文 / 杨金珠 刘际平 林琳艺 ( 福建万安实业集团有限公司 )
摘要：本文探究了建筑型材用超高硬度粉末涂料配方中聚酯树脂的选择、填料类型及助剂类型的选择对涂层硬度的影响，获得了该涂料的优选配方，并对优选配方进行测试。结果显示涂层具有优异的硬度。本研究得到适用于建筑型材涂装的粉末涂料，且各性能指标均达到建筑型材相关国家标准的要求。
关键词：超高硬度粉末涂料 聚酯树脂
0、引言
金属型材广泛应用于建筑行业，尤其是粉末涂料喷涂的建材对环境污染小、能耗低且色彩丰富、品种多样，越来越受消费者的青睐。目前静电粉末喷涂已成为国内建材表面涂装中的热点，使粉末涂装的型材具有更大的发展空间。但用普通粉末涂料喷涂的型材在搬运、组装及其所使用的环境导致其表面极易被刮花、碰伤，而超高硬度粉末涂料能很好地解决这个问题。因此很有必要研究出一种具有高硬度、不易划伤、耐磨等功能的粉末涂料来适应建筑型材市场的发展需求。
1、实验部分
1.1 实验仪器
静电喷枪、电热恒温鼓风干燥箱、涂层测厚仪、铅笔硬度计、漆膜冲击器、光泽仪、挤出机、磨粉机。
1.2 粉末涂料的制备
按表1、表2、表3、表4涂料配方制备粉末涂料，工艺流程为：配料，预混，挤出，压片，粉碎，过筛。再通过静电喷枪喷涂，高温固化得到测试样板，样板膜厚为60～80 μm。
1.3 性能测试与表征
(1)涂层硬度：按照GB/T 6739—2006《涂膜硬度铅笔测定法》测定涂膜硬度(9B最软，9H最硬)。
(2)光泽：按照GB/T 9754—2007《色漆和清漆不含金属颜料的色漆漆膜之20°、60°、85°镜面光泽的测定》，使用60°光泽度仪测定。
(3)涂层耐冲击性：按照GB/T 1732—2020《漆膜耐冲击测定法》测定耐冲击。
2、建筑型材用超高硬度粉末涂料配方设计与探讨
2.1 基料树脂的选择
聚氨酯粉末涂料固化成膜的主要化学反应是由羟基树脂的羟基(—OH)和封闭性多异氰酸酯基(—NCO)之间的反应，同其他体系相比，聚氨酯粉末具有涂膜流平好、交联密度大、硬度高、优良的耐候性、耐化学性和溶剂性等许多优良的性能，能很好地满足建筑型材要求。因此，我们选择羟基树脂及其固化剂作为高硬度粉末涂料的基料。目前羟基树脂大概分为三大类，即低羟值树脂(一般羟值在30 mgKOH/g~50 mgKOH/g之间)、中羟值树脂(一般羟值在90 mgKOH/g~110 mgKOH/g之间)和高羟值树脂(一般羟值在270 mgKOH/g～330 mgKOH/g之间)。所以需要先研究不同羟值树脂对涂膜的影响。
羟基树脂的羟基和封闭性多异氰酸酯基的反应方程式从表1可知，羟基树脂的羟值大小对涂膜的影响很大，整体上流平都很好，但随着羟值的增大，硬度越来越高，其机械性能越来越差。配方1#低羟值树脂机械性能好，但硬度只有H，后续实验就不考虑低羟值树脂。配方2#硬度2H机械性能好，配方3#硬度3H但机械性能差。对比配方2#和配方3#，将中羟树脂和高羟树脂按不同比例搭配使用，研究其对涂膜的影响。从表2可知配方4#、配方5#、配方6#涂膜硬度都能达到3H，但配方4#机械性能差，配方5#成本高，所以选定配方6#为基础配方，然后通过加填料和助剂来进一步提高涂膜的硬度。
2.2 填料类型的选择
涂层的硬度与主要成膜物质、颜填料有关，当主要成膜物质(基础配方)一定时，颜填料对涂膜硬度起决定性作用。不同类型的填料其结构和物性也不同，所以它们对涂料的性能的影响差别也很大。随着填料加工、合成与应用技术的进步，诞生各种功能性填料。高硬度填料在粉末涂料固化成膜时，有助于提高涂膜的硬度、耐磨性以及抗刮擦性。在粉末涂料固化成膜过程中，增硬填料在助剂的作用下迁移到粉末涂膜的表面，同时发生固化，而后微粒的一端处于表面，另一端与成膜物质树脂、颜料相容成膜。当高硬度的铅笔划过涂膜，涂膜表面有更多平铺的增硬填料能够更有力地抵抗铅笔划破。目前市面上增硬填料品种繁多，我们通过筛选对比不同厂家、不同类型的增硬填料，最终选定一种适合粉末涂料用的复合无机增硬填料，并对其在粉末涂料中的应用进行探索研究，其试验如表3。
从表3可知，在粉末涂料配方中加入复合无机增硬填料可以大大地提高涂膜的硬度，随着填料的增大，涂膜光泽逐渐降低，硬度也逐渐增大，当达到一定量时会影响涂膜的外观流平和机械性能。如配方9#增加复合无机增硬填料的添加量，涂膜铅笔硬度有9H，但涂膜表面有橘皮，冲击开裂不通过；而且复合无机增硬填料其莫氏硬度大，加量太大对于粉末涂料挤出机、磨粉机等加工设备的磨损是不容忽视的。因此我们对配方8#通过添加助剂的途径来进一步改善提高涂膜的铅笔硬度。
从表4可知添加用聚酯改性的硅氧烷助剂不会影响涂膜的外观、光泽，但会影响涂膜的硬度。添加量直接影响涂膜硬度，配方10#加约3‰(质量千分比)量小，涂膜滑爽性不够，不能提高涂膜硬度；配方11#加约8‰(质量千分比)大
大改善涂膜的滑爽性，用9H铅笔测试，涂膜没被划破；配方12#加约1.5%(质量百分比)加量大，降低涂膜硬度。
3、结语
1.综上所述，由羟基树脂配合异氰酸酯固化剂、复合无机增硬填料、改性硅氧烷助剂等制备的超高硬度粉末涂料其最高硬度可以达到铅笔硬度9H，而且机械性能达到相关的国家标准要求。
2.复合无机增硬填料能有效地提高涂膜硬度，但加量不宜太大，否则会影响涂膜表面流平。
3.对比配方6#、7#、8#、9#，没加复合无机增硬填料涂膜光泽80%、铅笔硬度3H，添加复合无机增硬填料铅笔硬度大大提高，光泽却下降很多。
4.对比无光、高光、亚光系列涂膜在外观、铅笔硬度和机械性能等方面有更好的表现。
5.现有的技术水平，要制备高硬度高光泽的粉末涂料有一定的难度，这也是粉末涂料科研工作者研究的方向。
参考文献：
[1] 南仁植，粉末涂料与涂装技术第三版[M]，北京，化学工业出版社，2014(7)：42-43.
[2] 赵承章，鲁孔瑜，粉末涂料中填料的作用与影响[C]，上海，中国化工学会涂料学会，2003:11.
[3] 冯素兰，张昱斐，粉末涂料[M]，北京，化工工业出版社，2004:1-64.
来源：《中国粉末涂料与涂装》2023年第1期
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