2·聚氨酯粉末涂料的分類和結構特點

　　2.1分類

　　聚氨酯是聚氨基甲酸酯的簡稱，由多異氰酸酯和多元醇(包括含羥基的低聚物)反應生成。聚氨酯粉末涂料主要由固化劑、封閉劑和多元醇樹脂組成，其中固化劑多采用內封閉型多異氰酸酯，而多元醇樹脂絕大多數選用聚酯樹脂。聚氨酯粉末涂料是由粉末聚氨酯樹脂、固化劑(含羥基等官能團的聚合物)、顏料、填料以及助劑等組成彩色粉狀混合物，其平均粒徑為40～60μm。通常是將各物料高速混合后，于100～120℃擠出、冷卻、粉碎、篩分而制得。聚氨酯粉末涂料有封閉性聚氨酯粉末涂料(聚酯-氨基甲酸酯型粉末涂料、丙烯酸-氨基甲酸酯粉末涂料)和紫外光固化粉末涂料。常見的聚氨酯粉末涂料有如下三大系列。
 

　　2.1.1封閉型聚氨酯粉末涂料系列

　　這類粉末涂料的配制和應用原理與封閉型聚氨酯涂料相同，常用適當的封閉劑和二異氰酸酯及其加成物或預聚體進行反應，進而形成不含NCO基的封閉型聚氨酯，在制粉工藝的溫度(100～120℃)下是穩定的，可與含活性氫的固化劑、顏料及助劑一起制粉。當溫度高于130℃時，這種封閉型聚氨酯會解封，而解封后的NCO基會立即和固化劑反應，形成穩定性更高的聚氨酯涂層。使用被封閉的IPDI或HDI縮二脲，可制得耐候性很好的高裝飾性粉末涂料。甲苯二異氰酸酯及其加成物的價格較低，因此也常采用。為了提高其耐熱性和改善其耐候性，常將TDI三聚后再封閉，以保證利用活性較大的對位NCO來進行固化成膜。三聚后的叔氮原子被異氰脲酸酯環所穩定，不易受紫外光的作用重排成醌式助色基團，因此聚氨酯粉末涂層的耐候性得以改善。

　　2.1.2帶羧基、羥基、環氧基、氨基的聚氨酯粉末涂料系列

　　封閉型聚氨酯粉末涂料在固化時有封閉劑釋放出來，往往會污染大氣和有損涂膜外觀。

　　為克服其缺陷，選用合適的原料，采用分步反應的方法，制備含有大量氨基甲酸酯鍵產帶有羧基(COOH)、羥基(OH)、環氧基及氨基(NH2)的各類聚氨酯樹脂，然后以含有環氧基的環氧樹脂、異氰脲酸三縮水甘油酯、聚丙烯酸環氧酯、環氧聚氨酯、含羧基酸酐、羧基型聚酯樹脂、羧基型丙烯酸酯、含羥基的脲醛樹脂、聚酯樹脂、N-酰基酰亞胺樹脂以及N-酰基內酰胺樹脂為固化劑，視聚氨酯樹脂上所帶官能基的不同選擇合適的固化劑品種。采用此法制備聚氨酯粉末涂料時，因可供選擇的原料品種很多，配方挑選余地大，故可按不同的使用要求進行配方設計，以制備出具有各種優異性能的一系列聚氨酯粉末涂料。

　　2.1.3含NCO基的聚氨酯粉末涂料

　　該涂料制備原理是環氧傾倒物中的環氧基，在高溫下并有堿性催化劑的作用下開環，立即與含NCO基的聚氨酯樹脂形成二噁唑酮環而制成的：以含有NCO基的聚氨基樹脂和作固化劑的特制環氧化合物及其催化劑、顏料、助劑等，按常規制法即可得到含NCO基的聚氨酯粉末涂料。其關鍵是特制環氧傾倒物及其催化劑的制備與選擇，要求它在制粉的擠出溫度下不開環，只在固化溫度下開環并聯成膜。這類聚氨酯粉末涂料不僅流平性好，涂膜光亮平整，而且耐高溫性能、各項物理機械性能和耐候性優異。在制造過程中，因使用了含NCO基的聚氨酯樹脂，所以應盡量避免與濕氣接觸，通常采用密閉式聯動流水線生產。

　　2.2結構特點

　　粉末涂料具有如下特點：涂膜的耐候性好，適用于戶外用產品的涂裝;涂膜的耐熱性好，在烘烤固化時涂膜不易泛黃;涂膜耐沖擊強度、柔韌性、硬度等物理性能優異，耐化學藥品和耐水等性能良好;涂料的涂裝性能好，可以用空氣噴涂法和靜電粉末涂裝法等方法涂裝;固化聚酯粉末涂料烘烤固化過程中，基本不產生反應副產物，涂膜不易產生縮孔、針孔等弊病。同時，粉末涂料的利用率接近100%，噴涂后的粉末可以回收利用;通常比液體涂料較易施工，形成的涂膜耐久性好，產品上風明顯。和其它類型的粉末涂料相比，聚氨酯粉末涂料具有以下特點：熔融流平時，熔融黏度低，特別是封閉劑在解封之前不起任何化學反應，使粉末涂料有足夠的流平時間，涂膜流平性好。新的內封閉型脲二酮固化劑技術的實現，使得這種粉末涂料對空氣的污染幾乎為零;對被涂物的附著力好，不需要底涂;涂料的配制范圍寬，可配制不同性能要求和固化速度的涂料;涂膜的物理力學性能和耐化學品性能好。但是聚氨酯粉末涂料烘烤時，會釋放出封閉劑，產生異味。

　　作為一種主要耐候性粉末涂料的產品，聚氨酯粉末涂料具有常規通用粉末涂料的通性之外，還具有以下特點優勢：在擠出過程中不會有反應發生;粉末涂料熔融流平時熔融粘度低，涂膜流平性好。在一般固化溫度(140～200℃)下具有較低的熔融黏度，以便獲得良好的潤濕性和流平性;特別是封閉劑解封之前不起化學反應，使涂料具有足夠的流平時間，容易得到平整的光滑涂膜。樹脂不含有相對分子質量太高的聚合物，使得樹脂的軟化點和熔融溫度接近，從而使固化時的反應速率相匹配;有良好的力學性能和耐磨性;有良好的物理儲存穩定性;有良好的耐化學腐蝕性;涂料成膜后的物理機械性能和耐化學藥品性能優良;耐候性優異，適于戶內防腐使用，脂肪族聚氨酯耐候性好，適于室外高裝飾使用。對被涂物附著力好，一般不需要涂底漆;涂料配制范圍比純聚氨酯粉末寬;涂料的施工性好，主要以靜電粉末噴涂法施工。正是由于聚氨酯粉末涂料兼具優異的裝飾性和耐候性，因此在家用電器、電氣設備、空調設備、道路柵欄、鋁型材、裝飾材料及汽車零件等方面得到廣泛應用。目前這類粉末涂料統治著美國和日本的粉末市場，其產量已超過混合型粉末涂料。聚氨酯粉末涂料除具有常規粉末涂料的特性之外，還具有優良的物理機械性能和防腐蝕性能，涂膜具有光亮豐滿、耐磨、耐劃傷、耐溶劑等特點，其流平性和附著性也很好。如果采用脂肪族二異氰酸酯(HDI、IPDI)制備聚酯粉末涂料，還具有極好的耐候性，保色保光性和高裝飾性。聚氨酯粉末涂料由于其優異的性能和可實現較低溫度固化，近年來研究及應用非常活躍，可以預計聚氨酯粉末涂料將在高裝飾性要求的領域得到廣泛的應用，包括汽車、機械、儀器儀表及建筑業。

　　3·聚氨酯粉末涂料的品種開發及制備

　　聚氨酯涂料中并不一定要有聚氨酯樹脂存在，聚氨酯粉末涂料就是由羥基樹脂和封閉型多異氰酸酯為原料制成的，二異氰酸酯在常溫下大部分是具有揮發性的有毒液體，與羥基聚酯樹脂有很高的反應活性。為降低其揮發性及毒性，并制造成固體以便于使用，人們通常用二元醇或三元醇與之反應。聚氨酯涂料中存在的大量氨酯鍵能形成大分子間的氫鍵，氨酯鍵不易與酸、堿、油反應，氫鍵可以緩解外力作用，所以聚氨酯涂層的化學穩定性好，機械性能優異。涂層未達到解封閉溫度前因沒有交聯反應發生，所以熔融黏度不會增加，涂層有足夠的流平時間實現良好的涂層外觀。另外解封閉前不發生反應，就大大減少了擠出加工過程中膠化的可能性，使生產工藝容易控制。

　　聚氨酯粉末涂料的性能基本是由基料決定的，作為聚氨酯涂料基料的含羥基聚酯主要有PG333羥基聚酯樹脂等。有人將基料與固化劑配合，加入流平劑、安息香、鈦白粉、助劑按配方制備聚氨酯粉末涂料。封閉型聚氨酯體系又可分為封閉多異氰酸酯及封閉預聚物。其原理是利用某些化合物與多異氰酸酯反應生成的氨酯鍵在加工溫度下是穩定的，足以保證不會與含活性氫的化合物發生反應。但這種氨酯鍵的熱穩定性是有限的，當溫度高于130℃時，解封閉釋放出—NCO基團，迅速與化合物中的活性氫反應生成熱穩定性高的聚氨酯鍵。這種只能形成有限熱穩定性的含活性氫的物質，通常叫作封閉劑。

　　常用的多異氰酸酯是異佛爾酮二異氰酸酯，其他脂肪族、芳香族二異氰酸酯也能采用。為了獲得耐候性好、耐熱性高的產品，可將甲苯二異氰酸酯先進行三聚反應，然后再封閉，最好是先封閉后三聚，以便保證固化時釋放出反應活性比較高的對位—NCO基團。三聚后形成的叔氮原子被三聚異氰酸環所穩定，受紫外光作用不會分解，即使在仲氮原子處分解生成芳香胺，由于叔氮原子的阻止也不會氧化重排生成醌式助色團，因此具有較好的耐候性。

　　為了調節產品的性能，也可采用普通方法將二異氰酸酯與多元醇首先制成預聚物，然后再進行封閉反應。能與封閉型聚氨酯進行交聯反應的固化劑，通常是帶羥基的各種高分子化合物，如聚酯樹脂、環氧樹脂、丙烯酸樹脂、聚乙烯醇及其衍生物。

　　聚氨酯粉末涂料體系在固化過程中揮發出的封閉劑對大氣造成了嚴重的污染，并且易引起涂膜的外觀變差。因此，人們開發出帶有其他官能基的聚氨酯粉末涂料體系。這類聚氨酯樹脂可以在很廣的范圍內選擇原料，并根據用途進行分子設計，制造出綜合性能優良的聚氨酯粉末涂料。德國一家公司開發了一種可以采用含游離異氰酸基團的聚氨酯，制備靜電噴塑用聚氨酯粉末涂料。