造成耐沸水性不合格。 然后我們通過復配低羥值樹脂降低涂膜羥基含量來改善耐沸水性， 復配的低羥值樹脂的羥值盡量選用偏高一些的樹脂， 這樣既能保證不產生較大的反應速度差又能保證不會降低太多的交聯密度， 從而滿足高光澤和轉印效果好的要求。隨著低羥值樹脂含量的增加，其表面硬度有輕微下降，流平基本上沒有變化，轉印效果變化不明顯且都比較好，耐沸水性能得到改善。所以綜合考慮耐沸水性和轉印效果，選擇低羥值樹脂與中羥值樹脂 1:1 復配可以制備滿足需求的聚氨酯粉末。根據以上實驗和分析，我們得出配方 8#、9#和 15#都能制備出光澤高、耐沸水性能好、機械性能優異和轉印效果好的聚氨酯木紋粉末涂料。 這三組配方中 8#和 9#比較接近， 與 15#在成本和轉印效果上有些差異。8#和 9#配方的優勢是相對于 15#來說，其成本較低，耐沸水性能更優異；15#配方的優勢是其涂膜表面硬度略高，交聯密度較大，轉印效果略好。所以在實際應用時， 需要根據噴涂工藝及所使用的轉印紙的質量來設計配方， 如果轉印紙的質量較好，固化時間充足，可選用 8#或 9#配方生產，且有利于降低成本，也有利于提高鋁型材最終產品的耐水性；如果遇到轉印紙的質量略差時，就需要參照 15#配方結構進行調試。

4.總結

綜上所述知，對于聚氨酯轉印粉末配方設計需要注意以下幾點：

1.必須設計合理配方使涂膜能夠充分固化；

2.增加涂膜硬度和交聯密度時要注意其對流平性、光澤和耐沸水性的影響；

3.設計配方時要通過轉印紙的質量和轉印工藝合理調試配方，使其成本、轉印效果和涂膜外觀達到最好的平衡點。

聚氨酯木紋粉末涂料以其優異涂膜外觀、 滑爽的手感及無毒等較全面的優良的性能正在逐漸被人們認識和接受。在國內需求量也是越來越大，可以預見其發展的前景非常廣闊。目前制約其發展的主要因素就是其固化劑主要依賴進口， 導致其價格昂貴， 不能大范圍的替代聚酯/TGIC 型粉末涂料。 所以現在需要國內相關人士抓緊研制可取代昂貴的進口聚氨酯固化劑，使聚氨酯粉末得到更好的發展。

(作者：劉飛 潘志學 黃超)