文 / 雷光林 刘际平 ( 福建万安实业集团有限公司 )
摘要：开发一种以聚酯-聚氨酯为基料，通过降低表面自由能的方法，制备机械性能优异、低表面自由能的疏水疏油型防涂鸦性能良好的户外耐候性防涂鸦粉末涂料。
1. 研究背景
1 防涂鸦粉末涂料应具备的性能
表面自由能是物体表面分子间作用力的体现，与固体表面的润湿性能密切相关，在表面化学中具有重要的地位。液体在固体表面铺展开的时候，覆盖了一部分固体表面，使得这一部分固体表面的能量减小。同时，液体本身的表面积增大，使得液体的表面能增大。当固体的表面能降低到与液体增大后的表面能相等时，液体不再继续铺展开，前者的能量减少能否补偿后者的能量增大，决定了液体能否在固体表面铺展开[1]。所以低表面自由能固体可以使固体表面能量减小不足以补偿液体表面能量增大，从而实现固体表面的疏液性。此外，在低表面能条件下，增大固体表面粗糙度，可以在固液接触面投影面积不变的情况下，增大实际的接触面积，从而增大了液体完全浸润固体表面所需的能量，使得固体表面能的减小更加无法补偿液体表面能的增大，进而强化了固体材料的疏液能力。
防涂鸦粉末涂料最基本的一点应做到涂鸦油墨难以有效附着，以便于后期清理涂鸦，这需要涂料具有较低的表面自由能和粗糙的微观表面结构以达到疏水疏油性。其次为了使防涂鸦性能稳定，达到涂鸦清除后涂膜仍保持原有的防涂鸦性能，涂料需具有较高的硬度以及良好的耐溶剂性。
1.2 聚氨酯粉末涂料
聚氨酯粉末涂料由端羟基聚酯与封闭型异氰酸酯为基料制成，其具有良好的耐候性及耐溶剂性，选择高羟值的端羟基聚酯与封闭型异氰酸酯制成的聚氨酯粉末涂料还具有优异的涂膜硬度以及耐化学品性和耐污性，是研制防涂鸦粉末涂料的有效可行方案[2]。然而高羟值端羟基聚酯-封闭型异氰酸酯制成的聚氨酯粉末涂料在获得高硬度的同时其涂膜韧性及附着力较差，且成本较高。
1.3 聚酯粉末涂料
聚酯粉末涂料，作为应用最为广泛的一类户外用粉末涂料，其各方面的性能都较为均衡，有着较好的耐候性、韧性、附着力及较好的流平和漆膜丰满度，可与聚氨酯粉末涂料搭配改善聚氨酯粉末涂料的不足，并起到降低成本的作用。本文采用聚酯-聚氨酯结合，以聚氨酯提供耐污防涂鸦性能，以聚酯弥补聚氨酯的韧性不足并降低成本，搭配有机硅流平剂进一步降低涂膜表面自由能得到一种综合性能优异的低成本防涂鸦粉末涂料。
2. 实验部分
2.1 实验材料及设备
2.1.1 实验材料
羧基聚酯树脂：国产；异氰脲酸三缩水甘油酯(TGIC)：国产；羟基聚酯树脂1(高羟)：进口；羟基聚酯树脂2(中羟)：进口；羟基聚酯树脂3(低羟)：进口；封闭型多异氰酸酯：进口；丙烯酸酯类流平剂：进口；有机硅流平剂：进口；安息香：国产；聚偏氟乙烯蜡：国产；高硬度填料、着色颜料等。
2.1.2 实验设备
电子秤：国产；试验型双螺杆挤出机：国产；试验型ACM磨：国产；喷粉柜：国产；静电喷枪：金马；鼓风式恒温干燥箱(烘箱)：国产。
2.2 聚酯/聚氨酯比例对涂料性能的影响
2.2.1 防涂鸦粉末涂料的配方设计
为研究不同聚酯、聚氨酯比例的配方对涂膜综合性能的影响，本文设计了单独以聚酯为基料的配方a，聚酯/聚氨酯比例为2:1和1:1的配方b和配方c，单独以聚氨酯为基料的配方d四个配方(表1)进行试验。
2.2.2 粉末涂料制备
按表1取配方a~d所需材料，预混摇匀后使用试验型双螺杆挤出机(挤出机Ⅰ区温度：100 ℃；Ⅱ区温度：115 ℃；螺杆转速：28 Hz)挤出压片，冷却后手工破碎再以试验型ACM磨(主磨8000 r/min，风节8000 r/min)研磨，得到样粉经180目手工筛筛选，过筛的样粉使用静电喷枪(70 kV，气压0.5 MPa，出粉率60%)喷涂，再放入烘箱采用200 ℃温度经15min烘烤固化，得到实验样板。
2.2.3 性能测试
涂膜外观，在散射阳光下目视观察涂膜表面平整性、边缘流挂性；按GB/T 1732—1993规定采用漆膜冲击仪正反冲测试涂膜耐冲击性能；按GB/T 6742—2007规定采用圆轴弯曲仪测试抗弯曲性能以此表征涂膜韧性；按GB/T 9286—1998规定，采用百格法测试涂膜附着力；按ISO 15184:1998规定用小车式漆膜铅笔硬度计(负载750 g，中华101铅笔)测试涂膜铅笔硬度；使用达因笔测试涂膜表面自由能，以达因笔墨水的表面张力表征涂膜表面自由能；使用水性白板笔和油性记号笔分别对涂膜抗水性油墨涂鸦和油性油墨涂鸦性能进行测试。测试结果见表2。
从表2知：配方a单纯聚酯粉末涂料涂膜外观平整、机械性能良好，然而耐污性、耐溶剂性及表面自由能无法满足防涂鸦涂料的要求，配方d单纯聚氨酯涂料则与聚酯涂料相反，耐污性、耐溶剂性、表面自由能优异，抗冲击、弯曲等机械性能表现略有不足。当聚酯:聚氨酯质量比在1:1~2:1之间时，综合性能最佳。
2.3 不同羟基聚酯对涂料性能的影响
以表1中配方b为参考，选择羟基聚酯2与羟基聚酯3同羟基聚酯1进行对比，并参照2.2.2及2.2.3进行样品制备及性能测试，得到表3结果。
由表3可知，羟基聚酯的选择对涂膜的表面自由能有很大的影响，从而直接影响涂膜的防涂鸦性能，羟值较高的羟基聚酯制得的涂膜防涂鸦性能较好，羟值较低的羟基聚酯制得的涂膜防涂鸦性能较差。
2.4 防涂鸦粉末涂料的微观表面结构
将制得的防涂鸦涂层与普通的非防涂鸦涂层在显微镜下对比观察其微观表面结构的差异(图1)。 图1中两涂层微观表面对比可知，防涂鸦涂层微观表面更加粗糙，在一定固液接触面投影面积下，防涂鸦涂层上的固液实际接触面积更大，液体铺展时表面能增加更快，涂层的表面能也更快地减小，使得涂层表面自由能无法补偿油墨液体扩展所需能量，从而强化了涂层的疏液性，提高了涂层防涂鸦能力。
3.结语
单纯用聚酯粉末涂料无法得到耐污性能良好的防涂鸦粉末涂料，单纯聚氨酯粉末涂料防涂鸦性能优异的同时，成本较高且机械性能略有不足。以聚酯提供良好的机械性能，以聚氨酯提供优异的耐污性、耐溶剂性，两者结合制成的聚酯-聚氨酯防涂鸦粉末涂料具备较高的硬度、较好的涂膜韧性及表面平整性且耐污性能优异、耐化学品性能良好，是一种综合性能优异的低表面自由能疏水疏油的防涂鸦粉末涂料。
来源： 粉末涂料与涂装2022年第1期
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