提高生产和工艺效率的光泽度控制粉末涂料树脂
作者：Cal EzeAgu，Americas PCR技术服务与研发经理，湛新美国公司, 乔治亚州，阿法乐特
自20世纪60年代在北美引入粉末涂料以来，它已成为一种受欢迎的符合环保要求的金属表面饰面的替代品。到2024年，全球粉末涂料市场预计将达到165.5亿美元。粉末涂料是我们日常使用的许多产品的装饰和防护性涂料，约占北美工业涂装市场总量的15%，估计价值超过17.9亿美元。粉末涂料生产商和终端用户偏好粉末涂料，主要因其具有优异的耐腐蚀性能和户外耐久性，可以满足日益增长的对高品质和高成膜性的需求。普遍认为，粉末涂料也易于实现各种颜色和质感的饰面效果。
在这些涂料体系的背后有多种树脂技术，它们的性能和特点各不相同。这些树脂类型有用于室内应用的环氧树脂、环氧-聚酯杂化树脂和环氧丙烯酸杂化树脂，用于户外应用的聚酯和丙烯酸树脂技术，用于特殊应用的丙烯酸技术等。具有酸官能度的聚酯可与三缩水甘油异氰脲酸酯（TGIC）或低羟烷基酰胺（HAA）交联，而具有羟基官能度的聚酯可与封闭或非封闭型异氰酸酯交联。聚酯树脂技术的发展业已成熟，且十分耐用。
用于室外持久应用的粉末涂料的消光仍是一个持续的挑战。在过去的几十年里，这一领域也见证了许多创新性的发展，人们用多种不同的技术来实现哑光效果，这些方法包括从聚酯聚氨酯和GMA丙烯酸酯，到两种聚酯树脂体系的干混等。还有一个最新的方法，它使用了两种具有高酸值和低酸值的羧基功能聚酯树脂来实现一次性的哑光技术。所有这些创新方法都有其自身的局限性，如生产效率和再生产问题、由于干混操作成本而增加的生产成本、使用了两种树脂体系、交叉污染、机械性能差、多次回收循环后的光泽稳定性、异氰酸酯的高成本、批次间的不一致、对工艺条件的敏感性，以及火花效应等等。
基于这些局限性，本文提出了一种使用HAA涂层的新技术，以实现单树脂体系的稳健生产和工艺效率。
对哑光饰面的需求
哑光粉末涂料由于其物理性能和美观性而得到广泛应用。它被用来掩盖表面缺陷，为消费品带来了相当大的附加价值。由于表面反光率低，因此看起来更加柔和、温暖、舒服，且易于修补。哑光粉末涂料应用非常广泛，如照明灯具、汽车饰件、草坪家具、建筑挤压型材、办公家具、军事应用、玻璃瓶和体育用品等。
市场分析表明，这些应用约占粉末涂料总使用量的25-30%，意味着全球约有50万公吨的使用量。对哑光饰面应用的关键要求，集中在户外耐久性、流平性和耐擦伤性等方面。同时，满足全球监管要求的职责也越来越大，这种必要性是推动粉末涂料未来朝着无TGIC、超耐用技术方向发展的关键。
新颖的单树脂一次性技术
新一代粉末涂料用新型光泽度控制室外聚酯树脂的设计，旨在提高生产效率和缩短工艺时间。该技术基于单树脂β-羟烷基酰胺固化聚酯树脂，可提供户外耐用性佳、可回收使用且无缺陷的低光泽粉末涂料。这种单树脂的创新方法带来了许多好处，例如消除了多个步骤，简化了涂料的制作过程（表1），缩短了批次时间，提高了工厂产能，并显著减少了库存和返工等。这种易用性为涂料生产商带来了成本效益，缩短了生产周期。
暗哑光（2-7单位光泽度），一次性HAA技术
这项新技术需要传统的加工工艺，以实现一致的和可重复的光泽范围。填料用量和成品粉末的粒度分布对光泽度没有明显的影响。聚酯树脂主链的创新工艺及其与β-羟烷基酰胺固化剂的相互作用，促进了消光性能的提高。该工艺可以使用单螺杆和双螺杆挤出机进行加工，尽管我们注意到双螺杆挤出机具有更高的分散效率和更好的光泽发展。表2显示了涂料的性能特征。
强大的技术
基于这一新技术的涂料无论挤出机设置如何，都能提供高度一致的光泽水平。当扭矩水平在低转速和高转速下变化时，光泽度非常稳定。同样，当扭矩水平固定且转速变化时，光泽度也非常稳定（图1）。
此外，当在180℃至220℃的温度范围内固化10分钟和20分钟时，光泽同样稳定（图2）。哑光饰面的常见问题之一是多次挤压后光泽度的变化（图3）。这项新技术在经过三次挤压后，在光泽度和性能方面表现出了更好的稳定性。
光泽度调整指南
该技术旨在实现低至2单位的光泽度。根据光泽度调整指南（图4），可以修改光泽度等级达到10个光泽度单位。我们建议使用新型树脂CRYLCOAT E 04884将调整限制在10%以下。我们的研究表明，10%的调整可以使光泽度提高4 GU。为了平衡体系的化学计量比，我们建议添加相应比例的固化剂。
储存稳定性
49天后，粉末在室温下的稳定性较好（图5）。在35℃的类似暴露条件下，特别是添加了占总配方0.2%至0.5%的微粉化聚乙烯蜡后，随着时间的推移，光泽度稳定。
耐候性
使用新型树脂CRYLCOAT E 04824进行的加速老化试验表明，与传统的一次性哑光超耐久体系相比，该涂层具有相同或更好的保光性（图6）。佛罗里达州三原色的自然老化数据仍在进行中，但来自母体化学成分的历史数据对新技术的预期老化性能具有很高的信心（图7）。
进一步发展
湛新会持续开发哑光饰面方面的树脂技术。我们相信，在该新技术的开发过程中获得的知识可以转移到其他难以实现的光泽范围的开发中，且会具有更好的流动性能。我们的目标是满足流动性等于或大于PCI标准7的平滑性。下一步重点开发的光泽度范围如下：
• 10-20单位: CRYLCOAT E 04814
• 20-30单位: CRYLCOAT E 04884
了解更多信息，请访问www.allnex.com。
参考资料
1. Powder coatings market size to reach $16.55 Billion by 2024, Grand View Research,2017-03-07 . {Online} Available:https://www.grandviewresearch.com/press-release/glo-bal-powder-coatings-market.
2. What is Powder Coating, Powder Coating Institute (PCI)2016.{Online}Available:https://www.powdercoat-ing.org/page/WhatIsPC.
3. Matting without mixing, European Coatings Journal12/2009. {Online} Available: www.european-coatings. com/con-tent/download/59461/669262/version/1/file.
4. Burnish Resistant, Ultra-Durable Matte Powder Coatings,Powder Coatings Institute (PCI), October 2, 2000. {Online} Avail-able:https://www.pcimag.com/articles/83052-burnish-resis-tant-ultra-durable-mattepowder-coatings.
本文收录在《PCI中文版》杂志2020年10月刊中
