涂料知识：预涂卷材涂料用树脂
12年前
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好家网：材涂料是基于预涂装技术的发展而出现的，预先涂装好的镀锌钢板或铝板能够直接被压花、深冲、折弯等处理，从而被金属加工业用于生产过去需要多步操作的产品。
材涂料是基于预涂装技术的发展而出现的，预先涂装好的镀锌钢板或铝板能够直接被压花、深冲、折弯等处理，从而被金属加工业用于生产过去需要多步操作的产品。将涂装这一步骤由卷材涂装厂家来完成，不但可以帮助金属加工厂家降低成本，而且更可以避开日益严格的环保条例的约束。
一、卷材涂料
1.1应用范围
预涂卷材已被成功应用于室内及室外用建筑材料上。目前增长最快的行业是交通工具领域。该行业在过去很长一段时间内就已经开始使用卷材。家电行业和家庭用品领域是另一个很重要的方面。而预涂铝板则是制罐业的基础原料。
1.2基本的树脂体系
按照欧洲卷材涂料协会公布的目前卷材涂料所使用的基本树脂体系概况如下：用氨基树脂或异氰酸酯固化的饱和聚酯约占60％，处于主导地位；PVC塑溶胶处于第二位，占30％；PVDF涂料有着非常优异的性能，占5％的份额；剩下的5％主要是环氧树脂、丙烯酸树脂、有机性硅改性饱和聚脂和醇酸树脂体系。
二、卷材涂料的技术和要求
主要的卷材涂料用树脂体系及性能见图1。多数情况下，客户对卷材涂料提出的性能要求不尽相同，其中关键的几个指标可以从表中做出选择。
2.1卷材涂料体系的性能概况
使用封闭型异氰酸酯为固化剂的聚酯聚氨酯体系最主要的是能够提供非常优异的柔韧性，尽管这会轻微地损失表面硬度。而且与聚酯氨基树脂体系比较，该体系能够提供更好的耐候性和最大成膜厚度（约35um）。环氧体系则可谓毁誉参半，一方面能够提供非常优异的金属附着力和硬度，但另一方面柔韧性和耐候则差强人意。剩下的两个体系都是基于聚合物的分散体，故而其对金属底材的附着力差也是很自然的，所以它们一般作为面漆而使用在预先涂有聚酯或环氧底漆的基材上。
众所周知，PVDF（聚偏氟乙烯）涂料是一种有机溶胶，一般是将PVDF分散在适当的基料树脂中，如丙烯酸树脂（大致的比例约为70：30）。这种涂料的耐候性非常的优异。但无论如何，由具有PVDF涂层的废弃物所导致氟元素扩散的不良倾向还是受到了批评。
PVC塑溶胶的性能特点非常的两极分化。这种由结晶性聚合物分散于非挥发的增塑剂（一般比例约为75：25）而形成的分散体使得能够获得非常厚的涂膜，甚至超过100μm，因而获得了优异的柔韧性和耐腐蚀性。当然，PVC塑溶胶在涂膜的耐温性和硬度方面的缺点也备受非议。
时至今日，厚涂层卷材涂料依然是PVC塑溶胶或PVC薄膜热复合的专有领域，例如用于户外建材来提供恶劣天气下的防护性能，尤其是在北欧。从目前流行趋势来看，要使镀锌钢板获得足够的防护，厚涂层体系是必须的。卷材涂料领域中，不含卤素的厚涂层体系是目前是重要的研究方向。
为何只有这么少的体系适用于卷材涂料的生产？毕竟，工业封闭漆行业还大量用到其他树脂，如丙烯酸树脂、醇酸树脂、纤维素酯、聚烯烃树脂等。
通过对卷材涂料体的操作和要求的深入分析，我们就能够更好的理解为什么卷材涂料的树脂体系范围如此狭窄。当然，卷材涂料的技术也是在不停地发展之中，任何科技的进步都有可能引入新的树脂体系，自然也包括上面提到的那些。
2.2热固化卷材涂料
图2所示的是一条卷涂装线。典型的铝材或钢材的涂装线主要包括两个部分，每一部分都包括一台涂布机和一个烘道。在烘道中，刚涂上漆的卷板将被热空气加热到（300-500）℃。其中图线显示的是典型的烘烤温度曲线。烤磁漆的树脂在金属温度150℃的时候开始交联，有机溶胶在170℃熔融后得到类似的涂膜。通过调整炉温和线速度，可以使卷材在烘道中获得合适的金属温度以适应不同场合的需要，但最高不能超过250℃，因为过高的温度下有机物会被氧化而迅速黄变。
金属板材特别适合使用辐射固化，这样可以节省很多用来加热金属底材能源，因而鼓励了将该新技术应用于卷材涂料的开发工作。然而，辐射固化体系目前还难以得到满意的金属附着力和柔韧性。
2.3涂装技术
图3显示的是常用于铝材或者钢材的涂装方法。超过90％的工厂仍然使用辊涂机来涂装溶剂型涂料。为了获得更好的涂膜厚度和无溶剂排放，当粉末卷材涂料技术10年前出现的时候就获得了关注。目前只有7家欧洲卷材涂装线在使用粉末卷材涂料，但其数量和重要性都正在增加。
直到今天，粉末喷涂的应用还是充满瓶颈。自诞生之日起，已经有大量更有效率的方法推出，如“粉末云”法和复辊工艺，主要都是以提升线速度为主。和同类的溶剂型产品一样，粉末涂料也要接着经过烘烤工序。由于工艺上难以控制和废品率高，热塑性聚合物经挤出机热熔涂布的工艺没能在卷材涂料的生产上获得很大的进展。
热塑性聚合物（例如PVC、PET或PP）在热复合卷材涂料中也有不同程度的应用。其作为基料薄膜，通过合适的胶粘剂与铝材或钢材粘结起来。该技术相较于辊涂涂料更加昂贵和复杂。
2.4金属上的附着力
图4显示的是一般的镀锌钢板上卷材涂料的组成。预涂卷材的质量还取决于其化学前处理的质量，在底漆和铬化层之间的性能分配也是一门艺术。尽可能使用两涂层的封闭漆体系，其中底漆种意义上来说就好像是介于金属和面漆之间的粘合剂，其性能取决于本身的基料树脂的附着力和其中防腐颜料的影响。目前，能够用于卷材涂料底漆的只有聚酯和环氧体系。
聚合物在金属上的附着力是一个非常复杂的课题，尽管其有时被简单地解释为两个关键的分子结构，如图5所示。一般，分子链中含有极性基团的树脂的附着力要优于非极性的聚合物，这一点可以在聚脂和环氧能够在聚乙烯和聚丙烯上获得优异的附着力上得到证明。事实上，在胶粘剂应用方面，极性树脂也同样有着非常重要的地位。高分子量的聚酯和丙烯酸树脂的附着力要远远好于低分子量的，就是因为分子链中的极性基团提供的合力作用，分子链越长，附着力越好。
图6所显示是卷材涂料中最主要的性能测试方法。一片涂装完成的样板能被180度的折弯即为OT。在OT测试中，涂膜有时的伸长率会达到100％，这个取决于底材的厚度。
柔韧性被定义为没有任何宏观破裂情况下的涂膜之延展能力。
2.5柔韧性
尽管下面还要多次讨论柔韧性方面的问题，但不得不说涂料的这一特性也同样很复杂。热固化卷材涂料的玻璃化温度一般只比室温高（10～20）℃，因而在深冲和弯折加工时的温度就接近其玻璃化温度，使得其表面的硬度和耐划伤性就不如汽车面漆之类的那么好，要采取一些对应的保护措施。如聚酯树脂这样的分子链紧密缠绕的结构就能够获得很好的柔韧和硬度的平衡以及吸收冲击力的效果。
三、卷材涂料用树脂
3.1聚酯树脂
聚酯树脂是卷材涂料用树脂体系中最重要的一类。聚酯树脂可以通过选择各种不同的二元酸和二元醇来获得相当广泛的性能区间，例如，可以70～110℃之间调整树脂的玻璃化温度、调整分子量的高低、调整分子结构是链状或是枝化的、是羟基封端还是羧基封端，可以满足几乎所有的应用。聚酯树脂以其优异的柔韧性和金属附着力而著称，其在底漆方面的应用也很重要。 []PAGE
当然，聚酯树脂有时也还有一些小缺憾，众所周知线性的高分子量的聚酯树脂有非常优异的附着性能，但同时相应的其末端的反应基团就较少，所需的交联密度要更高。不过，这一点可以通过混合一部分环氧树脂来解决。
关于UV稳定性方面，户外建材用卷材面漆的聚酯树脂在过去20年里得到了很大的发展。图7中，右边的曲线显示的是日光，波长最短的30mm，左边的曲线显示的P4是最新一代聚酯树脂的吸收曲线。基于P1的面漆仅仅经过两年佛罗里达实验就褪色；基于P2和P3的面漆分别可以保持3年和4年不褪色；基于最新一代的P4体系显示了优异的UV透明性。用这种外用型树脂制造的面漆能够在耐候性方面提供更好的保障，但是需要配合光稳定剂。耐候性不但取决于UV透明性和耐水解性，而且跟涂膜能否承受内部UV激发的损伤有关。后者可以采用如HALS之类的自由基捕捉剂来解决。
例如德国德固萨（degussa.）公司生产的DYNAPOL系列饱和聚酯，有高分子量的L系列，分子量1500020000，可以提供优异的附着力和柔韧性；有中分子量的LH系列，分子量20006000，提供良好的柔韧性和硬度的平衡，以及充分的耐腐蚀性；特别是高活性高固体份的HS系列，固体含量高达80％，能够显著的提高反应活性、减少固化时间，特别是能够获得更好的涂膜厚度。该公司作为世界领先的饱和聚酯生产厂家，在目前近百牌号的基础上还是不断地为各种具体的应用提供最适合的产品。
3.2卷材涂料用固化剂
卷材涂料用主树脂中，像聚酯和环氧是属于羟基组分，需要使用氨基树脂或封闭型异氰酸脂交联固化，如图8。氨基树脂，主要是HMMM类型，是最常的固化剂，其优势在于高的反应活性和交联密度。封闭型异氰酸酯更适合作为聚酯树脂的固化剂，其至少在160度的烘烤条件下交联固化。用封闭型异氰酸酯生产的聚氨酯涂料有着非常好的柔韧性和耐候性，当然最重要的是要选择合适的氰酸酯。
卷材涂料典型的炉温最高可以达到500度，实际上的金属温度也可高达250度，在这样的条件下，氨基树脂的升华是一个很棘手的问题，固而异氰酸酯得到了很大的重视。
聚氨酯因化剂中最主要的是异氰酸酯三聚体，由于热稳定性好的特点已经被应用了很长的时间，典型的产品德国德固萨（degussa.）公司的封闭型IPDI三聚本VESTANATB1358A，以及使用独有的封闭剂适用于高温烘烤的一系列产品。从热分析测试可以看出，三聚体的热稳定性要远远高出相应的缩二脲和TMP加成物，甚至可以在最高金属温度超过250度的情况下使用。
3.3环氧树脂
环氧树脂与上述提到的固化剂反应后会获得非常致密的涂膜，以至于即使是很薄的漆膜，水、氧气、酸碱等都很难穿透，从而为金属底材提供了良好的保护。当然，环氧树脂也可以配合聚酯树脂使用，这时候其就像是一个“封闭的聚酯树脂”。当然，目前普遍应用的双酚A型的环氧树脂会带来柔韧性和耐候性的问题还没有得到妥善的解决。
3.4PVDF树脂
不会水解，不吸收UV，不溶于酸碱的特性使得PVDF成为一种非常优异的面漆树脂，通常的做法是将其与丙烯酸树脂以70：30的比例在175度时混合，以方便使用。目前，昂贵的价格，使用上相对的不便是其最大的障碍，特别是在新一代超耐候型的聚酯树脂得到就应用以后。
四、最新进展
随着环保要求的提高，以及节能高效等要求的推动下，聚酯粉末涂料、光固化卷材涂料等新技术已经出现，虽然目前仅能在一定的条件下获得令人满意的性能，但是其发展的潜力正在吸引着世界上各大涂料厂家的大力投入。
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