01前言
降低能耗一直是粉末涂装行业持续追求的目标。把粉末涂料的固化温度从常用的200℃ 降到160℃ 以下或者减少固化时间可以为粉末涂料的应用带来许多益处。中国政府承诺2030年碳达峰，2060年实现碳中和。降低固化温度是粉末涂装行业降低能源消耗的重要手段，从而为碳达峰助力。同时，随着“漆改粉”减少VOC的推进，粉末涂料在一些不能耐受高温固化的基材上遇到了瓶颈。在低温固化技术上的突破，可以极大的拓展粉末涂料在这些领域的应用范围和市场，对于粉末涂料的可持续发展有着无可比拟的意义。
02粉末涂料的固化
聚酯是粉末涂料中最常用的树脂材料。这其中羧基聚酯又占了绝大多数。聚酯中羧基可以与环氧官能团发生反应，引起聚酯与环氧树脂或者TGIC固化剂的交联。羧基还可以与HAA的高活性羟基反应引起聚酯与HAA固化剂的交联。一般认为羧基与HAA中的羟基的反应尚未有合适的催化剂。所以作为一种相对安全环保的交联方式，羧酸搭配HAA的配方在低温固化，尤其是160 ℃以下的条件下却难以实现。
当前绝大多数的低温固化粉末涂料产品都是以羧基和环氧官能团交联为基础的。这包括了户内型聚酯和环氧树脂的搭配，以及户外型聚酯与TGIC的组合。户内型粉末涂料为了达到更低的固化温度往往选择50：50型的聚酯，通过更高的酸值来实现。户外型聚酯可以调整的性能参数相对受限，这也为户外型粉末涂料的低温化带来了挑战。开发高反应活性的聚酯来降低粉末涂料的固化温度乃是当务之急。
03粉末涂料的低温固化需求
根据国外客户的测算，在一个中等规模的工业固化炉中，当粉末涂料的固化温度从160 ℃下降到130 ℃时可以节省大约15%的能量。
固化炉参数 x 小时: 大约500 kWh 能量消耗；加热升温10吨钢材
能量节省 x 小时 |
|
涂装件热能节省 |
30 kWh |
输送链挂钩热能节省 |
5 kWh |
冷热空气交换损失节省 |
15 kWh |
产线空间辐射损失节省 |
10 kWh |
固化炉进出口能量损失节省 |
20 kWh |
固化温度降低30 ℃共节省能量 |
80 kWh / h |
(figures given by Nuetro-Ofenbau)
由此可见，低温固化为粉末涂装客户带来的成本节约是相当可观的。如果低温固化技术能够得到广泛的推广对于减少碳排放，早日达到碳达峰也是非常有益的。
从另一个角度看，各级政府一直在大力推进的减少VOC排放这一环保政策促进了涂装行业减少溶剂型涂料的使用。开发替代型涂料以尽快填补涂装行业的需求对于粉末涂料的发展有着非常积极的意义。在这些行业中有一些基材或者是组件中的某些配件并不能耐受粉末涂料常用的固化温度。尽快突破粉末涂料的这一限制需要在聚酯树脂的研发上取得等多的进展。
聚酯粉末涂料 |
新机遇 |
应用 |
环氧聚酯（混合型） 固化温度低于140℃ |
热敏非金属基材 |
MDF，HDF，纸标签，石膏板，塑料，复合材料 |
含热敏部件的组装件 |
电动机 |
|
温度受限的产品 |
铝 / 镁汽车轮毂底粉 |
|
HAA型聚酯 固化温度不高于160℃ |
重基板，加热时间长 |
结构钢材，工程机械 |
热敏性产品，塑料组合金属型材 |
带隔热铝合金窗户 |
|
TGIC聚酯 固化温度在120-160℃之间 |
重基板，加热时间长 |
结构钢材，工程机械 |
含热敏部件的组装件 |
基站设备组件 |
|
温度受限的产品 |
铝 / 镁轮毂透明层 |
04粉末涂料低温固化的挑战
粉末涂料在低温固化上遇到的瓶颈是与粉末涂料的特性息息相关的。综上所述，粉末涂料的化学过程依旧主要依赖羧基和环氧基团的反应，因而在技术创新上主要还是通过高官能度和高催化剂量来达到，但由此带来化学稳定性的问题。这就对一些低温固化粉末涂料的储存提出了要求，也同时带来了成本上的增加。
同时粉末储存稳定性对玻璃化转变温度的要求也限制了树脂的熔融粘度的降低。而低温下安息香的脱气效率下降，在低温固化时的表面流平无法达到高温固化的水平。蜡的使用可以使流平和脱气有所改善，但选择性不多，亦使应用受限。
另外受到聚酯合成中产生的一些低聚物的特性影响，粉末涂料烘烤过程中常出现的起霜现象在低温烘烤时会变得尤其突出；市场上常见的低光、哑光产品很难通过粉末涂料低温烘烤获得，急需寻找新的解决方案；粉末涂料制备所必需的挤出技术也使得其固化交联温度不能低于120 ℃。这也限制了粉末涂料向更低温度固化发展。
尽管有种种技术上的阻碍，但粉末涂料的低温固化趋势不会改变。湛新树脂在这方面一直持续不断的进行创新。
05高反应活性树脂性能
针对市场上这些年对低温固化的需求，湛新开发了几款高反应活性的聚酯。这几款树脂均可应用于户外，与TGIC固化可以得到良好的涂膜，适用于不同的应用领域。
120C°, 20分钟固化：
CRYLCOAT®2451-6和CRYLCOAT 2403-6
树脂指标：
指标 |
CRYLCOAT® 2451-6 |
CRYLCOAT® 2403-6 |
Brookfield 粘度 @200oC (mPa.s) |
1800 |
1750 |
酸值（mg KOH/g） |
约40 |
约40 |
玻璃化温度（°C） |
53 |
53 |
测试配方
聚酯 |
600 |
固化剂TGIC |
52 |
240 |
|
95 |
|
流平剂Modaflow P 6000 |
10 |
安息香 |
3 |
制粉条件
预混 |
高速预混机，2000转/分钟 |
烟台（一区温度90，二区温度100度） |
|
磨粉 |
咖啡磨 |
筛网 |
180目 |
喷枪 |
金马 |
固化条件 |
20分钟/120度 |
膜厚 |
70-80微米 |
基本性能测试
测试项目 |
CRYLCOAT® 2451-6 |
CRYLCOAT® 2403-6 |
胶化@120°C（秒） |
230 |
290 |
冲击，公斤.厘米（正/反） |
50/50 |
50/50 |
光泽（20°/60°） |
62/88 |
61/87 |
流平（PCI等级） |
2 |
2 |
弯曲（1毫米） |
通过 |
通过 |
附着力，1毫米划叉 |
0级 |
0级 |
老化数据
老化测试条件：QUVB313，辐射强度0.75W/m²，4小时UV照射@50°C，4小时冷凝@40°C
CRYLCOAT® 2451-6和CRYLCOAT® 2403-6是两款可以在120度/20分钟完全固化的产品，都具有非常好的机械性能，适合用于纹理粉末。CRYLCOAT® 2403-6比CRYLCOAT® 2451-6具有更好的耐老化性能。
160 ℃,15分钟固化
CRYLCOAT®2499-6和CRYLCOAT®2435-6
树脂指标：
指标 |
CRYLCOAT® 2499-6 |
CRYLCOAT® 2435-6 |
Brookfield 粘度 @200oC (mPa.s) |
5000 |
3,500 |
酸值（mg KOH/g） |
30 |
35 |
玻璃化温度（°C） |
64 |
62 |
测试配方
聚酯 |
558 |
固化剂TGIC |
42 |
钛白粉 |
200 |
2 |
|
硫酸钡 |
185 |
流平剂Modaflow P 6000 |
9 |
安息香 |
4 |
制粉条件
预混 |
高速预混机，2000转/分钟 |
挤出机 |
烟台（一区温度95，二区温度105度） |
磨粉 |
咖啡磨 |
筛网 |
180目 |
喷枪 |
金马 |
固化条件 |
15分钟/160度 |
膜厚 |
70-80微米 |
基本性能测试
测试项目 |
CRYLCOAT® 2499-6 |
CRYLCOAT® 2435-6 |
胶化@160°C（秒） |
300 |
340 |
冲击，公斤.厘米（正/反） |
50/50 |
50/50 |
光泽（20°/60°） |
80/93 |
85/94 |
流平（PCI等级） |
6 |
6 |
弯曲（1毫米） |
通过 |
通过 |
附着力，1毫米划叉 |
0级 |
0级 |
耐起霜测试 |
||
保光率（20°/60°），120°C/1小时 |
65/62 |
97/99 |
保光率（20°/60°），140°C/1小时 |
70/48 |
95/99 |
老化数据
老化测试条件：QUVB313，辐射强度0.75W/m²，4小时UV照射@50°C，4小时冷凝@40°C
CRYLCOAT® 2499-6和CRYLCOAT® 2435-6是两款可以在160度/15分钟完全固化的产品，都具有比较好的外观，机械性能和耐老化性能。CRYLCOAT® 2435-6具有更好的耐起霜性能，比较适合喷涂于厚工件。
以上产品均已量产并得到了非常好的实际应用效果。湛新树脂将在高反应活性聚酯树脂领域持续耕耘，为粉末涂料行业带来更多的创新产品。
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