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干货 | 自行车底涂用低温固化粉末涂料的研究

企业 2024-10-26 17:01 福建

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摘要：

本文根据“漆转粉”环保政策的大趋势出发，研究适合自行车底涂用的低温固化粉末涂料。

通过对成膜体系主体环氧树脂的研究、固化剂的研究、固化促进剂的优化用量和助剂的研究等配方优化过程，最终所制得的在130℃/20min条件完全固化的自行车底涂用低温固化粉末涂料。

其涂层具有优异的附着力和防腐蚀性能，同时又有高流平高光泽的外观，是一种环保节能的绿色涂料。

1 引言

自行车是轻工市场的主要产品之一，自行车涂料在整个涂料市场中贡献了不可忽视的市场份额。

目前世界自行车年产量约1.2亿辆，年贸易量约为7500万辆，我国自行车出口量占全球60%以上，国内消费量居世界第一。

据我国自行车协会统计，目前我国有各类规模自行车和零部件企业1000多家，电动自行车企业1000多家。

自行车相关企业主要分布于天津、江浙沪、广东三大沿海区域，由于这些沿海城市产业比较健全，上、下游产业比较集中，自行车产业聚集化程度比较高，相关的带动效应明显。

目前自行车行业涂装以溶剂型为主，主要有氨基醇酸烘漆、聚酯氨基烘漆和丙烯酸氨基烘漆等，自行车涂装具有颜色多、品种多、花色多、附加值低等特点。

而且随着市场需求，自行车涂膜质量要求也越来越高，不但要求外观光亮丰满，具有良好的机械性能，而且要求具有耐水、耐磨和室外耐久性，具有优良的保光、保色性。

溶剂型涂料经过几十年的发展，已完全适应了自行车涂装的要求，但溶剂型涂料施工时不低于600g/L的VOC含量，难以应对越来越严格的环保要求，所以自行车涂装若想生存，在技术上必须要做到减排环保。

随着共享单车的涌现，自行车回归城市，我国重回自行车大国地位。

传统的自行车涂装用油漆对环境污染和施工人员健康影响较大，随着近年来国家对环保的重视及对油漆涂料征收环保税等政策影响，用漆涂装切换成用环保的粉末涂料涂装成为大势所趋。

研制出适合自行车用的低温固化粉末涂料，取代传统的油漆，降低一般粉末涂料的的固化温度，具有重要的节能环保意义。

2 试验部分

2.1 配方原材料

所用原料及基础配比如下表1所示：

表1 共享单车底涂用粉末涂料基础配方

2.2 试验设备

试验设备：混料机、挤出机、粉碎机、静电喷枪、烘箱、盐雾试验箱、光泽仪、测厚仪。

2.3 试验方法

按配方组分称量原材料，称取好的原材料经混料机初步混合均匀，再用双螺杆挤出机熔融混合均匀挤出、压片冷却、破碎后高速粉碎机粉碎，过180目标准筛，获得粒径均匀的粉末涂料；

所制得的粉末涂料采用静电喷涂的方法喷涂与底材上，在自130℃/20min的条件下固化成型，然后取出自然冷却至室温，之后对涂层进行各项性能的测试。

表2 自行车底粉用粉末涂料的主要性能指标

3 实验结果与讨论

传统的自行车涂装工艺为工艺：喷底漆—喷色漆（或多层）—喷精油（透明漆）。

缺点：容易出现底漆喷薄，影响后续工艺；需要喷涂色漆或者多层色漆进行遮盖，成本增加。

自行车新的涂装工艺：喷底粉—喷色漆（或不喷）—喷精油（透明漆）解决了底漆喷薄的问题，底粉遮盖率好，可不喷色漆，节省成本，提高效率。

本项目研究产品主要是共享单车底涂用粉末涂料，底粉喷涂实现了低温固化，只需130℃/20min即可固化成型，可与色漆、透明漆完全匹配，不需调整现场炉道设置或新增炉道，提高了客户生产效率。

3.1 环氧树脂的选择

随着市场发展，自行车涂膜质量要求也越来越高，不但要求外观光亮丰满，具有良好的机械性能，而且要求具有耐水、耐磨和室外耐久性，具有优良的保光、保色性。

单一涂层很难完全满足这一要求，目前的技术条件下，自行车的涂层依然是复合涂层为主。底涂涂层需要具有优异的附着力、耐腐蚀性能、同时需要具有高光泽、高流平的特点。

综合考虑上述要求，我们选择以纯环氧体系作为成膜主体物来进行自行车底涂用粉末涂料的研究开发工作。

按结构来划分，环氧树脂可分为双酚A型环氧树脂、线型酚醛环氧树脂、邻甲酚醛环氧树脂、双酚F型环氧树脂、双酚S型环氧树脂、氢化双酚A型环氧树脂、有机硅改性环氧树脂七类。

按生产工艺来划分，环氧树脂可分为一步法和二步法环氧树脂。常用于制备粉末涂料的环氧树脂主要是双酚A型环氧树脂和线型酚醛环氧树脂。

对于聚合物来说往往是结构决定性能。双酚A型（BPA）环氧树脂其结构如图1所示，其主链上的醚键决定了其具有很强的耐腐蚀性能，双酚A型环氧树脂与端羧基聚酯交联固化反应性则由于其环氧基端基决定。

酚醛环氧树脂分子结构中既含有双酚A酚醛的结构成分，又有苯酚酚醛成分，存在多个环氧基团，具有交联密度高、涂层硬度高、耐磨性好等特点。

但其酚醛结构的引入使得涂层耐黄变性能变差，因此当其用于粉末涂料时需要考虑涂层的耐黄变因素。

图1 双酚A型环氧树脂结构图

本实验选用双酚A型环氧树脂进行研究，针对一步法和二步法生产工艺的双酚A型环氧树脂、不同环氧当量的双酚A型环氧树脂分别与特定的固化剂、助剂固化成膜制得涂层，并对涂层进行各项性能分析检验，其结果如下表3所示。

表3 几种环氧树脂的性能对比

由上表实验结果可以看出，同等条件下选用生产工艺为二步法的双酚A型环氧树脂制得的涂层其光泽和流平效果更好，同时其耐盐雾性能也较好。

故选用3#和4#环氧树脂进行下一步的研究试验，分别以环氧树脂A和环氧树脂B代号加以区分。

3.2 环氧固化剂的选择

环氧树脂的固化反应主要发生在环氧基上，由于环氧基醚键和苯环大π键的影响，电子云分布有较大的偏移产生偶极矩，如下图所示：

纯环氧体系粉末涂料能否实现低温固化关键在于固化剂的选择。环氧树脂的固化剂通常可以分为三大类：胺类、酸酐类（含端羧基的聚酯树脂）和酚醛树脂。

胺类固化剂以双氰胺为主，普通的双氰胺由于其熔点高（207~209℃），而本实验研究的目标固化条件为130℃/20min了，故不适合用于本实验的研究。

芳香烃改性的双氰胺可以有相对较低的熔点，反应速度较快，可以通过添加固化促进剂的方式验证是否可以实现130℃/20min固化。

酸酐类固化剂大多数会在制造过程中发生升华现象，有刺激性气味产生，以及存储稳定性差，因此本实验不选择此类固化剂来进行实验研究。

酚醛树脂与环氧树脂起固化反应主要通过酚羟基与环氧基的加成反应进行的，因此无挥发性物质产生。

酚醛树脂与环氧树脂一起生成的涂层具有优良耐腐蚀性能。综上理论的指导，本实验选用芳香烃取代加速双氰胺和酚醛树脂两类固化进行试验研究。其结果如下表：

表4 不同环氧固化剂的性能对比

固化促进剂一般的用量为环氧树脂的0.3%~0.5%，由上表实验结果可以看出选用加速双氰胺作为固化剂时，即使固化促进剂添加到1.0%，130℃/20min条件下涂层仍不能完全固化。

而选用酚类固化剂时，只需添加0.4%的固化促进剂作为引发剂，在130℃/20min条件可保证涂层完全固化。从存储稳定性实验结果来看，4#配方优于3#配方既环氧树脂B优于环氧树脂A，但仍然有提升改进的空间。

与此同时我们通过对3#和4#配方粉末涂料进行DSC固化行为分析，其结果如下图示：

从DSC分析实验结果来看4#配方的Tg高于3#配方，这也解释了4#配方存储稳定性优于3#配方的原因。

同时在同等温度条件下4#配方的固化转化率明显大于3#配方。综上所述，确定选用环氧树脂B与酚类固化剂作为自行车底涂用粉末涂料的成膜主体物。

3.3 固化促进剂的用量的影响

固化促进剂的作用是使固化温度下降和缩短固化时间，纯环氧体系的固化促进剂主要为咪唑及其盐类。常见的有以下三种。

表5 咪唑化合物的物理化学性能

以上三种固化促进剂的活化温度均比较低，添加到环氧配方体系中应用时难免会不同程度的影响到产品的存储稳定性。

我们选用熔点较高的2.4-二甲基咪唑进行试验，在保证产品实现低温固化的条件下优化其用量，以期能降低固化促进剂对产品的存储稳定性影响程度。

表6 固化促进剂用量对产品存储性能的影响

从实验结果来看同等条件下，随着固化促进剂用量增加，产品的存储稳定性下降，产品寿命衰减。

在保证产品实现低温固化的条件下，固化促进剂的用量宜为0.4%~0.5%之间。粉末涂料产品生产后存储温度不宜超过25℃，建议产品在6个月内使用。

3.4 抗结团助剂的影响

粉末涂料的平均粒度一般为30~50μm之间，粉体平均粒度越小、粒度分布越宽，其表面能越高、活性越强，越容易结团。为了提高产品的抗结团性能；

在产品生产过程中添加一定量的抗结团助剂来降低粉体的表面活性，有助于提高产品的存储稳定性和粉体的松散性，其使用量对粉体的松散性和抗结团性能有较大的影响。

表7 抗结团助剂对粉体存储的影响

从上述实验结果来看抗结团助剂的添加量在1.5‰~2.0‰时能显著的提高粉末涂料粉体的松散度，在一定程度上提高了粉体的抗结团性能。

3.5 产品性能检测结果

通过对成膜体系主体环氧树脂的研究、固化剂的选择、固化促进剂的优化用量和助剂的研究等配方优化过程，最终所制得的在130℃/20min条件完全固化的自行车底涂用低温固化粉末涂料其性能检测结果如下表8所示，各项主要关键性能满足检测标准要求。

表8 产品的主要性能检测结果

4、结束

通过对成膜体系主体环氧树脂的研究、固化剂的选择、固化促进剂的优化用量和助剂的研究等配方优化过程，最终制备出的自行车底涂用粉末涂料产品在130℃/20分钟实现完全交联固化，其涂层提供优异的附着力和防腐蚀性能。

可与色漆、透明漆完全匹配使用，提高了客户生产效率。与传统的自行车涂装工艺相比具有节能、环保的优势。

文章来源：粉末登场；梁泳田，辜正军，罗绵生，程雷广州擎天材料科技有限公司

图片来源：网络

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