文/林锡恩1、2，马志平1、2，孙军芳1、2
（1.广州擎天材料科技有限公司2.中国电器科学研究院有限公司）
摘要：制备了不同固化剂体系、不同树脂份含量和不同类型涂层的聚酯粉末涂层，对比了固化剂类型、不同厂家的固化剂TGIC、树脂份含量、涂层类型和水温对涂层耐水性的影响，通过色差、保光率、扫描电镜（SEM）和衰减全反射红外（ATR-FTIR）研究涂层耐水测试前后形貌变化，发现水和聚酯粉末涂层结合在一起导致涂层表面失光和变色，经重新烘烤后涂层会恢复原貌并且涂层结构没有破坏。
1 前言
粉末喷涂是铝型材主要的表面处理方式之一，具有的低污染、低能耗的突出优点，聚酯粉末涂层在一些物理指标上如硬度、耐冲击和耐磨性等也有明显优势。由于铝型材应用场合多处于户外环境，常年受到雨水冲刷、湿气、潮气的作用，容易产生色差、光泽度变化的缺陷，而影响该性能的关键是涂层的耐水性，因此粉末涂料的耐水性倍受关注。粉末涂料的耐水性影响因素较多，其中涉及颜填料选用及聚酯树脂分子结构改进对耐水性的影响已有研究报导，本文以色差与光泽作为评价指标，从粉末涂料固化剂、树脂份含量、粉末涂料类型以及不同温度条件等因素进行研究，分析粉末涂料涂膜的耐水性。
2 试验部分
2.1 试验原材料
广州擎天材料科技有限公司饱和聚酯树脂，酸值33mg/g的端羧基聚酯树脂NH8306，羟值40mg/g的端羟基聚酯树脂NH7805；固化剂三缩水甘油基异氰尿酸酯TGIC,国产A、国产B、进口A、进口B；固化剂己内酰胺封闭的异氰酸酯B1530，贏创德固赛；固化剂羟烷基酰胺T-105，国产；硫酸钡（BaS04,工业级）；粉末涂料通用无机颜料钛白粉、铁红、铁黄；粉末涂料通用助剂（流平剂、安息香、701等，均为工业级），国产。
2.2 粉末涂料及样板和涂层制备
制备粉末涂料的工艺流程：经过配料、预混合、熔融挤出、冷却压片、破碎、粉碎过筛即可得到一定粒径的粉末涂料产品。经过静电喷涂在铝板上，在不同固化条件下烘烤即得涂层样板。
2.3 分析与测试
耐水试验：将喷涂粉末涂料的铝板放入装有三级水的高压锅中进行耐水实验，样板在水面10cm以下但不接触高压锅底部。根据试验条件不同，设置高压锅水温60~120℃，试验时间根据实验要求。样板耐水测试结束，马上从高压锅中取出擦干并进行色差与光泽的测试。
采用DSCI（METTLER）进行涂层Tg的测试，取制备得到的粉末涂料放入DSC中，升温程序为①以300K/min的速率从25℃升温至200℃；②200℃维持15min；③以-20K/min的速率降温至20℃；④以10K/min的速率升温至120℃。采用SPECTRUM TWO(PerkinElmer)进行涂层的全反射红外测试。样板和涂层的再烘烤条件为200℃×10min。根据GB5237.4-2008进行涂层的色差、光泽、冲击和附着力测试。
3 结果与讨论
3.1 不同固化剂体系涂层耐水性能
表2为不同固化体系的耐水性能（聚酯树脂和固化剂含量为60％，水煮温度120℃，压力0.12MPa，时间1h，下同）。结果显示，不同固化体系耐水性差别很大，NH7805/B1530水煮前后色差和保光率变化最小，耐水性最好。同样的树脂NH8306，固化剂不同耐水性差异也较大，TGIC固化优于T-105固化。从成本和耐水性能综合考虑，优选聚酯/TGIC固化体系。
3.2 不同厂家TGIC对涂层耐水性的影响
表3为固化剂采用不同厂家TGIC的涂层耐水实验结果。结果显示，虽然聚酯树脂固化剂均采用TGIC，但是由于固化剂生产厂家的不同，涂层耐水试验前后的色差与保光率有很大的差异。原因可能是不同厂家生产的TGIC在一些指标方面存在差异性导致了耐水性能的不同。以下试验化剂TGIC生产厂家为国产A。
3.3 粉末涂料不同类型涂层的耐水性能
表4为NH8306采用TGIC制备的高光、消光和砂纹粉末涂料涂层的耐水试验结果。外观上消光涂层和砂纹涂层表面相对粗糙，砂纹粉末涂料使用的低表面张力物质理论上对涂层的耐水性有利，但结果显示相同聚酯树脂和固化剂基体制备的三种类型的粉末涂料，其耐水性差异不大，涂层的耐水性主要取决于成膜物。
3.4 不同树脂份粉末涂料的耐水性能
表5是NH8306和TGIC制备得到不同树脂份含量（聚酯树脂加上TGIC占粉末涂料配方的质量百分比）涂层的耐水试验结果。结果表明，提高粉末涂料配方中树脂份含量对涂层保光率影响不大，但对色差的影响则非常明显。树脂份含量高的涂层，成膜物对颜填料的包裹性好，涂层致密度高，高树脂份含量是改善耐水性的有效方法。
3.5 不同温度下涂层的耐水性能
以上耐水试验所采用的温度条件达到120℃，相对压力为0.12MPa，这与型材的存储温度条件以及具体使用环境有一定差距。为此将3.4中不同树脂份和3.1中NH8306/T-105固化等5个涂层，在不同温度条件下进行耐水测试。
表6显示，在70~100℃之间涂层保光率随温度变化不明显，色差则随着温度升高而变大，但TGIC固化的涂层色差都在2以内，T-105固化的涂层在70℃/2h测试条件下耐水性与TGIC的相当，但80℃/2h和100℃/2h条件下仍然显示出较差的耐水性。
通过DSC测试了NH8306（55％）和NH8306/T-105的Tg，并在涂层的Tg以下进行了48h的耐水试验。
表7结果显示，即使在涂层Tg以下进行试验，T-105固化后的涂层耐水性仍然较差。这与T-105固化剂自身结构有关，T-105固化剂由二乙醇胺和丁二酸二甲酯氨解反应制得，其活性官能团为4个乙醇胺上的羟基，位阻较小，并且叔胺结构具有一定的亲水性。
3.6 涂层的耐水性能
为验证耐水试验是否对涂层造成了不可恢复的损伤，我们将3.4中NH8306（65％）耐水测试的样板进行再烘烤。表8是涂层样板在耐水测试前后以及再烘烤后的光泽、色差、冲击和附着力。结果显示耐水试验后涂层的冲击和附着力没有明显变化，而耐水试验导致的光泽和颜色变化，经过再烘烤基本恢复到耐水试验前。
图1是耐水试验前后及再烘烤后涂层样板照片，经过耐水试验，样板涂层出现了比较明显的发白，耐水试验后的样板再烘烤，涂层样板的外观与耐水实验前基本一致。
图2SEM形貌扫描图显示耐水试验后，涂膜仍保持平整，没有出现涂层降解形成的颗粒，只在局部有少量近似圆形的斑点。再烘烤后，斑点消失，涂层形貌恢复成耐水试验前，未发现涂层有外观损伤。
研究表明聚酯粉末涂料发生降解，羰基吸收峰会变小。而图3红外光谱显示耐水试验前、耐水试验后和再烘烤后涂层1850-1630cm-1处酯键的羰基吸收峰基本一致。耐水试验后3500cm-1附近的羟基吸收峰明显变宽，应当是残留在涂层中水的吸收峰，再烘烤后基本恢复成试验前。
综合涂层冲击和附着力性能变化、光泽和色差的恢复、红外光谱和SEM形貌分析，耐水试验并未对涂层造成不可恢复的损伤。耐水试验后，涂层有一定的吸附水，这些吸附水在200℃×10min烘烤下是可脱离涂层从而基本恢复涂层原有外观和性能。
4 结语
铝型材用粉末涂料，为提高耐水性，聚酯-TGIC固化体系是比较合适的选择。通过优选固化剂TGIC并适当提高树脂份，有助于保证涂层的耐水性。实验室条件下的耐水试验并未对涂层造成不可恢复的损伤，耐水试验导致的失光变色在一定条件下是可以恢复的。
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