环氧高Tg粉末涂料配方的研究

文/戴创波^1,2，高庆福^1,2，史中平^1,2，曹秋秋²，刘士润² ，辜正军^1,2

1.中国电器科学研究院股份有限公司；2 .擎天材料科技有限公司

摘要：阐述了玻璃化转变现象及其对涂料涂层性能的影响，据此研究环氧树脂及其固化剂、填料、助剂对于涂料玻璃化转变温度高低变化的影响，通过对比分析配方中各种原材料对于涂层玻璃化转变温度的影响，研制出一种环氧高Tg粉末涂料。

关键词：粉末涂料，环氧，玻璃化转变温度，涂层性能

Study on Formulation of Epoxy Powder Coatings with High Tg

Dai Chuangbo1,2, Gao Qingfu1,2, Shi Zhongping1,2, Cao Qiuqiu2, LiuShirun2, Gu Zhengjun1,2

(1. China National Electric Apparatus Research Institute Co., Ltd.,Guangzhou 510300, China; 2. Kinte Materials Science and Technology Co., Ltd.,Guangzhou 510300, China)

Abstract: The causes of glass transition phenomenon and its influence on the performance of coatings were described. The influence of epoxy resin,curing agent, filler and additives on the glass transition temperature of coatings was studied. By comparing and analyzing the influence of various raw materials in the formula and production process on the glass transition temperature of coatings, an epoxy powder coating with high Tg was developed.

Keywords：powder coatings；epoxy；glass transition temperature；coating properties 

0 引言

玻璃化转变是高聚物的一个极其重要的性质，影响着高聚物的各项性能。而粉末涂料作为高聚物中的一种，其玻璃化转变温度对其性能的影响也很大。粉末涂料的Tg有两种：Tg1与Tg2。Tg1为未固化前的粉末涂料Tg，影响粉末涂料的贮存稳定性。当Tg1过低时，粉末涂料的贮存稳定性将变差，可能会出现结团、涂料性能衰减等现象；当Tg1温度较高时，粉末涂料的贮存稳定性将更加优异，有利于长期贮存。而Tg2为粉末涂料的涂层Tg，对喷涂固化后的粉末涂层的综合性能（如铅笔硬度、耐温、耐水等）有着极大的影响^[1]。

本文旨在通过研究通用型环氧树脂及其固化剂、填料、助剂，进行实验对比，分析配方中各种原材料以及生产工艺对于涂层玻璃化转变温度的影响，研制出一种综合性能良好的环氧高Tg粉末涂料。

1 试验部分

1.1 主要设备和实验仪器

双螺杆挤出机；小型粉碎机；磨粉系统；静电喷枪；高温烘箱；冲击试验仪；DSC 差示扫描量热仪；烧杯、量杯、玻璃棒、胶头滴管等玻璃仪器。

1.2 原材料

通用型环氧树脂A、环氧树脂B、环氧树脂C、环氧树脂D：工业级，二步法；微粉化双氰胺：工业级；酚类固化剂：工业级；改性酚醛类固化剂：工业级；酸酐类固化剂：工业级；固化促进剂a：工业级；固化促进剂b：工业级；固化促进剂c：工业级；固化促进剂d：工业级；金红石型钛白粉：工业级；硫酸钡：工业级；硅微粉：工业级；云母粉：工业级；通用颜料：工业级；通用助剂：工业级。

1.3 粉末涂料及涂层制备

进行配方设计并按照配方（见表1）称取各原材料，用小型粉碎机充分预混合后倒入挤出机进料口，通过挤出机在特定温度下进行熔融挤出，挤出后的片料再经冷却、粉碎、过筛、静电喷涂、高温固化成膜，最后再对涂膜进行性能测试。

1.4 涂层性能检测

涂层性能检测及相关标准如表2所示。

2 结果与讨论

2.1 环氧树脂的选择

实验过程中采用环氧当量分别为400~450的环氧树脂A、600~650的环氧树脂B、800~950的环氧树脂C、1500~1800的环氧树脂D，以双氰胺为固化剂，促进剂a为固化促进剂，云母粉为填料，选用通用型助剂和颜料，对比了不同环氧当量的环氧树脂对涂层Tg以及其性能的影响。

通过分析表3数据可知，在选择的4种环氧树脂中，不同环氧当量的树脂所制成的粉末涂料的性能也有所差异，从整体试验数据来看，树脂A所制成的粉末涂料的综合性能最佳，在铅笔硬度、耐温试验、耐酸碱试验等各项性能方面表现都相当良好。而通过DSC差示扫描量热仪测试其Tg可知：环氧树脂A＞环氧树脂B＞环氧树脂C＞环氧树脂D。因此可知环氧当量越低的树脂制成的粉末涂料的涂层Tg越高，综合性能越好，即环氧当量与其所制得的涂层Tg成反比关系（如图1所示）。

2.2 固化剂的选择

目前粉末涂料行业中用于环氧体系的固化剂有双氰胺、咪唑类衍生物、酚类、改性酚醛和酸酐等几大类^[2-3]。在这里我们选用双氰胺、酚类固化剂、改性酚醛和酸酐这4种固化剂进行实验。以环氧树脂A作为树脂体系，选用通用型二氧化钛、流平剂、安息香、除气剂和颜料等，促进剂a为固化促进剂，对比了双氰胺、酚类固化剂、改性酚醛和酸酐这4种固化剂对于涂层Tg以及涂膜性能的影响，结果如表4所示。

通过以上对比分析可以看出，以微粉化双氰胺为固化体系的粉末涂料的综合性能最佳，其次为酸酐固化体系，然后才是改性酚醛树脂、酚类固化体系。因此这里固化剂我们选择微粉化双氰胺。

2.3 颜填料的选择

粉末涂料中常用的颜填料主要包括二氧化钛、硫酸钡、碳酸钙、硅微粉、云母粉等几大类。而颜填料对粉末涂料的涂层Tg基本无影响，故在这里选择性价比较高的云母粉。

2.4 固化促进剂的选择

实验过程中采用环氧当量分别为400~450的环氧树脂A以及微粉化双氰胺作为粉末涂料的成膜体系，云母粉为填料，分别以促进剂a、促进剂b、促进剂c、促进剂d为固化促进剂，对比这4种固化促进剂对涂层Tg及其综合性能的影响。结果如表5所示。

确定主体配方后通过对比变量的改变，来探究配方材料的最佳用量。这里由于环氧树脂与固化剂是按照环氧基团与氨基特定的比例组合的，填料对涂层Tg的影响不大，因此只能通过改变固化促进剂的用量来实现最优组合。如图2所示，通过探究各个固化剂用量与其涂层Tg关系，得到固化促进剂的最佳配比。

并且通过分析表5数据可知，在选择的4种固化促进剂中，促进剂a与促进剂d所制成的粉末涂料的综合性能最佳，在铅笔硬度、耐温试验、耐酸碱试验等各项性能方面表现都相当良好。而促进剂d的成本偏高，且通过DSC差示扫描量热仪测试其Tg可知，促进剂a固化促进的粉末涂料的Tg最高（见图2），因此选择性价比最佳的促进剂a作为固化促进剂。

2.5 性能比较

前面通过对环氧树脂、固化剂、填料以及固化促进剂做对比分析，最终确定了配方，可制作出环氧高Tg粉末涂料。与国内某领先型市售竞品相比，本研究粉末涂料的性能基本相近（见表6），整体技术性能在国内处于领先地位，前景可观。

3 产品的应用

Tg越高意味着粉末涂料的反应速度越快，且赋予涂层较高的铅笔硬度以及较好的耐温、耐酸碱等综合性能[4]。我司正在开发的流化床浸涂粉末涂料反应速度迅速，且对涂层的综合性能有较严苛的要求，因此理论上该高Tg粉末涂料可适用于流化床浸涂粉末涂料。通过反复试验，该高Tg粉末涂料完全可适用于流化床浸涂粉末涂料。以下为产品浸涂现场图片（见图3）。

4 结语

粉末涂料的涂层Tg与其原材料中的环氧树脂的环氧当量、固化剂种类、促进剂种类及其用量有关。以低环氧当量的环氧树脂/双氰胺固化体系为成膜体系，促进剂a为固化促进剂，云母粉为填料制备的粉末涂料的涂层Tg高达128℃，产品综合性能优异，且能满足流化床浸涂粉末涂料工艺及性能要求，拥有广阔的市场前景。

参考文献：

[1] 金顺玉,南仁植. 电磁线用静电粉末涂料的研究与应用[J]. 现代涂料与涂装,2009,(6).14-16.

[2] 胡百九,彭浩民,高庆福,等. 电磁线用纯环氧型绝缘粉末涂料的研制[J]. 涂料工业,2012,(10).53-57.

[3] 史中平,吴宗栓,高庆福, 等. 电感磁圈用绝缘粉末涂料的研制[J]. 涂层与防护,2020,41(4):18-23.

[4] 尹臣, 程里, 欧阳建群, 等. 绝缘性能优异的薄涂粉末涂料的研究及其在新能源汽车电池上的应用[J]. 涂料技术与文摘,2017,38(2):16-22.

文章发表于《涂层与防护》2022年3月第43卷第3期