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家电用耐温粉末涂料的配方设计
来源:程坚 | 发布时间:2019-11-12 | 浏览次数:
 
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文/程坚
东莞艾仕得华佳涂料有限公司
 
摘要:普通家电粉末涂料由于配方体系设计时并未考虑产品长时间接触高温,涂层容易发黄、
脱落,不具备很好的耐温性和耐油性。本文通过实验测试搭配不同种类树脂,提高涂层交联密度兼顾涂层的物理性能。使用耐温颜料、钛白粉和固化促进剂等,改善产品的耐温耐油性能,使粉末涂料在常规性能、保色性耐热性、耐油性、耐抗洗洁剂性等方面达到客户要求。

    粉末涂料由于其具有的无溶剂、施工简单、利用率高等特点而在全球市场高速增长,20世纪80年代,有机硅耐高温粉末涂料[1]在美国的烤炉方面首先得到应用,而在90年代中期在欧美市场快速增长。随着中国逐渐成为全球的灶具、烤炉等主要的生产基地,市场对耐高温粉末涂料的需要也日益增长。

    通常家电用粉末涂料主要应用于空调外机、洗衣机、冰箱等,这些家电的表面温度最高不超过100℃,表面涂层性能并不涉及耐高温、耐油性。而作为家电厨房油烟机类产品的外涂层,粉末涂料需具备耐油脂、耐温性(160~180℃),使用硅树脂耐高温粉存在质量过剩,且不满足客户对油脂的要求,需新开发一款符合要求的粉末涂料。

    本研究从配方框架体系入手,在不改变主要树脂类型、控制成本的基础上,通过测试不同树脂固化剂等基料体系的搭配及其颜填料和各种助剂的选择,改善漆膜耐温、耐黄变、耐冲击、耐弯曲、流平等各项物理和化学性能,开发出符合客户要求的耐高温粉末涂料。
 
1 实验部分
 
1.1 主要原料
 
    羟基聚酯树脂1:工业级,帝兴树脂(昆山)有限公司;羟基聚酯树脂2:工业级,湛新树脂(上海)有限公司;羟基聚酯树脂3:工业级,美国迈图公司;二步法环氧树脂:工业级,国都化工(昆山)有限公司;封闭型异氰酸酯固化剂:工业级,Evonik公司(型号
B1530);粉末涂料通用助剂(流平剂、脱气剂、安息香等):工业级,宁波南海化学有限公司;粉末涂料通用颜料:工业级,朗盛公司;金红石型钛白粉1:工业级,安徽安纳达钛业有限公司;金红石型钛白粉2:工业级,美国杜邦公司;耐温颜料:工业级,Ferro公司;抗氧剂:工业级,六安捷通达化工有限公司产品;柔韧性助剂:工业级,深圳馨海科技有限公司。

1.2 性能测试

    参照GB/T 11185—2009、ISO6860:2006测定漆膜的柔韧性;参照GB/T 1732—1993测定漆膜的耐冲击性;参照GB/T 1735—2009测定漆膜的耐热性。

2 结果与讨论

2.1 白色高温粉性能改善研究

2.1.1 普通粉末涂料配方框架局限性

    普通粉末涂料配方如表1所示。
                           
                           
    将按表1配方挤出的粉末涂料喷涂制备样板(膜厚70~80μm,固化条件:200℃/15min),按标准进行性能测试,结果见表2。
                               
                                
    从表2可以看出,根据客户提供的标准对普通粉末涂料耐油性、耐污性、耐洗洁剂、耐热性、硬度等测试,性能均未通过。

2.1.2 配方调整对物理和化学性能的影响

    根据实际需要,涂膜还需要满足交联密度、耐温性、耐油脂、柔韧性、耐冲击性、耐9N划痕硬度、流平、色差等要求。这些要求中,耐油脂性、柔韧性、耐冲击性及耐9N划痕硬度是关键指标。

    上述要求中某些性能间相互矛盾,需要综合平衡配方的各性能。
聚氨酯涂料流平、耐溶剂性优异,且交联密度高,但由于其高交联密度,使得涂膜的柔韧性和耐冲击性欠佳。为提高柔韧性,在聚氨酯基础配方的基础上加入少量环氧与高羟值、低黏度、酸值在7~11mgKOH/g的羟基聚酯,在交联密度稍有下降的前提下,提高涂膜的柔韧性。

    由于高羟值树脂的羟值高,参与反应的官能团多,交联密度高,从而涂膜的硬度高、耐化学品性能好,但流平和耐冲击性差;中羟值树脂,流平好,综合性能优;低羟值树脂,机械性能好,但硬度和耐化学品性能差。故根据客户需求,配方中主体树脂选用中羟值树脂。在选择中羟值树脂时,考虑到涂层流平,从预选的两支中羟值树脂中,选择黏度区间窄的羟基聚酯树脂2作为最终树脂。

    在确定基料树脂和固化剂后,为满足耐温、耐油污性,同时调整了配方中的流平剂、颜料及助剂,并选择无机耐温颜料。
 
    将羟基聚酯树脂2、羟基聚酯树脂3、二步法环氧树脂、封闭性异氰酸酯固化剂组成的基料体系作为耐温粉末涂料初步配方框架,配方见表3,性能测试结果见表4。该耐温粉末涂料可用于家电。
                            
                        
                    
    对比表2、表4可以发现,通过配方调整,耐温粉末涂料的光泽和流平比普通家电粉末涂料低,但符合客户要求。耐温性、耐油脂、耐冲击性、耐9N划痕硬度、色差均有明显提高。

2.1.3 配方调整对耐黄变性能及流平的影响

    为确定黄变原因,在表3配方中加入抗氧剂及不同钛白粉进行了4组对比试验,对应配方见表5,将3个配方挤粉、喷板,然后放入230℃烘箱中2h,测试烘烤前后涂膜颜色变化,结果见表6。
                               

                                
    由表6可以看出,3个配方的黄相有一定差别,配方1偏黄2.4,配方2偏黄2.6,配方3偏黄1.6。配方4偏黄1.45。其他色相如ΔL*<-0.5,Δa*<0.2,色相变化不大。由此可知钛白粉1抗黄变能力比钛白粉2差,抗氧剂在此体系中抗黄变作用很小。综合耐温性能和成本考虑,故采用配方3体系。

    经试喷,所得涂膜各方面性能均好,通过PCI流平等级对照板对照后,流平5级,略差(分1~10级,10级最好)。通过提高挤出机混熔,控制粉末粒径D(4,3)=32~35μm,涂层流平可达到7级以上。

2.2 黑色高温粉性能改善研究

2.2.1 配方调整对涂膜耐冲击性、流平及光泽的影响

    在配方3框架的基础上,按表7配方配制黑色高温粉末涂料。由于白色配方中钛白粉既可作为颜料也可做为填料,而黑色配方中钛白粉含量少,需要增加其他填料。增加的填料及促进剂对涂膜性能的影响,结果见表8。
                             
                              
                               
    由表8可知,加入填料使涂层耐冲击性降低,流平达不到客户要求的5级以上,20°光泽也无法达到50以上;而加入固化促进剂可有效提高涂层耐冲击性。

2.2.2 配方调整对涂膜柔韧性的影响

    为了解决涂膜柔韧性差,圆锥弯曲测试边角处出现开裂现象,在表7配方D中加入柔韧性促进剂10g,得到最优配方,涂膜柔韧性变化见图1。
                          
                          
2.3 性能测试

    按最终确定的最优配方制备白色及黑色粉末涂料,由于配方的特殊性,采用的是复合3种类型的树脂(高、中羟值树脂、环氧树脂),由于聚氨酯固化剂的特殊性,反应存在封闭剂的释放,生产过程中容易出现猪针孔及毛刺现象,故需要使3种树脂混容性好,释放出封闭剂等小分子。
另外,选择高螺杆排布挤出温度不宜过高,控制在110℃以下,挤出速度需放慢,提高物料间的混融。采用二次挤出以提高涂层的表面性能。
白色与黑色高温粉末涂料性能测试结果见表9。
                             
                            
    由表9可知,配方调整后的耐高温粉末涂料具有良好的附着力、色差、铅笔硬度、耐冲击性、柔韧性、耐热性、耐油性、耐洗洁剂性等性能。

3 结语

    (1)通过调整和选择合适基团数量的树脂和固化剂改变涂层的交联密度,使涂层耐油性、耐洗洁剂性、柔韧性、耐划痕硬度和耐冲击性等性能符合耐高温家电粉末涂料的要求;(2)通过调整使用耐温颜料和填料、增加抗氧剂,提高涂层的耐温性能和抗黄变性能。家电用耐高温粉末涂料配方设计时要综合考虑产品的应用环境,并考虑最主要的环境影响因素,才能设计出符合要求的配方。
 
 
 
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