四甲氧基甲基甘脲固化研究論文

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一、導論

耐久性粉末涂料具有很好的耐光致老化與降解性能，它即可用于室內制品的涂裝，也可用于室外制品的涂裝。為了得到良好的室外涂膜性能，粉末涂料所有組份包括交聯劑，必須具有良好的耐光致老化與降解性能。氨基樹脂交聯劑如密胺類樹脂具有優異耐久性能而廣泛應用于液體涂料工業；由于幾十年來良好的記錄，它們成為液體涂料的首選交聯劑，并且可得到低成本、耐久的、光穩定的堅硬涂膜。

Powderlink1174樹脂（氰特工業有限公司生產，以下簡稱1174）是另一種氨基樹脂交聯劑，它是以甘脲而不是以密胺為基礎的。人們都知道甘脲型氨基樹脂涂料具有優異的室外耐久性能，而1174它主要是單體的四甲氧基甲基甘脲（TMMGU），它是高熔點的非粘性、不結塊、易粉碎的固體，特別適合于室外型耐久粉末涂料的配制。產品1174其熔點高于90℃，它的主要成份TMMGU結構如圖一所示。本論文我們將對Powderkink1174固化的粉末涂料配方研究和開發的最新成果作一論述（1）。

二、Powderlink1174交聯劑和催化劑的特殊作用

在酸催化劑的存在下，氨基樹脂交聯劑包括1174，能夠和含有羥基、羧基、酰胺基、氨基甲酸酯、硫醇基及氨基官能團的聚合物反應并交聯。酸催化劑如PowderlinkMTSI催化劑（甲苯基甲基磺酰亞胺，氰特工業有限公司生產），可促進TMMGU中甲氧基甲基官能團與聚合物鏈上反應性官能團的交換反應，形成交聯網絡并生成甲醇。該反應如圖二所示。前文中（2，3）我們討論了幾種有效催化劑，通過選擇不同的催化劑，使用1174可得到多種多樣的粉末涂料，如高光的、無光的和皺紋的粉末涂料。另外使用添加劑常常可以改變指定酸催化劑的強度，采用這種方式也可以使涂料的性能和外觀得到明顯的改善。我們發現使用磺酰亞胺催化劑MTSI，可以得到平滑的、無缺陷的、高光澤的厚膜涂料（4）。

三、高光澤無缺陷厚膜粉末涂料

對絕大多數最終用途來說，粉末涂層的典型膜厚不超過3密耳，近幾年來粉末涂料涂膜厚度的發展趨勢是趨于薄層化。很明顯如果1.5∽2密耳的涂層能得到同樣的外觀和保護效果，3∽4密耳的涂層就有點浪費了。但是在某些用途中要求厚膜涂層，例如歐洲建筑涂料就有這種特殊要求。在歐洲建筑涂料要標上“合格”標簽需要經過嚴格審批，合格涂料要求最低膜厚為2.4密爾(60微米)。為了達到上述膜厚，并考慮到法拉第屏蔽效應(在工件某些區域粉末的靜電排斥效應)，施工者不得不噴涂得比所需膜厚更厚，偶爾膜厚高達5密耳，圖三描繪了這種情況。盡管用TMMGU和MTSI制造的粉末涂料固化時揮發份只有典型聚氨酯粉末涂料的一半左右（3），如果不使用助劑，甲醇的揮發將在膜比較厚(>3.5密耳)的地方造成針孔。為了使Powderlink1174粉末涂料能夠得到厚度大于5密耳的無缺陷涂膜，我們做了很多努力研究其配方。

為了膜厚達到3.5密耳的涂膜充分脫氣，防止針孔，1174粉末涂料必須有足夠的流動性并且有足夠時間讓涂料在固化前充分‘愈合’其缺陷。粉末涂料，包括TMMGU粉末涂料固化時的流動性和流度，都可以用流變儀方便地測定（5）。

四、流變性、添加劑和厚膜涂層

本研究中平板流變儀使用RheometricRMS-605力學譜圖儀，試驗中復合粘度地測定在升溫速度2℃/min，切變頻率10rad/s，并改變應力的條件下進行。流變儀測定每一剪切應力下的彈性模量（G′）和損失模量（G″）。從這些數據我們可計算出流動指數、平均流度、固化起始溫度和最低粘度。再將這些數據與粉末涂料性質即凝膠時間和斜板流動性以及固化膜性質，特別是外觀和無針孔時的膜厚進行比較。

圖四是一典型固化流變圖，圖的縱坐標為動力粘度(η，其定義見表一)，橫坐標為溫度。實驗的開始，溫度很低，粘度非常大；開始加熱后，粘度隨著溫度的上升幾乎是以指數級地下降；達到一定溫度后，交聯反應開始，粘度不再下降；然后隨者溫度的進一步上升；粘度急劇上升；最終，交聯反應停止，動力粘度保持為常數。固化起始溫度是按圖四所示方式確定的。

表1、流變學定義

G′彈性剪切模量

G″損失剪切模量

ω切變頻率

η′動力粘度G″/ω

η″復合粘度模擬部分G′/ω

η*復合動力粘度η*=(η′2+η″2)0.5

流動指數計算方式如圖五所示，粘度代表阻止流動的能力，流度代表流動的能力。圖五是流度既粘度的倒數對樣品在2℃/min加熱速度下加熱時間作圖所得。動力粘度η對于描述低粘度(高流度)下的流變性能比較好。粉末涂料的流平性不僅取決于低的粘度，而且取決于它保持在低粘度下的時間長短。對流度時間曲線下一直到凝膠點的區域進行積分，所得到的數值即流動指數。流動指數的單位壓力的倒數，1/Pa，它可以被認為是單位壓力下每密耳厚的膜側向流動的距離(密耳)。

表2、1174粉末涂料標準配方及其涂膜性能

聚酯樹脂Crylcoat310994.00

安息香1.40

催化劑PowderlinkMTSI0.50

鈦白粉R-960

40.00

流平劑ResiflowP-671.30

固化劑Powderlink1174(TMMGU)6.00

涂膜性質

烘烤溫度(℃)175190

烘烤時間(min)2020

底材(磷酸鐵處理CRS)BO1000BO1000

甲基乙基酮擦拭200+200+

涂膜外觀致密桔皮致密桔皮

涂膜厚度(密耳)2.0/2.21.8/2.8

KNOOP硬度11.811.9

正/反沖擊(in*lb)160/160160/160

60°光澤78.594.1

20°光澤45.677.2

鹽霧試驗，1008小時

蠕變性00

外觀99

耐濕性，60℃，504小時無變化無變化

表二列出了用Powderlink1174交聯劑配制的粉末涂料配方及其性能。圖六顯示了安息香，一種常用的粉末涂料脫氣劑對流變性質的影響。標有1的曲線沒有加安息香，標有2的曲線加了配方量的1.4%，標有3的曲線加了2.4%的安息香。安息香的加入降低了玻璃化溫度，增加了固化起始溫度。使用增塑劑是配制厚膜PMMGU粉末涂料的途徑之一，但是安息香用量超過配方量的1.4%后對性能幾乎沒有改善；安息香用量為1.4%和2.4%時都可以得到3.2-3.5密耳厚的無針孔涂膜。

低溶解性的弱堿如碳酸鈣和氧化鎂可很好的延緩酸催化作用、調節固化進程，以使涂料完全固化前厚膜部位得以充分脫氣。圖七和表三說明碳酸鈣的加入可以增加流動指數、平均流度和固化起始溫度，最小粘度略有下降。結果是凝膠時間變長，在不改變斜板流動性情況下可得到外觀更好的無針孔厚膜（∽4密耳）涂層。

好在甘脲型氨基樹脂的固化速度率可以通過加入催化劑以及對催化劑有作用的助劑來調節。TMMGU粉末涂料中使用胺添加劑可提供更為廣闊的配方范圍。例如在使用氨基樹脂固化劑的熱固性液體涂料中，常常使用‘封閉胺’作為催化劑體系的一部分以獲得更好的包裝穩定性（6）。一般來講使用胺封閉的體系要比不封閉的體系固化速率低；這是因為在這種體系中實際上存在著質子化的胺，即一種弱酸(高的pKa)。當噴涂好的涂料烘烤時，胺揮發導致催化劑有效解封閉，酸強度增加(低的pKa)，從而促使氨基樹脂交聯反應以較高速度進行。胺封閉酸催化劑體系的pKa和揮發性對固化進程有決定性的影響。

表3、碳酸鈣的影響

碳酸鈣用量(wt.%)

02537.550

流動指數(1/P)21426890

平均流度(1/Pa*s)0.0110.0190.0260.032

最小粘度(Pa*s)49161915

起始固化溫度(℃)185192210219

凝膠時間(s)358457774775

斜板流動性(cm)7.78.87.48.2

無針孔膜厚(密耳)∽3.44.04.03.9

涂膜外觀致密桔皮平滑桔皮平滑桔皮平滑桔皮

在MTSI催化的TMMGU粉末涂料配方中，DABCO三乙烯二胺(一種非泛黃性固體胺，縮寫為TED，空氣產品和化工公司生產)的影響如圖八和表四所示。TED的加入會導致流動指數(流度對時間的積分

)和平均流度(平均粘度的倒數)增加，另外最低粘度會降低，起始固化溫度會上升。結果使凝膠時間變長，斜板流動性更好，從而使外觀得到改善(平滑桔皮)的厚膜涂層。TED用量最大(0.5%重量)時，不發生固化反應，因此表中沒有列出其數據。

在甘脲固化的粉末涂料中，加入那些能夠提高酸催化劑pKa的非泛黃性胺添加劑，雖然不能完全但基本可以防止粉末涂料在其粒子開始熔融階段和聚結階段發生交聯反應。熔融膜可以達到較低的粘度和更好的流平。隨著進

表4、TED濃度的影響

TED用量(wt.%)

0.00.330.41

流動指數(1/P)2772112

平均流度(1/Pa*s)0.0130.0350.053

最小粘度(Pa*s)391411

起始固化溫度(℃)172200214

凝膠時間(s)358515775

斜板流動性(cm)7.79.718.7

無針孔膜厚(密耳)∽3.4>3.8>4.7

涂膜外觀致密桔皮平滑桔皮平滑桔皮

一步的加熱，封閉胺的揮發也可防止膜表面過早的熱固化或‘結皮’，促進‘表面愈合’。四甲基哌醇(TAA-o1，赫斯公司生產)，一種作為阻位胺光穩定劑中間體而出售的非泛黃性固體胺有類似作用。用上述兩種添加劑都可以得到非常平滑的、高光澤的、厚達5密耳的無針孔膜。（見表五和表六）

表5、TAA-ol和DABCO催化的無缺陷1174粉末涂料配方

組份WtWt

聚酯樹脂Crylcoat349392.094.0

DABCO(三乙烯二胺)0.23

TAA-ol(四甲基哌醇)0.3

催化劑PowderlinkMTSI0.50.4

流平劑Modaflow20001.3

流平劑ResiflowP671.4

安息香1.51.3

鈦白粉R-96040.040.0

固化劑Powderlink11748.06.0

采用復合添加劑的方式甚至可以得到更厚的無缺陷膜。加入配方量5%的增塑劑單硬酸鋁和0.3%的TED的效果如圖九所示。TED和單硬脂酸鋁復合使用可大幅度的降低最低粘度(3.1Pa?s)，提高流動性；這樣可以得到厚達17

表6、無缺陷涂膜性質

涂膜性質TAA-olDABCO

烘烤溫度(℃)190190

最大無針孔厚度(密耳)5.04.5

測試涂膜厚度(密耳)2.2/2.71.8/2.5

甲基

乙基酮擦拭200+200+

涂膜外觀光滑光滑

黃變指數-0.56-1.08

KNOOP硬度12.512.4

正/反沖擊(in*lb)160/160160/160

60°光澤92.394.7

20°光澤78.888.4

儲存穩定性(40℃，天)>21>21

鹽霧試驗，500小時

蠕變性00

外觀1010

耐濕性，60℃，504小時無變化無變化

表7、TAA-ol或DABCO/單硬脂酸鋁催化的1174粉末涂料配方

組份DABCO/DABCO/TAA-ol/

單硬脂酸鋁單硬脂酸鋁單硬脂酸鋁

聚酯樹脂Crylcoat310994.0

聚酯樹脂Crylcoat349394.092.0

單硬脂酸鋁5.05.03.0

DABCO(三乙烯二胺)0.30.2

TAA-ol(四甲基哌醇)0.3

催化劑PowderlinkMTSI0.50.40.5

流平劑Modaflow20001.31.3

流平劑ResiflowP671.4

安息香1.41.41.5

鈦白粉R-96040.040.040.0

固化劑Powderlink11746.06.08.0

密耳的無針孔涂膜，在正常膜厚(1∽3密耳)時其性能保持良好。當這個復合添加劑應用于高Tg，高分支聚酯樹脂Crylcoat3493(UCB化學公司生產)配制的粉末涂料時，流動性仍然很好(最低粘度31Pa?s)，無針孔膜厚度可達10密耳；該配方的優點是具有極好的儲存穩定性，它既可以在較高溫度下快速固

化，也可以在較低溫度下固化。TAA-o1和單硬脂酸鋁復合添加劑也有相似效果(參見表七和表八)。

表8、TAA-ol或DABCO/單硬脂酸鋁催化的1174粉末涂料涂膜性質

涂膜性質DABCO/DABCO/TAA-ol/

單硬脂酸鋁單硬脂酸鋁單硬脂酸鋁

烘烤溫度(℃)200190190

最大無針孔厚度(密耳)171012

測試涂膜厚度(密耳)1.9/3.02.8/3.92.5/2.8

甲基乙基酮擦拭200+20

0+200+

涂膜外觀光滑光滑光滑

黃變指數0.670.36-0.56

KNOOP硬度10.111.812.2

正/反沖擊(in*lb)160/16030/5160/160

60°光澤81.090.099.5

20°光澤50.052.070.5

儲存穩定性(40℃，天)>10>60>21

鹽霧試驗，500小時

蠕變性000

外觀101010

耐濕性，60℃，504小時無變化無變化無變化

五、平滑的TMMGU無光粉末涂料

Powderlink1174固化的粉末涂料的一個獨特性能是通過催化劑的選擇能夠將涂膜外觀由光滑的表面改變為所希望的外觀如平滑無光和皺紋表面，這一點是其他粉末涂料很難做到的。這種特性是不久前用環已烷基氨基磺酸(Cyclamicacid，Abbott實驗室提供)作TMMGU粉末涂料催化劑時發現的(3,7)，在與某些聚酯樹脂搭配時，不用加蠟或二氧化硅就可得到60度光澤為35%∽45%平滑無光膜，并且具有良好的性能(參見表九和表十)。

表九和表十還列出了另外兩個通過選擇催化劑得到的無光粉末涂料配方及其涂膜性質。各種金屬的磺酸鹽用作1174粉末涂料的催化劑都可以得到很好的無光膜，甲磺酸錫是一種特別好的催化劑，它可以給出非常平滑的無光膜，且具有很好的耐沖擊性能和其他機械性能。另外該涂料通過烘烤后不泛黃，且具有極好的耐老化性能。

表9、平滑無光1174粉末涂料配方

組份wt.wt.wt.

聚酯樹脂Crylcoat310994.0

聚酯樹脂Crylcoat349377.4

聚酯樹脂Kuotex1000H63.6

安息香1.41.41.4

催化劑Cyclamicacid0.3

催化劑(2%甲磺酸錫母料)20.030.0

流平劑ResiflowP671.31.31.3

鈦白粉R-96040.040.040.0

固化劑Powderlink11746.06.07.0

表10、平滑無光1174粉末涂料涂膜性質

涂膜性質CyclamicCrylcoatKuotex

acid34931000H

烘烤溫度(℃)190190185

甲基乙基酮擦拭200+200+200+

涂膜外觀光滑光滑光滑

涂膜厚度(密耳)2.52.42.0

黃變指數

-2.4-3.9

KNOOP硬度10.712.812.4

正/反沖擊(in*lb)90/60160/160160/160

60°光澤4850&nbs