铝合金用低温固化聚酯粉末涂料

铝合金用低温固化聚酯粉末涂料
聂德键;叶秀芳;陈东初;罗铭强;黄和銮;陈树钦
【摘要】用新戊二醇、对苯二甲酸、已二酸、丁基锡酸和偏苯三酸酐开发了适用于β-羟烷基酰胺(β-HAA)体系的低温固化聚酯树脂.采用X射线粉末衍射方法分析它的结晶度,并利用傅里叶变换红外光谱仪表征了分子结构.将该聚酯树脂制备成粉末涂料,静电喷涂在6063铝合金上,通过人工紫外光加速老化试验(QUV)考察了固化温度和固化时间对所得涂膜保光率(以此来反映涂膜的耐候性)的影响.所制粉末涂料在160℃/10 min的条件下固化后,涂膜在1 000 h老化试验后的保光率为93.6％,且在机械性能、耐酸性盐雾腐蚀、耐溶剂性、耐湿热性等方面表现优异.【期刊名称】《电镀与涂饰》
【年(卷),期】2016(035)018
【总页数】4页(P960-963)
【关键词】铝合金;β-羟烷基酰胺;聚酯树脂;粉末涂料;低温固化;耐候性
【作者】聂德键;叶秀芳;陈东初;罗铭强;黄和銮;陈树钦
【作者单位】广东兴发铝业有限公司,广东佛山 528061;佛山科学技术学院,广东佛山 528061;佛山科学技术学院,广东佛山 528061;广东兴发铝业有限公司,广东佛山528061;广东兴发铝业有限公司,广东佛山 528061;广东兴发铝业有限公司,广东佛山 528061
【正文语种】中文
【中图分类】TQ630.7
First-author’s address:Guangdong Xingfa Aluminum Co., Ltd., Foshan 528061, China
热固性聚酯粉末涂料具有优异的户外性能和物理机械性能，喷涂过程不产生VOC
污染环境，环境友好、工艺简单、容易实现自动化、粉末可回收再利用，是目前用量极大的一种环保型粉末涂料，被广泛用于金属涂装[1-2]。

目前我国常用的热固
性聚酯粉末涂料固化剂是异氰酸三缩水甘油酯[TGIC，学名为三(2,3-环氧丙烷)均
三嗪) 2,4,6(1H,3H,5H)三酮][3]。

TGIC具有强烈的刺激性，毒性大，对人体健康
不利，且聚酯/TGIC体系的固化条件苛刻(固化温度＞200 °C，固化时间15 min)，较高的固化温度消耗了大量的热能，较长的固化时间降低了生产效率，不利于铝型材生产向“节能降耗”方式转变。

因此，开发低温固化粉末涂料成为国内外研究的重要课题。

特别在能源供应日趋紧张的今天，世界各国尤其是欧洲国家都加快了研究步伐，出现了许多低温固化粉末涂料的新品种。

但较低的固化温度和较短的固化时间会影响涂料的流平性，并产生针孔、起泡等缺陷，特别是在耐候性方面达不到传统粉末涂料的性能[4]。

本文开发了适用于β-羟烷基酰胺(β-HAA)固化剂的新型
聚酯树脂，并制备成粉末涂料，检测了涂膜的各项性能。

1. 1 原材料
新戊二醇、亚磷酸三苯酯、甲苯、氢氧化钾、丙酮、无水乙醇，分析纯，国药；对苯二甲酸、丁基锡酸，分析纯，阿拉丁；己二酸，分析纯，天津市福晨化学试剂厂；偏苯三酸酐，分析纯，东京化学工业有限公司；β-HAA固化剂，肇庆市东源化工
有限公司；安息香，青岛洪兵化工有限公司；流平剂，上海松亚化工有限公司。

1. 2 聚酯树脂的合成
主要选择结构高度对称，且含有一定刚性基团的多元醇/酸来合成具有一定结晶度
的聚酯树脂，即采用新戊二醇、对苯二甲酸和己二酸作为半结晶聚酯的单体单元，丁基锡酸为催化剂，偏苯三酸酐为酸化剂。

将一定量的二元醇、二元酸和催化剂投
入反应器，搅拌均匀。

再通入氮气，逐渐升温至220 °C缩聚反应一定时间，加入酸解剂调节酸值，然后抽真空，控制聚合终点，加入抗氧剂，降温，得到酸值、黏度符合要求的新型端羧基聚酯树脂。

1. 3 基材及其表面预处理
基材是6063铝合金。

前处理工艺为：脱脂(碱性脱脂剂，50 °C/5 min)→水洗(纯水，25 °C)→中和(150 g/L HNO3，25 °C/3 min)→水洗(纯水，25 °C)→钝化[钼系转化液(钼酸铵8 g/L，高锰酸钾7 g/L，氟化钠1 g/L)，50 °C/10 min]→水洗(纯水，25 °C)→干燥(100 °C/20 min)。

1. 4 粉末涂料及涂膜制备
按98.4 g聚酯树脂、1.1 g β-HAA固化剂、0.4 g安息香和0.1 g流平剂制粉，其工艺流程为：配料、混合、挤出、粉碎、过筛。

采用静电喷涂(电压40 ～50 kV，喷枪气流量4 ～ 5 m2/h，出粉量3 ～ 18 kg/h)的方法使所制粉末涂料均匀吸附
在基材表面，分别在155、160、165和170 °C下固化5、8、10和14 min得
到涂膜(膜厚60 ～90 μm)，置于空气中冷却至常温后检测涂膜性能。

1. 5 表征与性能测试
1. 5. 1 树脂的结构
采用Nicolet公司的FTIR-850傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)分析树脂结构，测定范围400 ～ 4000 cm-1，精度0.01 cm-1。

取少量聚酯树脂粉体与无水氯化钾混合研磨，然后压片制样，通过图谱中吸收峰来验证所制聚酯树脂的结构是否符合预期设计。

1. 5. 2 树脂的结晶度
将聚酯树脂研磨成细粉，用德国Bruker公司的X射线衍射仪(XRD)分析树脂的结
晶情况，并利用分峰法计算结晶度[5]。

1. 5. 3 涂膜的耐人工加速老化性
按GB 5237.4-2008《铝合金建筑型材第4部分：粉末喷涂型材》用美国Q-Lab 公司的QUV/Spray紫外加速老化试验机测试涂膜的人工老化耐候性，采用UVB-313荧光紫外灯管，波长310 nm，照射强度0.71 W/m2，60 °C紫外4 h + 50 °C冷凝4 h，共1 000 h。

以保光率来表征涂膜的耐候性。

采用德国Gardner 公司的A-4520镜向光泽度计测定60°光泽，保光率 =(试验后光泽÷ 试验前光泽)× 100%。

采用北京康光SC-80色差仪测定涂层人工老化前后色泽对比，涂膜色差(L表示亮度或暗度，a表示绿色或红色，b表示蓝色或黄色)。

1. 5. 4 涂膜的附着力
参考GB/T 9286-1998《色漆和清漆漆膜的划格试验》测定涂膜干、湿和沸水附着力，用刀刃切割，间距为2 mm，形成网格图形，贴上胶带后以60°角撕开，观察脱落情况。

1. 5. 5 压痕硬度
参考GB/T 9275-2008《色漆和清漆巴克霍尔兹压痕试验》用深圳市彩利佳科技有限公司的QHY巴克霍尔兹压痕试验仪测定压痕硬度，压痕硬度= 100 ÷ 压痕长度。

1. 5. 6 耐冲击性
参考GB/T 1732-1993《漆膜耐冲击测定法》，采用山东利达信仪器仪表设备有限公司的CJQ-II冲击试验器测定耐冲击性，重锤质量为1 kg，高度600 mm，重锤落下不引起涂膜开裂或脱落为合格。

1. 5. 7 冲压性能
按GB/T 9753-2007《色漆和清漆杯突试验》用济南美特斯的GBW-50杯突试验机测试涂膜的冲压性能，冲头为直径20 mm半球形，压陷深度5 mm。

1. 5. 8 耐盐酸性
按GB 5237.4-2008用化学纯盐酸(ρ = 1.19 g/mL)和GB/T 6682-2008《分析实
验室用水规格和试验方法》规定的三级水配成盐酸溶液[V(盐酸)∶V(水)= 1∶9]，
然后滴10滴在涂膜表面，用表面皿盖住，置于18 ～27 °C的环境中15 min后，用自来水冲洗，晾干后目视检查涂膜表面。

1. 5. 9 耐溶剂性
按GB 5237.4-2008附录B的方法测试涂膜的耐溶剂性：将棉签浸入二甲苯溶液中，饱和后按同一路线往复30次，再用水清洗，放置2 h后观察表面状况。

1. 5. 10 耐酸性盐雾腐蚀性
沿对角线在试样上划 2条深至基材的交叉线，线段不贯穿试样对角且各端点与相
应对角成等距离，然后按GB/T 10125-2012《人造气氛腐蚀试验盐雾试验》进行乙酸盐雾试验，1 000 h后目视检查涂膜表面及膜下单边渗透程度。

1. 5. 11 耐湿热性
按GB/T 1740-2007《漆膜耐湿热测定法》，试板垂直悬挂于温度(47 ± 1) °C、
相对湿度96% ± 2%的台湾信达电子仪器有限公司的LP-150可程式调温调湿试验箱中。

当温度和湿度达到设定值时开始计时，1 000 h后观察涂膜的表面状况。

2. 1 聚酯树脂的结晶性能
图1为聚酯树脂进行X射线粉末衍射测定后所得谱图。

可见在宽角衍射角为17.2°、24.8°和28.6°处各有一衍射峰，且在17.2°处的衍射峰最尖锐。

根据出尖锐峰的位置可判断合成的聚酯树脂有结晶性，且经分峰法处理算得结晶度为16.89%。

2. 2 聚酯树脂的分子结构
图2为聚酯树脂的红外光谱图。

从图2可知，3 446.49 cm-1处的峰归属于
υO─H(伸缩振动)，多取代苯环的振动较弱，对应的吸收峰基本被淹没。

2
944.00 ～ 2 890.71 cm-1处的峰表示─CH2─的υC─H，1 374.89 cm-1和1 506.31 cm-1处的峰表示─CH2─的δC─H(弯曲振动，面内)；727.48 cm-1处的
峰表示─CH2─的δC─H(面外)；1 645.99 cm-1处的峰归属于υC═O；1 116.39
cm-1处的峰属于υC═O，1 270.92 cm-1左右的峰归属于υC─O。

上述结果表明，所得聚酯树脂的分子结构与预期(见图3)一致。

2. 3 固化条件对涂膜耐候性的影响
将所制聚酯树脂配制成粉末涂料，其在不同条件下固化后所得涂膜经1 000 h人
工老化试验后的保光率列于表1。

由表1可知，相同时间下，涂膜的耐候性随着固化温度升高而提高。

同一温度时，涂膜的耐候性随着固化时间延长而增强，10
min后趋于稳定。

综合考虑涂膜的性能以及生产过程能耗、效率、设备损耗等因素，选择160 °C/10 min为最理想固化条件。

2. 4 涂膜的各项性能
在160 °C/10 min条件下固化后，涂膜的性能如表2所示，可见其性能优异，能
够满足实际使用要求。

(1) 用新戊二醇、对苯二甲酸、己二酸、丁基锡酸、偏苯三酸酐等合成了适用于β-HAA体系的可低温固化端羧基聚酯树脂，用其制备的粉末涂料在160 °C/10 min 条件下固化所得涂膜的耐候性优异、综合性能与常规聚酯粉末涂料相当，具有很高的应用价值。

(2) β-HAA体系低温固化聚酯粉末涂料的毒性低，对一线生产和施工人员的身体
伤害小，且具有大幅减少能源消耗、提高劳动效率等优势。

随着国家不断推进节能环保政策，该体系的粉末涂料将得到更多的关注。

【相关文献】
[1] 林巧銮. 国外低温固化粉末涂料的研究及其应用概况[J]. 电机电器技术, 1990 (1): 37-40, 33.
[2] 张欣华, 邵妃. 户外粉末涂料用低温固化聚酯树脂的开发[J]. 涂料技术与文摘, 2014, 35 (3): 14-17.
[3] 孙国良, 刘治猛, 刘煜平, 等. 环氧粉末涂料低温固化剂的合成及应用[J]. 应用化工, 2008, 37 (12): 1432-1435, 1439.
[4] 李文渊, 曹有名. 低温固化环氧粉末涂料的研究[J]. 涂料工业, 2014, 44 (10): 7-11.
[5] 潘清林. 材料现代分析测试实验教程[M]. 北京: 冶金工业出版社, 2011: 17-20.。