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TGIC型与HAA型粉末涂层老化性能的对比研究
2019年03月27日    阅读量:3611    新闻来源:粉末登场  |  投稿

摘要:目前系统性对比研究TGIC与HAA两种户外型固化剂的涂层性能比较少,该研究采用水煮、烘烤、溶剂擦拭以及人工加速老化等方法对采用不同固化剂涂层进行实验,结果显示:分别采用TGIC与HAA固化同一聚酯时,聚酯-TGIC涂层比聚酯-HAA涂层具有更好的耐水煮性能以及高温烘烤下的耐黄变性能;聚酯-HAA涂层比聚酯-TGIC涂层具有更好的耐溶剂擦拭性能以及耐候性能。


热固性粉末涂料涂层作为一种高分子材料,其性能主要取决于所用基料树脂本身结构及聚集状态,而固化剂对其聚集状态起关键作用。


异氰脲酸三缩水甘油酯(TGIC)和羟烷基酰胺(HAA)是目前户外型热固性粉末涂料的两大主流固化剂,采用TGIC作为固化剂的粉末涂料涂层通常能够获得优良的光、热稳定性能、耐磨性能以及优异的耐候性能,因此自TGIC问世以来,一直备受青睐。


然而随着人们对生活的要求越来越高以及环保意识的增强,TGIC由于本身固有的毒性以及制造过程中对环境的损害,欧洲和澳洲在1998年就禁止使用TGIC,中国工信部也在2010年把TGIC列入淘汰产品目录;HAA作为TGIC最为理想的替代物,自研制成功以来在业内迅速得到发展,于2003年正式替代TGIC成为全球第一大耐候粉末涂料固化剂。


采用HAA作为固化剂的粉末涂料涂层除了在个别性能上不如TGIC型粉末涂料涂层外,综合性能不逊于TGIC型粉末涂料涂层。目前在国内,TGIC型粉末涂料还占据大部分份额,除了HAA存在个别弱点外,主要是由于大家对HAA型粉末涂料涂层性能了解程度不够,习惯地延用TGIC型粉末涂料,因此本文从户外型粉末涂料的老化性能出发,分别采用TGIC与HAA制备粉末涂层,对比研究了TGIC与HAA粉末涂层在老化性能方面各自具有的优势与劣势。


1、实验部分


1.1 实验原材料


超耐候型聚酯树脂(下文简称聚酯);固化剂TGIC;固化剂HAA;钛白粉;硫酸钡;流平剂;安息香;增光剂。


1.2 粉末涂层制备


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按表1的基本配方制备粉末涂料,工艺流程为:配料→预混→挤出→压片→粉碎→过筛→产品,将制备得到的粉末涂料用静电喷涂,然后分别在200℃/10min的条件下固化得到粉末涂层。

 

1.3 实验测试与条件


1.3.1 等温固化测试

采用差示扫描量热仪(DSC)对粉末涂料进行等温固化测试,测试条件为:N2作为保护气,流量50mL/min;升温速率300K/min,快速升温至200℃时,保持20min。


1.3.2 水煮测试

采用灭菌式高压锅进行水煮,水为去离子水,温度为120℃。水煮测试完毕后,擦干涂层表面水分并测试色差和光泽。


1.3.3 吸水率实验

利用涂层在吸水前后的质量差计算涂层的吸水率,真空干燥后涂层质量记为m1,浸水或水煮后用纸擦干涂层表面水分后质量记为m2,吸水率ω=[(m2-m1)/m1]×100%。


1.3.4 烘烤测试

采用鼓风式烘箱进行加热烘烤,烘烤时间均为2h。烘烤完毕后,测试涂层的色差和光泽。


1.3.5 溶剂擦拭测试

粉末涂料喷涂在铝基材上,200℃/10min进行固化,采用丁酮进行仪器擦拭实验,对试板负荷1000g,擦拭频率50次/min。对涂层擦拭至露底,记录擦拭次数,每个厚度涂层重复擦拭3次,三次擦拭结果取平均值。


1.3.6 人工加速老化测试

采用QUV-313进行人工加速老化试验,试验条件为:辐照度0.71W/m2,60℃光照4h,50℃冷凝4h。实验完毕后,测试涂层表面的色差和光泽。


1.3.7 涂层厚度测试

按GB/T 4957的规定进行。


1.3.8 涂层光泽测试

按GB/T 9754的规定进行,采用60°入射角测定。


1.3.9 涂层色差测试

按GB/T 11186.2、11186.3的规定进行。


2、结果与讨论


2.1 等温固化测试


图1为聚酯-TGIC与聚酯-HAA分别在200℃下进行等温固化的过程曲线。

             

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实验结果显示:聚酯-TGIC等温固化过程中到达最大反应速率时间为21s,聚酯-HAA到达最大反应速率时间为15s,也就意味着聚酯与TGIC反应速率更快,同时通过固化反应程度曲线(图2)可以看出,在600s时,聚酯与TGIC的反应程度为98.82%,而聚酯与HAA反应程度为94.60%。


在200℃下,相同时间内,聚酯与TGIC反应比聚酯与HAA反应速率更快,反应程度更高,这可能是由于聚酯里面含有可以加速聚酯与TGIC反应的固化促进剂,而该固化促进剂对聚酯与HAA反应无明显加速作用。总体看,在200℃/10min固化条件下,聚酯与TGIC和聚酯与HAA的反应程度相差不大,对涂层综合性能差异影响较小。

                       

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2.2 耐水性测试

     

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图3为聚酯-TGIC涂层与聚酯-HAA涂层在不同水煮时间下的色差和保光率变化。


从图3可以看出,随着水煮时间的增加,涂层的色差在增大,保光率在下降;同时也可以发现,聚酯-HAA的涂层色差和保光率变化比聚酯-TGIC涂层的幅度更大,特别是聚酯-HAA涂层的保光率出现急剧下降,随着水煮时间延长,聚酯-HAA涂层的表面出现严重失光甚至出现粉化现象,出现这种现象可能是由于聚酯-HAA涂层在120℃时自由体积更大,在水煮过程中水更容易渗透进入涂层内部与涂层发生反应。


此外,为了比较涂层与水之间的亲和关系,在不同条件下考察了涂层的吸水率。表2是涂层在室温条件以及120℃水煮2h后的吸水率,可以看出,在室温时,聚酯-TGIC涂层比聚酯-HAA涂层的吸水率略大,在120℃水煮2h后,聚酯-TGIC涂层与聚酯-HAA涂层的吸水率同比室温时情况均发生了较大的变化,在水煮后聚酯-HAA的吸水率出现急剧上升且吸水率远大于聚酯-TGIC涂层的吸水率。


造成不同条件下吸水率发生变化的因素可是由于涂层在室温条件下,涂层结构保持致密,水比较难吸附渗透至涂层内部,因此表现出涂层的吸水率都比较小,然而在120℃水煮条件下,涂层本身结构发生急剧变化,大量的水进入了涂层内部导致吸水率急剧上升。


对于聚合物,通常在玻璃化转变温度以下,其内部结构呈现为刚性的“孔穴”,在玻璃化转变温度以上,其内部结构呈现为柔性的“自由体积”,聚酯-TGIC涂层与聚酯-HAA涂层在120℃时的吸水率不同可能是由于聚酯-HAA涂层柔性大于聚酯-TGIC涂层,其在120℃时具有较大的自由体体积,使其可以包裹住更多的水。

 

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2.3 耐温性测试

     

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图4为聚酯-TGIC涂层与聚酯-HAA涂层在不同温度烘烤下的色差和保光率变化。可以看出,随着烘烤温度的增加,涂层的色差均出现变大,且聚酯-HAA涂层色差变化幅度远远超过聚酯-TGIC水平,主要由于HAA中本身及生产过程中具有容易变色的氮元素以及HAA生产过程中残留的含氮杂质,在高温情况下会发生一系列反应生成一些生色基团导致其变黄。


在烘烤过程中聚酯-TGIC涂层的保光率先保持不变,随后在250℃时保光率出现急剧下降,这主要涂层在250℃温度下出现了二次熔融现象,导致涂层板面出现严重橘皮;而聚酯-HAA涂层在该测试条件下保光率保持不变或轻微提升,主要是由于助剂在涂层表面出现再流平现象。


对比聚酯-TGIC与聚酯-HAA涂层在不同温度下实验,可以看出聚酯-TGIC的耐黄变性能远远优于聚酯-HAA,但在250℃时聚酯-TGIC涂层会出现二次熔融,严重破坏涂层的正常使用,因此在使用过程中聚酯-TGIC也应避免使用过高温度。

 

2.4 耐溶剂测试

  

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表3是聚酯-TGIC与聚酯-HAA涂层在不同厚度时溶剂擦拭的结果。可以看出,随着涂层厚度的增加,耐溶剂擦拭性能逐渐提升,同时对比聚酯-TGIC与聚酯-HAA涂层的耐溶剂擦拭性能时,可以看到聚酯-HAA的耐溶剂擦拭性能要优于聚酯-TGIC性能。通常交联密度越高,耐溶剂擦拭性能越好,造成聚酯-HAA耐擦拭性能优于聚酯-TGIC,可能是由于聚酯-HAA涂层内部的交联密度更高。


2.5 耐人工加速老化测试

                     

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图5是聚酯-TGIC与聚酯-HAA涂层在不同老化时间下的测试结果,可以看出,随着老化时间增长,聚酯-TGIC涂层的色差在逐渐增大,保光率在逐渐减小,聚酯-HAA涂层的色差也在逐渐增大,保光率在逐渐减小,同时也可以发现,在同一老化时间内,聚酯-HAA涂层的色差和保光率的变化幅度小于聚酯-TGIC涂层,即聚酯-HAA涂层的耐候性能优于聚酯-TGIC涂层。


3、结论


(1)分别采用TGIC与HAA固化同一聚酯时,聚酯与TGIC反应比聚酯与HAA反应速率更快。

(2)聚酯-TGIC涂层比聚酯-HAA涂层具有更好的耐水煮性能以及高温烘烤下的耐黄变性能。

(3)聚酯-HAA涂层比聚酯-TGIC涂层具有更好的耐溶剂擦拭性能以及耐候性能。


标签:工业涂料技术中心粉末涂料
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