中密度纤维板应用的超低温固化

作者 Cal EzeAgu，美洲区TS&D经理，湛新树脂公司PCR技术部门，佐治亚州，Alpharetta

粉末涂层技术在20世纪40年代和50年代被发明时，主要用于金属基材。大多数热固性粉末涂料通常于常规烘箱中以190-200°C（金属温度）的温度固化10至15分钟。这些温度范围被确定为足以在不降低配方产品完整性的情况下实现完全固化，因为产品需要完全固化以实现预期的性能效果（表1）。

随着粉末技术的不断成熟，进一步降低固化温度的需求变得更加重要。在过去的几年中，由于需要增加产量、降低能源成本，以及遵守环境和监管政策，以避免使用溶剂型涂料，让低温固化技术有了从中、快速到低温固化体系（表1）等各种发展。最近，我们看到了对热敏性和非金属基材（如木器和塑料）的超低温固化技术的强劲需求。

为何要使用超低烘烤粉末涂料？

根据Research and Markets公司进行的市场分析，2020年全球木器涂料树脂市场估计为39亿美元。预计到2027年将达到51亿美元。2017年，Irfab公司的另一项研究估计，全球家用厨房和办公室工业木器家具树脂在粉末涂料市场的使用量预计将达到4500万美元，约占北美和拉丁美洲总市场的40%，估计价值约为1800万美元。

涂层热敏基材的性能是超低固化和快速固化粉末涂料需求增加的原因之一。这一需求带来的好处包括：为工业木器提供了简化的工艺，为中密度纤维板和橱柜中复杂形状组件提供了设计的自由度，从溶剂型到更环保涂层的监管政策的改变，以及能够涂覆更薄的热敏金属板的能力等。

需要超低固化技术的另一个原因慢热组件固化的需求。大量的金属组件本质上加热缓慢，需要更长的时间来固化（图1），这一过程也会耗费时间和能量。降低固化温度意味着可以更快地对大量组件进行涂覆，从而提高产量和生产率，较低的固化温度还可以提高涂布的生产效率，并节能。

超低烘烤挑战

外观、施工性和固化周期是必须克服的三大主要障碍，以平衡低温和快速固化粉末涂料的理想性能和涂层性能。外观取决于配方产品整体的低粘度和高流动性。施工性主要用于衡量聚合物整体处理和配方粉末工艺指标，如储存稳定性、安全挤出、研磨和应用等。施工性还受聚合物的玻璃化转变温度的影响，玻璃化转变必须足够高，以确保稳定性。高反应性、快速固化和涂层外观（如桔皮）、较好的耐化学性和机械性能是另一些取决于固化周期的挑战性因素（图2）。

鉴于这些挑战，本文介绍了一种用于室内非金属应用方面的先进化学技术。

中密度纤维板涂层的先进化学技术

新的创新和性能导向技术旨在满足中密度纤维板涂料低温烘烤条件的微妙平衡。该技术基于非传统的聚酯混合技术，采用完整的粘合剂组合方法，以提供流动性、平滑性、优异的耐化学和耐沾污性、中密度纤维板和金属的附着力、易施工性和低温下的单层哑光效果等协同性能优势（图3和表2）。

该技术与传统粉末涂料的生产条件相兼容。虽然产品可以在常规烘箱中固化，但使用气体催化红外（IR）烘箱可获得最佳平滑度和哑光发展。该工艺不依赖加热的移动空气来提高部件温度，因此不会向基材增加大量能量。该技术能够在一次施工上形成高达125微米的干膜厚度，这不仅有利于遮盖MDF微纤维，而且还降低了在液体涂料中进行多次打磨的相关操作成本。新的创新与推荐的稳健工艺步骤相结合，将实现理想的饰面（表3）。

工艺与热固化

采用这种新工艺制备的涂料在催化气体红外烘箱下固化时，其质量得到了最大限度的提高。烘箱构造、预热和固化参考图4-7。

图8显示了达到完全固化所需的烘箱最低温度和时间。该技术设计用于承受各种工艺条件，并克服常见的漆膜缺陷，如与劣质的中密度纤维板相关的出气等。

表4显示了在平均温度125°C下固化5分钟（目标温度）处理各种中密度纤维板的工艺步骤。

涂层性能特征

表5总结了厨房和浴室柜应用的基本涂层性能的行业要求。本次评估中选择的中密度纤维板可以在线或现货供应。我们对不同形状的部件进行了评估，以验证其外观和性能的一致性。根据红外烘箱和涂敷零件吊架的配置，实现整个部件表面能量的均匀分布可能是一项挑战。在试验中使用不同轮廓的中密度纤维板，不仅保证了部件性能的一致性，而且验证了新技术的鲁棒性。高成膜性的目的旨在避免多涂层和打磨。

边缘开裂试验是由宜家建立的一项严格要求，用于确定中密度纤维板粉末涂层和木板开裂的可能性。在进行该试验时，新技术显示出了优异的性能，暴露48小时后未产生开裂，如图9所示。

由于该涂料适用于厨房和浴室化妆柜，因此该技术被设计用于承受某些物质和通常暴露于厨房和浴室的恶劣环境。根据表6和表7，由经认证的独立测试实验室按照ANSI/KC-MA A161.1-2017方法进行的耐沾污性和破坏性物理测试显示，24小时后涂层没有变色、污渍或变白。结果也符合ANSI/KCMA和SEFA 8-5版标准进行的破坏性物理试验的要求。

储存稳定性和处理

新技术未使用的粉末涂料配方的玻璃化转变温度（Tg）足够高，足以证明它未老化和产生过早固化，并确保在标准使用条件下具有良好的储存稳定性（图10）。对在35°C下暴露五天后的粉末涂料进行DSC热分析显示，与未暴露的样品相比，起始温度发生了1°C（图11）的变化。这一微小变化表明，在35°C条件下暴露五天后，几乎没有或未发生化学变化或任何处理问题。

60天后，在室温（20-22°C）下对该技术进行评估，以观察性能上的任何变化，如外观、光泽度、耐化学性和耐机械性等。观察发现，所有关键特性在60天后均未受到负面影响。

技术扩展

中密度纤维板厨房和浴室橱柜中的大多数应用都指定哑光饰面，因为它提供了物理和美学特性、温暖和柔软的外观、易于清洁，并使涂层表面不易暴露于阳光下。除了一次性哑光技术能够在120°C温度下在60°光泽度范围内达到10-20个单位的光泽度外，该技术还有其他光泽选择，可提供适用于马桶座圈和橱柜应用的高光泽度（HG）和哑光干混（MDB）低光泽度饰面。MDB方法使用传统的双组分涂料（组分A和组分B），以50:50的比例混合在一起，以获得哑光涂料成品。表9和表10显示了高光泽和MDB技术的参考配方。这两个姐妹产品也遵循相同的工艺参数，并提供与前面讨论的一次性哑光（OSM）技术类似的性能和处理特性。HG和MDB体系的典型涂层性能特征见表11。

总结

这项技术的有趣之处在于，它不仅对金属具有优异的附着力，而且能够在如此低的温度下实现哑光表面处理，而不会影响其优异的耐化学性、光滑度和生产效率。这一发展进一步推动了湛新公司作为超低烘烤粉末涂料创新领导者的战略地位，扩大了产品范围，拓宽了粉末涂料在塑料、玻璃纤维和板墙等热敏性基材领域的应用范围。

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本文收录在《PCI中文版》杂志2021年12月刊中