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                 2018/2/24  

自清洁粉末涂料的研究与开发  

来源:  中国涂料在线www.coatingol.com   发布时间: 2018/1/25 8:44:10   

本文主要讨论一种具有疏油拒水、自清洁、抗涂鸦功能的粉末涂料的研究与开发。该种新型功能涂料基于一种硅改性丙烯酸树脂,具有憎油、憎水、憎灰尘和自洁性强的性能,它的涂膜对水的接触角度为85-105°,表面光滑,粘附性小,极易清洗,不易被污染,具有自我润滑性能与低摩擦性能,也具有一定的耐擦洗等性能,但是价格比较昂贵。通过控制硅改性丙烯酸树脂的添加量和采用干混工艺等加工方式,可以在降低硅改性丙烯酸树脂的含量的同时达到一个比较优良的自清洁效果,大大降低了配方成本。

    粉末涂料作为环境友好型涂料的典型代表,在各行各业的应用日趋广泛,近年来在家具家电和IT行业上的应用很受市场欢迎。小到厨房中必备的油烟机,大到通讯行业内户外基站,粉末涂料都作为他们的外表面起到了保护层的作用。但是各行各业日益增长的对涂膜性能的追求,也不断向粉末涂料提出了新的要求。例如油烟机的工作环境比较恶劣,经常受到高温油气油污的侵蚀,久而久之会造成油污沉积在油烟机外壳表面,常规的粉末涂料一般具有一定的亲油性,油滴接触到涂膜表面以后,会立即展开并粘附在其表面,普通擦拭并不能完全去除油污,久而久之油污就会变得越来越难以清洗,既影响健康又影响外观。这样就要求外壳的涂膜具有疏油,易清洁,耐擦洗,耐洗洁剂等性能。通讯行业内的基站和通讯设备的机柜同样需要外表面具有良好的易清洁性能,并且还要求涂膜具有良好的耐候性能。为此,开发一款具有自清洁功能的新型粉末涂料有很大的实用价值和广阔的市场前景。

    1含羟基官能团的硅改性丙烯酸树脂体系

    文中涉及的含功能基团的硅改性丙烯酸树脂分为两类,一类是带有羟基的硅改性丙烯酸树脂,另一类是带有环氧基官能团的,分别应用与不同的基体树脂体系。两类树脂都具有一种基本的结构,如图1所示:

图1:含羟基官能团的硅改性丙烯酸树脂及其固化反应示意图

图1:含羟基官能团的硅改性丙烯酸树脂及其固化反应示意图

    首先这类树脂的骨架结构是长链的丙烯酸,这也是树脂的主体结构,然后主链的两侧分别是功能性硅链段和反应性官能团,硅链段起到了实现自清洁功能的作用,反应性官能团可以与适当的固化剂反应,使树脂自固化或者交联到基体粉末涂料体系当中去,使得功能性硅得以最大限度的发挥功效,并且化学交联以后,也能使此种涂料的使用寿命大大延长。

    下面先介绍含羟基官能团的硅改性丙烯酸树脂,并且这种自清洁丙烯酸树脂当作主体使用的性能,把自清洁丙烯酸树脂当作主体使用虽然成本较高,但是自清洁功能基团的有效成分最高,自清洁效果也最好。

    表1:含羟基官能团的硅改性丙烯酸树脂体系的基本配方

【技术】自清洁粉末涂料的研究与开发

    固化条件:15min@200℃

    此体系具有非常优异的自清洁性能,普通的水性笔和油性笔很难写到涂膜上去,写上去之后字迹会自动收缩成小液滴,用普通的布或者餐巾纸可以毫无费力的完全擦去(图2),等到油性笔中容易完全挥发干以后,仍可以不太费力的擦去所有印记。并且这种抗涂鸦效果可以保持相当一段时间,反复书写并擦拭100次以后,涂膜仍有相当好的抗涂鸦效果。水接触角测试表明,此体系涂膜的水接触角达到了101.17°(图3),具有比较高的疏水性,水滴在涂膜表面会自动收缩成圆形,并且流动性相当好,会有类似于荷叶表面的效果。此体系的疏油性也相当优秀,食用油油滴滴在涂膜表面之后,会迅速收缩成圆形,将涂膜稍微倾斜一个角度,油滴就会由于重力滑落到涂膜边缘并流走,涂膜上完全不会粘附油渍。

图2:羟基官能团的硅改性丙烯酸体系对油性笔的抗涂鸦性,擦拭前(左),擦拭后(右)

图2:羟基官能团的硅改性丙烯酸体系对油性笔的抗涂鸦性,擦拭前(左),擦拭后(右)

图3:羟基官能团的硅改性丙烯酸体系涂膜的水接触角,老化前(左),UVB200小时老化后(右)

图3:羟基官能团的硅改性丙烯酸体系涂膜的水接触角,老化前(左),UVB200小时老化后(右)

    但是含羟基官能团的硅改性丙烯酸体系也具有聚氨酯体系的通病,涂膜硬度较高导致机械性能较差,虽然可以通过固化剂和催化剂来调整交联密度,使机械性能得到一定的改善,但是终究机械性能很难提高很多。从耐候性能上来看,聚氨酯体系也并不是太好,在200小时UVB老化之后,涂膜水接触角衰退到了84.54°(图3),自清洁性能大大降低,并且色差和保光率数据也不是太好。而且此体系的生产稳定性较差,从而在实际应用中受到一定的限制。

    2含环氧基官能团的硅改性丙烯酸树脂体系

    正如前文中提到的,另一类带有环氧基官能团的硅改性丙烯酸树脂的基本结构如图4所示:

图4:含环氧基官能团的硅改性丙烯酸树脂及其固化反应示意图

图4:含环氧基官能团的硅改性丙烯酸树脂及其固化反应示意图

    与羟基-异氰酸酯(聚氨酯)体系相比,环氧-二酸体系具有耐候更佳,机械性能更好,针孔更少等优点。

    表2:含环氧基官能团的硅改性丙烯酸树脂体系的基本配方

【技术】自清洁粉末涂料的研究与开发

     固化条件:15min@200℃

    此体系的自清洁性能也非常优异,普通的水性笔和油性笔不太容易写到涂膜上去,写上去之后字迹会自动收缩成小液滴,用普通的布或者餐巾纸可以毫无费力的完全擦去(图5),等到油性笔中容易完全挥发干以后,仍可以不太费力的擦去所有印记。并且这种抗涂鸦效果可以保持相当一段时间,反复书写并擦拭100次以后,涂膜仍有相当好的抗涂鸦效果。水接触角测试表明,此体系涂膜的水接触角达到了99.72°(图6)。其他疏油疏水性能也和羟基官能团体系非常接近。

图5:环氧基官能团的硅改性丙烯酸体系对油性笔的抗涂鸦性,左图为纸巾擦拭前,右图为纸巾擦拭后

图5:环氧基官能团的硅改性丙烯酸体系对油性笔的抗涂鸦性,左图为纸巾擦拭前,右图为纸巾擦拭后

图6:环氧基官能团的硅改性丙烯酸体系涂膜的水接触角,左图为老化前,右图为UVB200小时老化后

图6:环氧基官能团的硅改性丙烯酸体系涂膜的水接触角,左图为老化前,右图为UVB200小时老化后

    环氧-二酸体系的机械性能明显优于与聚氨酯体系,虽然硬度稍低,但是其他各项力学性能均好于聚氨酯体系,涂膜的流平性能和外观也更好(表3)。从耐候性能上来看,环氧-二酸体系也好于聚氨酯体系,在200小时UVB老化之后,环氧-二酸体系的涂膜水接触角仍能达到89.99°(图6),体系仍保有一定的自清洁性能,这是要大大优于聚氨酯体系的,其色变和保光率也都好于聚氨酯体系(表4)。虽然环氧-二酸体系的抗涂鸦性能略微弱于聚氨酯体系(这是由于聚氨酯体系自身具有的致密度高的特性决定了聚氨酯体系整体就比其他体系的涂膜对记号笔的油墨渗入抵抗性好),但是整体综合性能是好于聚氨酯体系的。当然,不管是环氧-二酸体系还是聚氨酯体系,如果使用硅改性丙烯酸树脂作为主体树脂(质量百分比60%以上),其成本还是比较高的,限制了其大规模推广应用。

    表3:羟基体系/环氧体系涂膜综合性能比较

【技术】自清洁粉末涂料的研究与开发

    表4:200h耐候试验后涂层色差及保光率

【技术】自清洁粉末涂料的研究与开发

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