1.3.2 合成工艺
将配方量的EG、NPG、TMP、CHDM和FC4100投入反应釜中,加热至50~80℃,待醇完全融化后,开启搅拌机投入配方量的PTA,以一定升温速率缓慢升温至250℃,维持酸价至指定范围。
随后降温至220℃以下,投入配方量的IPA和ADA,升温至235℃并保温至反应物澄清,取样检测酸值达标后进入下一阶段。
将釜温维持在235℃左右,-0.09MPa以上真空缩聚1.5h,测定酸值及黏度达标后降温至185℃以下,投入助剂,维持0.5h后出料。
1.4 聚酯树脂理化性能分析
聚酯树脂的酸值按GB/T6743—2008进行检测,黏度按照GB/T9751.1—2008进行检测,玻璃化温度按照GB/T19466.2—2004进行检测,附着力按GB/T9286—1998进行检测,耐沸水性按照GB/T1733—1993进行检测。
1.5 粉末涂料的制备
将合成的聚酯树脂、固化剂、流平剂、安息香等按配方量比例混合均匀,通过挤出机挤出、压片,冷却后破碎、过筛,制备成粉末涂料。
利用静电喷涂的方式喷涂于处理后的样板上,随后置入高温烘箱中180℃固化15min(消光15min×190℃),冷却。粉末涂料基本配方见表2,消光配方见表3。
2 结果与讨论
2.1 聚酯树脂配方设计
偏苯三酸酐赋予树脂较高的官能度和交联密度,同时在冲击方面也具有优良表现。在放弃使用偏苯三酸酐的前提下要保证聚酯树脂各项性能维持稳定,合理设计聚酯树脂配方尤为重要。
采用不同的合成单体及不同的原料配比,均会对树脂的各项性能产生不同影响。
芳香族酸有利于提高聚酯的玻璃化温度(Tg),对苯二甲酸(PTA)与间苯二甲酸(IPA)是最主要的酸类合成单体。
为提高聚酯树脂的玻璃化温度,本实验通过提高原料中对苯二甲酸的用量,考察聚酯树脂黏度及玻璃化温度的变化。选用几个不同的PTA加量进行实验,聚酯树脂的Tg及黏度变化见表4,趋势图见图1。
图1显示,聚酯树脂的黏度及玻璃化温度随着PTA用量的增加而增大,PTA用量在59%时树脂的玻璃化温度超过60℃,若继续增大PTA用量,聚酯树脂的一阶段反应达到透明时间过长,影响反应进程。
三羟甲基丙烷(TMP)是三羟基三元醇,三官能团能明显提高聚酯树脂的支化度、黏度和Tg。增加三羟甲基丙烷的用量会提高涂膜的交联密度,使树脂表现出较好的反应活性。
在本次聚酯树脂合成过程中,三羟甲基丙烷对黏度改变最为明显,过高的配量会明显降低板面的流平性能,同时会增加工艺过程的控制难度。TMP用量对聚酯树脂性能的影响情况见表5。
由表5可知,随着TMP用量的增加,聚酯树脂的玻璃化温度有所提升,当添加量在0.3%~0.5%时趋于平稳,后续TMP添加量的提升对Tg温度的影响不大;
聚酯树脂的黏度随TMP用量的增加而迅速增大,而胶化时间明显缩短,表现出样板表面橘皮严重、流平差等现象。
当添加量到达0.5%时,样板的冲击及弯折性能下降,可能是过高的配量使涂层表面过硬,从而降低涂层的柔韧性,引起了机械性能的下滑。
在聚酯树脂中添加固化促进剂是为了催化羧基与环氧基的开环反应,降低反应活化能,其用量直接决定了固化反应的活性。固化促进剂用量对聚酯树脂性能的影响情况见表6。
由表6可知,随着固化促进剂用量的提高,粉末涂料胶化时间明显缩短,在0.8%添加量时样板的流平和冲击达到较高水平,继续增加固化促进剂用量样板流平性下降,出现橘皮现象。
2.2 成膜物质含量对样板性能的影响
在热固性粉末涂料中,热固性树脂必须与固化剂化学反应以后才能成膜,固化剂在热固性粉末涂料中是不可缺少的成分。
在混合型粉末涂料中聚酯树脂和环氧树脂互为固化剂共同成膜,而成膜物质的含量在一定程度上会影响样板的性能。成膜物质含量对样板性能影响情况见表7。
成膜物质含量影响样板涂层交联密度,进而会影响样板的光泽、流平、冲击、弯折、耐黄变等性能。
表7显示成膜物质含量在62.8%和60%时样板光泽相近,下调至55%时光泽略微下降;各不同成膜物质配方样板冲击性能均良好,弯折性能在62.8%时最佳。
随着成膜物质含量下降,成膜物对颜填料的润湿包覆程度下滑,表现为样板流平性能降低;
但样板的耐黄变性能变好,这可能是因为成膜物质在高温下容易发生氧化或者分解,而无机颜填料的耐温性好于有机成膜物,在高温下不容易发生氧化分解,这就导致了越高的成膜物质含量,高温下样板黄变现象越明显。
2.3 与部分自产树脂高光样板性能比对
将本研究的聚酯树脂A与公司70/30树脂B以及60/40树脂C进行对比,考察3种树脂在各项性能上的差异,其中树脂B与树脂C均含有TMA。
固化度能够反映固化交联的程度,不同的固化条件,粉末涂料的固化程度均不同,一般而言涂层的固化程度越高,其性能越好。
运用DSC技术可对固化度进行测定,因为固化反应一般都是放热反应,放热的多少与树脂官能度的类型、参加反应的官能团的数量、固化剂的种类及其用量等有关。对于一个配方确定的树脂体系,固化反应热是一定的,固化度α可用式(1)计算:
式中,ΔH0为完全固化总热量(J/g);ΔHR为固化后剩余反应热(J/g);ΔH0和ΔHR可由DSC测出。3种树脂涂层的主要性能列示于表8。
聚酯树脂合成原料中TMA是重要的活性单体,会提高聚酯树脂的反应活性。从表8可以看出树脂A、B、C活性依次增大,树脂C中TMA含量最高,其粉末涂料的胶化时间最短,表现出较高的反应活性。
涂层的水煮保光率随着TMA含量的增大而增大,3种树脂在附着力、冲击和弯折性能上均表现出良好水平。
由于树脂A和C合成配方中含有较多的直链醇和直链酸,高温下其固化产物链段的空间位阻较小,使其容易流动和包覆,表现出良好的流平性能。
在15min×180℃固化条件下,树脂A、B、C固化度分别为78%、83%和91%,树脂A和树脂B的固化度小于85%存在固化不足的现象,这直接导致了其耐水煮性能较60/40树脂差。
2.4 聚酯树脂消光性能比对
户内消光粉末涂料主要应用在室内场合,其对涂层的耐候性要求不高,本研究考察树脂A与同类产品树脂B在消光方面部分性能的差异,测试结果见表9。
聚酯树脂的消光性能除了与自身聚酯特性息息相关外,同样与粉末涂料的配方设计密不可分,颜填料的选择以及与消光剂的匹配程度都会影响最终的板面效果。
本研究选取了一组消光配方进行对比研究,表9显示该配方下两种聚酯树脂的各项性能差异不大,样板光泽低至5°左右但流平不够细腻;
树脂A的胶化时间较长,其原因可能是树脂A原料中不含TMA同时固化促进剂添加量少,其反应活性偏弱,导致胶化时间偏长;两种树脂的机械性能表现不足,弯折后出现较多裂纹。
由于成膜物质含量较低,固化后交联密度下降,同时对颜填料的包覆程度降低,表现出样板各项性能有不同程度的下滑。聚酯树脂的消光性能对应于不同消光体系会表现出不同的板面效果,其考察过程较为复杂,有待进一步研究。
3 结语
本研究综合考察了PTA、TMP及固化促进剂对聚酯树脂性能上的影响。合成了一种不含TMA、Tg在60℃左右的混合型粉末涂料用聚酯树脂。
该聚酯树脂制备的粉末涂料,其成膜物质在62.8%左右,粉末涂层具有良好的流平和机械性能。
通过与部分自产树脂性能对比,发现原料TMA对粉末涂料固化活性及耐水煮性能产生较大影响,而在消光性能方面,该树脂与同类含TMA的树脂性能差异不大。
在粉末涂料领域,该聚酯树脂的环保及高Tg的特性,符合时代要求必将有广阔的市场应用前景。