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高性能聚氨酯粉末涂料的研究
周玉玲，杨璠， 高庆福，彭浩民
（广州擎天实业有限公司粉末涂料分公司，广州510860）
1 引言
20 世纪70 年代以来，随着工业发展，溶剂型涂料的涂装对大气的污染成为国际社会的关注焦点，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上升，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。它兼顾了环氧和丙烯酸涂料的优点，较TGIC 体系纯聚酯粉末涂料而言，更是具有无毒的巨大优势。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越来越大，在过去的25 年中，聚氨酯粉末涂料的产量由1980 年的10 万t 发展到2005 年的100 多万t，而近几年市场发生区域性的转移，粉末涂料协会估计全球将有三分之一的产量集中在远东，单中国就将占到四分之一。
2 聚氨酯粉末涂料反应原理
聚氨酯是聚氨基甲酸酯的简称，是由多异氰酸酯和多元醇（包括含羟基的低聚物）反应生成的，但聚氨酯涂料中并不一定要含有聚氨酯树脂，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。IPDI（异佛二酮二异氰酸酯）分子式如下：
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，常见有以下结构：
涂料固化过程，封闭的异氰酸酯先解封闭，然后再与羟基发生反应形成氨酯键，如下式：
聚氨酯涂料中存在的大量氨酯键，能形成大分子间氢键，氨酯键不和酸、碱、油反应，而氢键可以缓解外力作用，所以聚氨酯涂料形成的涂层化学稳定性好，机械性能优异。
3 聚氨酯粉末涂料固化剂的选择
消光的粉末配方体系，涂层熔融流平时间较短，可以更好地达到消光的效果，这就要求配方体系反应速度要较快，而影响聚氨酯配方体系反应速度的因素主要有两个方面：固化剂种类与催化剂用量，对此本文进行了一系列试验，试验结果见表1。
4 催化剂对聚合速度的影响
有机锡类化合物，可以对ROH-RNCO 的反应起到催化作用，一般为二月桂酸二丁基锡（DBTL）和辛酸亚锡，分子式如下：
DBTL 对胶化时间的影响见图1。
但是锡类化合物在配方体系中的用量不能太大，过大时，固化后的涂膜在紫外光照射下，它们将促进涂膜中的氨基甲酸酯键裂解，从而降低其耐久性。
5 消光聚氨酯粉末涂料
涂膜的表面光泽是按使用者的审美观及使用要求等主客观条件而加以选择的，一般光泽划分为：大于80％称为高光，50％～ 70％称为半光，小于10％称为平光，接近0％称为无光。所谓的涂料消光，就是通过各种方法使涂层光泽降低。涂层光泽度的大小主要取决于物体表面的光滑程度，消光即是要破坏涂层表面的光滑性，增加其微观的粗糙程度。粉末涂料的消光途径主要有以下几种方法：填料充填、不相容物质溶出、互穿网络（IPN）、共混消光。这些方法可以分为物理和化学两大类。
5.1 物理消光
物理消光法主要是无机填料充填，但是由于填料比树脂密度大25%以上，要达到破坏涂膜平整度，得到粗糙表面的效果，则需要比较大的量，其直接后果将使涂层的流平性、机械性能大大降低，故采用此方法不能将光泽降得很低。另外还有添加硬脂酸盐、蜡和金属盐复合物、金属有机化合物、与体系不容聚合物等方法。填料用量对光泽的影响见图2。
由图2 可见，依靠填料消光的方法，仅能将光泽降低到70％左右，但是填料的用量过大，会严重影响到涂层的外观以及机械性能和耐酸碱性能。
5.2 化学消光
化学消光法主要有添加IPN 消光剂、使用消光固化剂、混合不同树脂或固化剂。而针对聚氨酯体系开发的消光剂很少，国内市场少有销售，天津石化公司研究所吴庆松等研制的消光剂PUM-101，最低可制得5%～9%的光泽，但是该产品适用的配方成本太高，而且其所得涂膜低光泽时平整性差，而消光固化剂更多的应用于环氧粉末涂料中，Bayer 公司的Crelan VPLS2181/1应用于消光聚氨酯粉末涂料，它是一种接枝化合物，其原理是，一方面使带有羟基的聚酯和己内酰胺封闭的异氰酸酯进行反应，另一方面使某些羟基或环氧基团与固化剂上的羧基反应，与Araldite PT910 配合可以将光泽降至30％以下，甚至可得到无光涂层，但是其重现性差，很容易受到颜填料等影响而波动，而且在国内市场并无此类产品销售。而混合固化剂的方法消光效果不是很明显，而且目前国内的聚氨酯固化剂主要依靠进口，种类少，难以选择合适的种类。消光PU 粉末涂料试验配方及性能见表2、3。
混合树脂法消光聚氨酯粉末涂料在大批量生产中比较容易控制，相比较两种不同固化剂的配方体系在生产时的情况，固化剂1的涂层外观效果更加平整，固化剂2 的消光效果更加稳定，所得光泽更低，而且其机械性能比较稳定，在生产中可以根据光泽的需要适当地选择。但这种消光方法的成本较高，因为光泽越低需要使用越多的高羟值树脂，则需要更多的固化剂，而目前国内的固化剂基本上完全依靠进口，价格比较昂贵。
6 结语
聚氨酯粉末涂料由于具有高装饰性和优良的物理力学性能、较全面的耐化学药品性而受到业界的广泛关注，但是国内该类型粉末涂料应用较少。本文对聚氨酯粉末进行了一些研究：比较了不同聚氨酯粉末涂料固化剂的性能，考察了催化剂对胶化时间的影响，并采用混合树脂法制造出消光聚氨酯粉末涂料，可以调整出各种光泽的涂层，并且在生产过程中光泽比较稳定，重现性好。
