聚氨酯粉末涂料

聚氨酯粉末涂料

杨璠章晓斌（广州擎天实业有限公司粉末涂料分公司）

摘要：本文概述了聚氨酯粉末涂料的特性、反应原理及研究进展，同时介绍了本公司在聚氨酯粉末涂料生产过程中所做的一些实验工作。

1 前言

从20世纪70年代以来，随着工业的发展，溶剂性涂料的涂装施工对大气造成的污染成为了国际社会关注的焦点，具有“省资源、省能源、低污染、高效能”特点的粉末涂料受到业界的高度重视，在涂料工业中所占比例迅速提升，广泛应用于家电、汽车、铝型材等领域。聚氨酯粉末涂料不仅具有高装饰性和优良的物理力学性能，而且具有较全面的耐化学药品性，特别是不易黄变、耐候性和耐光性突出。它兼顾了环氧涂料和丙烯酸涂料的优点，与TGIC固化的纯聚酯粉末涂料体系相比，更具有无毒无害的巨大优势。随着聚氨酯粉末涂料生产工艺的日益成熟，其在粉末涂料中所占的比例将越来越大。

2 聚氨酯粉末涂料的特性

—物理性能优异

—耐化学品性优良

—耐候性突出

—固化过程中熔融黏度较小，润湿流平性良好

—挤出过程中不会有反应发生，生产工艺容易控制

—施工性能良好

3 聚氨酯粉末涂料反应原理

聚氨酯是聚氨基甲酸酯的简称，由多异氰酸酯和多元醇（包括含羟基的低聚物）反应生成。聚氨酯涂料中并不一定要有聚氨酯树脂存在，聚氨酯粉末涂料就是由羟基树脂和封闭型多异氰酸酯为原料制成的，二异氰酸酯在常温下大部分是具有挥发性的有毒液体，与羟基聚酯树脂有很高的反应活性，为降低其挥发性及毒性，并制造成固体以便于使用，人们通常用二元醇或三元醇与之反应。为了避免烘烤前二异氰酸酯与羟基发生发应，还需要使用封闭剂封闭异氰酸基团，以提高其稳定性。目前常用的聚氨酯粉末涂料交联剂的主要架构便是以己内酰胺封闭的IPDI（异佛尔酮二异氰酸酯），IPDI的分子结构和常见的己内酰胺封闭的IPDI 分子结构如下：

IPDI

己内酰胺封闭的IPDI

己内酰胺封闭的IPDI

涂料固化过程中，当烘烤温度升高到封闭IPDI的解封闭温度（目前大多数产品的解封闭温度高于170℃）时，封闭的异氰酸酯先解封闭，己内酰胺释放出来，留下异氰酸根与羟基发生反应形成氨酯键，反应式如下：

己内酰胺的放出将会造成涂层针孔、气泡等缺陷，并对环境产生污染。为此有些厂商开发出以缩脲二酮形式内封闭的IPDI，即相当于异氰酸酯的二聚体，其结构及解封闭过程如下：

但是该产品所需的解封闭温度较高，固化过程中熔融黏度较大，所得涂层外观与己内酰胺封闭IPDI型涂料的差距明显，市场认可程度不高。

聚氨酯涂料中存在的大量氨酯键能形成大分子间的氢键，氨酯键不易与酸、碱、油反应，氢键可以缓解外力作用，所以聚氨酯涂层的化学稳定性好，机械性能优异。涂层未达到解封闭温度前因没有交联反应发生，所以熔融黏度不会增加，涂层有足够的流平时间实现良好的涂层外观。另外解封闭前不发生反应，就大大减少了挤出加工过程中胶化的可能性，使生产工艺容易控制。

4 聚氨酯固化剂的对比试验

本公司对现有固化剂产品进行了对比试验，试验参数：挤出机的一区温度95℃，二

区温度110℃，螺杆转速900r/min，喷涂板材0.7mm厚冷轧板，试验结果见表1。表1 不同聚氨酯粉末涂料用固化剂性能对比

材料名称123456

树脂1(羟值30～50 mg KOH/g)200200200200200200

固化剂1(NCO含量14.8%~15.7%)45

固化剂2(NCO含量12.5%~14.0%) 50

固化剂3(NCO含量14.0%) 50

固化剂4(NCO含量9.0%~10.0%) 75

固化剂5(NCO含量16.0%~17.0%) 40

固化剂6(NCO含量13.0%~14.5%) 55

硫酸钡100100100110100100

流平剂3.03.03.03.03.03.0

安息香1.51.51.51.51.51.5

其他助剂1.01.01.01.01.01.0

性能指标

涂层外观平整

光滑平整平整

光滑平整

光滑粗糙平整

光滑

光泽91.291.391.690.988.589.6

流动性，mm293029292428

胶化时间，s436213357532165613

冲击，50cm正面

通过正面

通过正面

通过正面

通过正反

通过轻微

开裂

铅笔硬度2HHH2HHH

弯曲，mm224224

附着力000000

耐热200℃/1h ΔE1.341.761.041.763.391.97

230℃/0.5h ΔE4.456.656.675.966.849.26

QUV色差ΔE 0.80.750.20.44.340.99

QUV保光率，%999897999594

5 低温固化聚氨酯粉末涂料

为了节约能源，扩大粉末涂料的应用领域，开发能在120~160℃范围内交联的固化体系以已成为目前研究的主要目标。

实现低温交联可以采用以下几种方法：选择合适的封闭剂和异氰酸酯；选择合适的异

氰酸酯；树脂、固化剂和催化剂的合理搭配。

目前通用的己内酰胺解封闭温度必须大于170℃，而使用杂环化合物如：1,2,4-三唑、3,5-二甲基吡唑封闭的异氰酸酯可与适当的羟基树脂在140~150℃下固化。研究结果表明，在加入合适的催化剂条件下，丁酮肟封闭的HMDI体系可以在140℃下进行固化反应。但是三唑毒性很强，并被证明是致畸剂；吡唑价格昂贵，均不适宜于工业使用。该方面的研究有待突破。

因此需要寻找合适的多异氰酸酯作低温固化剂。这类化合物所带异氰酸根只在所需的固化温度下发生反应，关键点是在挤出过程（90~115℃）中不能发生任何反应，且在固化温度下具有足够的流平时间。已有文献报道了3(4)-异氰酸酯甲基-1-甲基环己基异氰酸酯（IMCI）可以满足上述要求，即能在140℃左右进行交联反应。

Gedan－Smolka等人的研究表明，使用缩脲二酮固化剂和乙酰丙酮锌（ZnAcAc）催化剂可以实现低温固化，只是该反应体系中不能含任何羧基，即使羧基含量很低也会阻碍催化反应的进行。

6 催化剂在聚氨酯粉末涂料中的应用

叔胺类化合物、有机金属化合物、有机磷等均可以用作聚氨酯涂料的催化剂，但粉末涂料则主要采用有机锡类化合物作催化剂，一般为二丁基二月桂酸锡和辛酸亚锡，分子式如下：