摘要:為了開發(fā)應(yīng)用于戶外的MDF粉末涂料,對(duì)比了六種支持低溫固化的聚酯并優(yōu)選出其中一種,在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步研究了促進(jìn)劑添加量對(duì)于低溫固化粉末涂料及涂膜性能的影響,并測(cè)試了涂膜的耐人工氣候老化性能,研究結(jié)果表明:隨著促進(jìn)劑用量的增加,粉末涂料起始固化溫度降低,反應(yīng)速度增加,擠出時(shí)物料粘度明顯加大并且物料溫度隨之升高,后綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果選擇合適的促進(jìn)劑添加量為0.4%,最終制得具有一定耐人工老化性能的適用于MDF噴涂的戶外用粉末涂料。
0 引言
粉末涂料被廣泛應(yīng)用在多個(gè)領(lǐng)域,如汽車零部件、家電和電子產(chǎn)品、管道和管件、木制品及家具等等。其中,中密度纖維板(MDF)是目前木制家具市場(chǎng)應(yīng)用最為廣泛的材料。目前MDF的裝飾工藝主要有低/高壓三聚氰胺貼面、塑料膜貼面、單板貼面涂料噴涂。但貼面樹脂存在游離甲醛,且MDF板材本身孔隙率較大,用涂料涂覆后木纖維毛細(xì)孔會(huì)受影響,家具成型后在使用過程中也會(huì)有甲醛的釋放。基于國(guó)家環(huán)保政策的相繼出臺(tái),人們對(duì)于MDF家具環(huán)保施工的需求愈發(fā)強(qiáng)烈,MDF粉末噴涂也迎來了新的機(jī)遇。MDF是由木纖維和樹脂粘合劑制成的板材,材料本身的熱導(dǎo)率僅有0.07W/(m·K),相比于粉末涂料傳統(tǒng)應(yīng)用的金屬基材,熱導(dǎo)率非常低,傳熱性能很差,且MDF的制造過程中使用的樹脂粘合劑通常是熱敏性的,在高溫下會(huì)發(fā)生分解或軟化,木質(zhì)纖維中的纖維素和半纖維素分解產(chǎn)生的熱解產(chǎn)物會(huì)導(dǎo)致板材的理化性質(zhì)改變,加之板材內(nèi)部有較多的孔隙,當(dāng)高溫作用于MDF時(shí),空隙中的空氣會(huì)膨脹產(chǎn)生壓力。導(dǎo)致板材內(nèi)部的應(yīng)力集中,破壞板材的結(jié)構(gòu)和性能,由于以上因素的限制,MDF噴涂用粉需要在130~140 ℃之間較低溫條件下完成固化。近年來,隨著節(jié)能減排趨勢(shì)的推進(jìn),低溫固化粉末涂料有明顯發(fā)展,粉末固化溫度由原來的160℃降低到120~140 ℃,但多為工程機(jī)械等金屬基材,應(yīng)用到MDF板上的粉末涂料并不多,且目前研發(fā)的MDF粉末主要均為聚酯/環(huán)氧體系,涂層的光老化性能較差、故本研究以開發(fā)MDF用低溫固化純聚酯粉末涂料為目標(biāo),首先對(duì)比了幾種支持低溫固化的聚酯樹脂并優(yōu)選出其中的一種,在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步研究了促進(jìn)劑添加量對(duì)于低溫固化粉末涂料及涂膜性能的影響,并測(cè)試了涂膜的耐人工氣候老化性能,以期將該粉末涂料應(yīng)用在MDF上并具有一定的耐光老化性能,使得噴涂后的MDF可以良好的應(yīng)用于戶外休閑家具等領(lǐng)域。
1 實(shí)驗(yàn)配方設(shè)計(jì)
1.1 固化劑的選擇由于環(huán)氧樹脂不能夠長(zhǎng)期地耐受紫外線照射,戶外用粉末涂料多采用聚酯與其他交聯(lián)固化劑反應(yīng)來增加涂膜對(duì)紫外線的耐受性,常用的固化劑主要有3種類型:異氰尿酸三縮水甘油酯(TGIC)、β-羥烷基酰胺(HAA)、異氰酸酯類。β-羥烷基酰胺(HAA)與聚酯樹脂的羧基發(fā)生的是縮合反應(yīng),固化時(shí)有水分子產(chǎn)生易出現(xiàn)縮孔,且體系抗黃變性能較差,而且目前暫無有效的固化促進(jìn)劑,體系固化速率不易調(diào)整;異氰酸酯類固化劑由己內(nèi)酰胺封閉,解封溫度為160-170℃,當(dāng)施工溫度超過140℃極大可能導(dǎo)致中密度纖維板中的合成樹脂軟化甚至分解,板材板材發(fā)生變形和膨脹,失去原有的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度;因此本文選擇TGIC作為固化劑。
1.2 樹脂的選擇中密度纖維板不同于此前粉末噴涂較多的金屬基材,是一種木質(zhì)纖維復(fù)合材料,其主要成分是細(xì)木纖維和合成脂肪胺膠粘劑,板材在高溫下容易受損,因此噴涂于中密度纖維板上的粉末需要在(130-150)℃之間完成固化,我們選擇了6種支持低溫固化的聚酯按照表1的基礎(chǔ)配方對(duì)比了純聚酯1#到純聚酯6#制備的粉末涂料及其性能,結(jié)果如表2所示。
結(jié)合表2和圖1(DSC曲線)的數(shù)據(jù)可知,純聚酯3#和6#制備的粉末涂料固化反應(yīng)峰值溫度分別為162.8℃和163.8℃,固化需要的溫度偏高:純聚酯1#、3#、5#、6#制備的粉末涂料150℃下的膠化時(shí)間均大于400s,反應(yīng)速度偏慢;將6種純聚酯制得的粉末涂料噴涂于實(shí)驗(yàn)板后,在(130-140)℃/(3-5)min 條件烘烤固化,取涂層進(jìn)行DSC測(cè)試,計(jì)算后得到涂層固化度,純聚酯2#和6#制備的粉末涂料固化都達(dá)到55%以上,綜上實(shí)驗(yàn)結(jié)果及配方成本考慮,選擇純聚酯2#作為下一步實(shí)驗(yàn)的聚酯。
2 實(shí)驗(yàn)部分
2.1 實(shí)驗(yàn)主要儀器擠出機(jī):SLJ-32,山東海陽靜電設(shè)備有限公司:差示掃描量熱儀:DSC214,德國(guó)耐馳;電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱:DHG-914385-Ⅲ,上海新苗實(shí)業(yè)有限公司
2.2 粉末涂料及涂層的制備按表3配方制備純聚酯粉末涂料,基本工藝流程為:配料、預(yù)混、擠出、壓片、粉碎、過篩。制得的粉末采用靜電噴涂方式進(jìn)行噴涂,在(3-5)min@(130-140)℃ 條件下固化得到粉末涂層,并檢測(cè)相關(guān)性能。
2.3 性能檢測(cè)
3 結(jié)果分析
3.1 促進(jìn)劑對(duì)于固化溫度的影響
在體系中添加促進(jìn)劑能夠有效的降低涂膜固化反應(yīng)的溫度,但具體添加量還需要通過具體的測(cè)試確定,基于表2篩選出的純聚酯2# ,延申三組配方探究促進(jìn)劑添加量對(duì)于戶外用MDF粉末性能的影響。表5為不同添加量促進(jìn)劑制得粉末噴涂后在130℃*(3-5)min固化后涂層的性能。由表5數(shù)據(jù)可得,隨著促進(jìn)劑量的增加,粉末固化反應(yīng)峰值溫度(T p)明顯降低,由139.8℃降為122℃,這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明添加固化促進(jìn)劑可有效地提高該體系的反應(yīng)速度且能夠有效地降低交聯(lián)反應(yīng)的起始溫度。此外,固化促進(jìn)劑的加入還會(huì)使得體系的反應(yīng)熱增加,促進(jìn)劑加越大,體系膠化時(shí)間越短。從涂層光澤來看,促進(jìn)劑用量增加時(shí),涂層光澤受到明顯影響,這是因?yàn)榉勰┩苛显谑軣峁袒赡み^程中有幾個(gè)階段。第一階段是粉末開始熔融,體系黏度降低;第二階段是當(dāng)外界溫度超過其反應(yīng)活化能時(shí),聚酯與固化劑開始發(fā)生交聯(lián)反應(yīng),熔融黏度持續(xù)增大;第三階段是當(dāng)固化反應(yīng)達(dá)到一定程度后,涂膜無法流動(dòng),進(jìn)入膠化狀態(tài),直至固化反應(yīng)完全,形成致密的涂膜。隨著促進(jìn)劑用量的增加,粉末涂料起始固化溫度降低,反應(yīng)速度增加,由于聚酯材料本身的物理性質(zhì),粉末開始熔融的溫度不變,這導(dǎo)致了粉末涂料從開始熔融到完全不能流動(dòng)的時(shí)間減短,再加上砂紋劑對(duì)于涂層表面張力的作用,使得涂層表面更加粗糙,光澤變低。在擠出工藝上,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),同等擠出條件下,促進(jìn)劑加量越大,擠出時(shí)物料粘度明顯加大并且物料溫度隨之升高,而低溫粉體的反應(yīng)活性較常規(guī)粉末很高,體系粘度過高對(duì)于低溫體系粉體的生產(chǎn)是比較不利的因素,綜合以上考慮,最終選擇促進(jìn)劑加量在0.4%的配方更為適宜。
3.3 戶外用中密度纖維板粉末涂料的綜合性能分析綜合以上實(shí)驗(yàn),采用2#聚酯和TGIC固化,配方中加入0.4%的促進(jìn)劑,制備了戶外用MDF低溫固化粉末涂料,將該低溫固化粉末涂料噴涂在前處理后MDF板上進(jìn)行中波紅外固化,對(duì)噴涂后的樣板進(jìn)行光老化測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如表6所示。測(cè)試結(jié)果表明,當(dāng)前實(shí)驗(yàn)研發(fā)的戶外用MDF粉末涂料對(duì)于板材具有一定的防護(hù)性能,在原有戶內(nèi)產(chǎn)品的基礎(chǔ)上,豐富了耐人工氣候老化的性能,滿足實(shí)驗(yàn)預(yù)期的結(jié)果,由于粉末噴涂后的中密度纖維板的耐候性能與板材前處理、噴涂工藝、固化程度以及具體使用環(huán)境等因素相關(guān),距離粉末噴涂中纖板廣泛應(yīng)用于商業(yè)市場(chǎng)還有待推進(jìn)。
4 結(jié)語
在政策上,國(guó)家連續(xù)兩個(gè)五年計(jì)劃均對(duì)于化工行業(yè)提出了揮發(fā)性有機(jī)物的減排要求,對(duì)于木器適用的三種常規(guī)涂膜,粉末涂料具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì),可以做到基本無揮發(fā)物排放,基于國(guó)家環(huán)保政策驅(qū)動(dòng)及行業(yè)多年培育和拓展,MDF粉末噴涂領(lǐng)域出現(xiàn)了井噴增長(zhǎng)態(tài)勢(shì),通過以上對(duì)于原有MDF粉配方體系的調(diào)整及促進(jìn)劑用量的調(diào)整,階段性的研發(fā)出了適用于戶外環(huán)境MDF材料噴涂的粉末涂料,增強(qiáng)了原有涂層的耐光老化性能,推進(jìn)了粉末涂料在MDF家具上的應(yīng)用,有效提高了產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
來源:粉末涂料與涂裝 2024會(huì)刊
文 / 劉雅杰 / 劉際平 (萬安實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司)
參考文獻(xiàn):[1]王慧麗,袁輝強(qiáng),董億政,許偉坤,范萍等 中密度板(MDF)用聚酯_環(huán)氧粉末涂料的制備與應(yīng)用,涂料工業(yè)2021,51(3).[2] 吳正慧,巴旭民,王愛成 中密度纖維板(MDF)粉末涂料低溫固化技術(shù)研究 涂料工業(yè)2022