文/王洋洋1，梁洪愿2，王硕1
1.河北中科同创科技发展有限公司；2.沈阳建筑大学
摘要：通过优选聚乙烯原料对配方进行改性，制备出高附着力聚乙烯粉末涂料。研究了不同原料及添加量对聚乙烯粉末涂料力学性能和涂膜性能的影响。研究结果表明，添加增黏树脂后，聚乙烯粉末涂料的附着力和流平性得到显著提高，同时，提高了粉末涂层的拉伸强度和断裂伸长率。当增黏树脂添加量为5%时，聚乙烯粉末涂料的各项性能指标均满足工程要求，且生产成本最优。
关键词：聚乙烯；粉末涂料；附着力；流平性；力学性能
Study on preparation and properties of high adhesion polyethylene powder coatings
WANG Yang-yang1, LIANG Hong-yuan2, WANG Shuo1
（1.Hebei Zhongke Tongchuang Technology Development Co., Ltd., Hengshui 053000, China;2.Shenyang Jianzhu University，Shenyang 110000, China）
Abstract:The high adhesion polyethylene powder coating was prepared by modifying the formula by selecting polyethylene raw material.The effects of different raw materials and additives on the mechanical properties and film properties of polyethylene powder coatings were studied.The results show that the adhesion and leveling property of PE powder coating are significantly improved by adding adhesive resin, and the tensile strength and elongation at break of PE powder coating are also improved.When the content of viscose resin is 5%, the performance indexes of PE powder coating meet the engineering requirements and the production cost is optimal.
Key words:polyethylene;powder coatings;adhesion;levelling property; mechanical property
0 前言
粉末涂料是一种不含有机溶剂，固体成分为100%的环保涂料，具有环保、安全、耐腐蚀、装饰性好等特征[1]，广泛应用于交通安全设施、城市道路、园林、运动场及各种建筑设施的金属涂塑隔离网和护栏等产品的表面涂装。聚乙烯粉末涂料使用的树脂是最常见的聚乙烯，以此为主体基料来成膜[2]。因原料便宜，耐化学腐蚀性、电绝缘性和耐低温性优良等特点[3,4]，在我国热塑性粉末涂料中占很大比重，应用广泛[5]。
目前，热镀锌+聚乙烯浸塑工艺极大地提高了防腐抗蚀能力[6-9]，同时提高了产品的使用寿命，美化了环境，是户外工程建设中最理想的环保防护产品。但由于聚乙烯本身属于非极性材料，且机械强度差，仍存在镀锌底材上涂膜的附着力差等问题。本研究针对不同型号聚乙烯材料特点，通过优选聚乙烯原料，同时引入增黏树脂进行改性，制备出高附着力聚乙烯粉末涂料产品，并对其力学性能和涂膜性能进行了研究。
1 实验部分
1.1 主要原料及仪器
聚乙烯PE-1（中石化）；聚乙烯PE-2（中石化）；聚乙烯PE-3（埃克森）；马来酸酐接枝聚乙烯MAH-g-PE（AT3159E日本三井）；增粘树脂（美国杜邦）；光稳定剂（UV531巴斯夫）；抗氧化剂（PKB-225北京加成助剂研究所）；流平剂（E-1038龙创微纳新材料有限公司）；色母（宁波色母粒股份有限公司）。
GZX-9140型鼓风干燥箱（上海博迅医疗生物仪器股份有限公司）；SHR-10型高速混料机（张家港市康盛精密机械厂）；SHJ-36型双螺杆挤出机（南京杰恩特机电有限公司）；LQ-25型切粒机（泰州市恒鑫机械制造有限公司）；LHD型磨粉机（潍坊正远粉体工程设备有限公司）；MFI 452型熔体流动速率测定仪（深圳万测实验设备有限公司）；ETM 104B型万能试验机（深圳万测实验设备有限公司）；VEGA3型扫描电子显微镜SEM（泰思肯（中国）有限公司）。
1.2 实验方法
粉末涂料的制备 采用熔融挤出混合法制备新型聚乙烯粉末涂料。
具体制备工艺流程 基料、助剂→预混合→熔融挤出→冷却造粒→磨粉→过筛→粉末产品。
涂层的制备 采用流化床浸涂方式在镀锌板表面制备新型聚乙烯粉末涂层。将镀锌板在烘箱中加热至250~280℃，再通过流化床进行浸塑新型聚乙烯粉末，利用工件余温或者烘箱保温进行涂层流平。
1.3 性能测试
熔体流动速率（MFR）测试 按GB/T3682-2018进行，测试温度为190℃，负载为2.16kg。
拉伸强度测试 按GB/T1040.3-2006进行，拉伸速率为100mm·min-1。
弯曲强度测试 按GB/T9341-2008进行。缺口冲击强度测试按GB/T 1043.1-2008进行，缺口角度45°，底部半径0.25mm，缺口剩余厚度为8mm。
聚乙烯粉末涂层附着力测试 按GB/T9286-2008进行。
2 结果与讨论
2.1 聚乙烯粉末配方优化
将聚乙烯粉末涂料的不同原料混合，兼具优异的机械性能与流动性能，制备出满足要求的高附着力聚乙烯粉末。聚乙烯粉末涂料主要原料性能，聚乙烯PE-1为低密度聚乙烯，熔体流动速率为2g/10min，拉伸强度11.3MPa，具有较低的熔体流动速率，强度较大，可作为平衡混合物流动性的材料；聚乙烯PE-2为低密度聚乙烯，熔体流动速率为50g/10min，拉伸强度8MPa，具有较高的熔体流动速率，强度较低，可作为提高混合物流动性的材料；聚乙烯PE-3为茂金属聚乙烯，熔体流动速率为15g/10min，拉伸强度16MPa，具有适中的熔体流动速率，强度大，韧性好，可作为提高混合物力学性能的材料，但价格较高。同时，为了提高聚乙烯粉末涂层与基材的结合力，在混合物中添加马来酸酐接枝聚乙烯/增黏树脂。设计了5种不同共混方案，见表1。
根据表1的共混方案，将原料进行混合、挤出粉碎制得聚乙烯粉末涂料，并参照国家标准对粉末涂料的熔体流动速率、拉伸性能、抗冲击性能、附着力进行检测，结果见表2。
由表2可见，粉末涂料随着PE-3加入量的减少拉伸强度和断裂伸长率随之降低，主要是因为茂金属聚乙烯PE-3具有较高的强度和韧性，与其他原料具有较高的相容性。方案1与方案3相比，强度和韧性方面有了明显的提高。但由于方案1和方案2未加入增黏树脂，聚乙烯粉末涂料与镀锌件的附着力仅能达到3级，不能满足工程需要。方案3与方案5同时加入马来酸酐接枝聚乙烯与增黏树脂，附着力达到0级，而方案4只添加增黏树脂，附着力达到2级，也不能满足需要，说明马来酸酐接枝聚乙烯与增黏树脂需要同时加入，才能起到增加附着力的效果，主要因为在共混马来酸酐接枝聚乙烯后，使聚乙烯末端具有马来酸酐的强极性基团，马来酸酐的极性基团具有可再反应性；增黏树脂流动性好，平铺性好，增大与基材的接触面积，依靠自身所具有的极性与基材之间性能分子间作用力，形成更多的物理黏结点，实现增大附着力的作用，马来酸酐接枝聚乙烯与增黏树脂二者表现为协同作用。对比方案2和方案5可看出，增黏树脂的加入在提高粉末涂料附着力的同时增加了粉末涂料的拉伸强度和断裂伸长率，但缺口冲击强度有所下降，因此，需要考虑其加入量。结果表明，方案5制备的聚乙烯粉末涂料具有较高的流动性，同时机械性能优异，可满足工程要求。
2.2 增黏树脂含量对聚乙烯粉末涂料性能的影响
2.2.1 对聚乙烯粉末涂料加工性能的影响
图1为聚乙烯粉末涂料的熔体流动速率随增黏树脂含量变化曲线。
由图1可见，随着增黏树脂含量增加，聚乙烯粉末涂料的熔体流动速率呈上升趋势。由于增黏树脂的熔体流动速率较高，与聚乙烯粉末涂料的其他原料共混，相容性较好，因此，随添加量的增加会增大材料的流平性，但熔体流动速率过高会导致聚乙烯涂层的厚度不达标，因此，增黏树脂的添加量为5%时，熔体流动速率适中，聚乙烯粉末涂料具有较好的加工性能。
2.2.2 对聚乙烯粉末涂料力学性能的影响
（1）拉伸强度
图2为聚乙烯粉末涂料的拉伸强度随增黏树脂含量变化曲线。
由图2可见，随着增黏树脂含量不断增加，聚乙烯粉末涂料的拉伸强度呈现先增大后减小的趋势，当增黏树脂含量为5%时，粉末涂料的拉伸强度为最大值。
（2）断裂伸长率
图3为聚乙烯粉末涂料的断裂伸长率随增黏树脂含量变化曲线。
由图3可见，随着增黏树脂含量不断增加，聚乙烯粉末涂料的断裂伸长率呈现先增大后减小的趋势，变化幅度不大，在一定范围内波动。当增黏树脂含量为5%时，粉末涂料的断裂伸长率达到最大值为630%。
（3）缺口冲击强度
图4为聚乙烯粉末涂料的缺口冲击强度随增黏树脂含量变化曲线。
由图4可见，添加增黏树脂后缺口冲击强度降低，随着含量不断增加，缺口冲击强度逐渐降低。由于增黏树脂具有橡胶的性能能够吸收更多能量，因此，可以增加涂层的韧性；但如果添加量过多，会影响其在粉末涂料中的分散性，会使分散性变差，容易产生缺陷，发生断裂。当增黏树脂含量超过5%时，粉末涂料的缺口冲击强度急剧下降，因此，增黏树脂的最佳添加量为5%。
2.2.3 对聚乙烯粉末涂料附着力性能的影响
图5为聚乙烯粉末涂料的附着力随增黏树脂含量变化曲线。
由图5可见，随着增黏树脂含量不断增加，聚乙烯粉末涂料的附着力不断增强。增黏树脂的含量增多，可形成更多的物理黏结点，同时，增黏树脂可与马来酸酐接枝聚乙烯反应，起到协同作用，达到增加附着力的目的。当增黏树脂含量为5%时，附着力达到最高级别0级，继续增加增黏树脂含量会增加原料成本，因此，增黏树脂的最佳添加量为5%。
2.2.4 对聚乙烯粉末涂料微观形貌的影响
图6为聚乙烯粉末的SEM图。
由图6a可见，不添加增黏树脂的聚乙烯粉末颗粒更小，更接近于圆形，粉末的流动性较好。由图6b,c,d可见，添加增黏树脂后聚乙烯粉末颗粒呈不规则形状，颗粒有“拖尾”现象，导致粉末的流动性变差。这是由于添加增黏树脂后，聚乙烯的黏度变大，同时，粉末极性变大，增大分子间作用力，导致聚乙烯粉末的流动性变差，不利于后续浸塑工艺的实施。因此，增黏树脂的最佳添加量为5%。
综上所述，随增黏树脂含量的增加，聚乙烯粉末涂料的熔体流动速率增强，附着力增强；但粉末流动性逐渐变差；力学性能在增黏树脂含量5%时达到最优，增加到7%时，各项力学性能急剧下降。因此，增黏树脂的最优添加量为5%，其中，拉伸强度达到13.4MPa，断裂伸长率达到630%，缺口冲击强度48.7MPa，附着力达到0级。
3 结论
茂金属聚乙烯PE-3的加入，显著增加了聚乙烯粉末涂料的力学性能，综合考虑生产成本及性能，PE-3的添加量为15%时可达到平衡点。
（1）对聚乙烯粉末涂料附着力的影响，增黏树脂和马来酸酐接枝聚乙烯协同作用，两者缺一不可。
（2）当添加量为5%时，聚乙烯粉末涂料的附着力达到0级，拉伸强度达到13.4MPa，断裂伸长率达到630%，缺口冲击强度48.7MPa，流动性较好，因此，增黏树脂的最优添加量为5%。
参考文献：
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本文转载自《化学工程师》2023年第4期
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