四甲氧基甲基甘脲研究論文

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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。

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)。

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。

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

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）

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

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)。

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。

圖十一是一涂履環已烷基氨基磺酸催化的Powderlink1174無光粉末涂料樣板的照片，很明顯該涂料外觀平滑，流平極佳。圖十二是同一樣板45倍顯微照片。盡管手摸眼看樣板是平滑的，但顯微照片表明涂膜表面上布滿了微小花紋，外觀幾乎是微粒狀的。正是這種表面使光線發生有效散射，導致宏觀平滑無光的涂膜表面。

六、耐久性TMMGU皺紋、花紋粉末涂料

皺紋、花紋粉末涂料正在贏得某些液體涂料甚至平滑粉末涂料所占據的傳統市場，這種涂料令人爽心悅目，手感可從柔軟的改變到堅韌的甚至粗糙或毛糙的。人們發現Powderlink1174粉末涂料用幾種不同的胺封閉磺酸催化時，可得到外觀極好的耐候皺紋粉末涂料（8）。雖然人們都知道有同類型的環氧基粉末涂料(9)，但到目前為止，這類涂料還很難得到耐候性皺紋涂料。由于Powderlink1174粉末涂料本身具有極佳的耐候性能，因此使用胺封閉磺酸催化劑就可配制耐候性優異的皺紋粉末涂料。另外高的聚酯樹脂/固化劑比(94/6)也使它具有經濟優勢。它的用途包括收錄機、影碟機、計算機、家用電器及其它電子、電氣產品、室外家具、柵欄、球場設施及卡車工具箱也是其潛在用途。

表十一列出了皺紋性TMMGU粉末涂料配方，在這些配方中用胺封閉磺酸作催化劑。配方A中催化劑為二甲基乙醇胺封閉的對甲苯磺酸鹽(DMEA/P-TSA鹽)，配方B為二甲胺基丙醇封閉的對甲苯磺酸鹽(DMAMP/P-TSA鹽，氰特工業有限公司產，商品名為WL-catalystX-320)。配方C為三氟甲磺酸二乙胺鹽(3M化工公司產品，商品名為FluoradFC-520催化劑)(10)，所有這些催化劑都是以溶液形成得到的，必須與聚酯樹脂通過熔融混合做成母料并除去溶劑。

從表一十二可知，上述配方制備的皺紋粉末涂料性能都很好。配方A加入了0.3%的DMEA/p-TSA催化劑，得到仿皮感的重皺紋涂膜；配方B加入了0.3%DMAMP/p-TSA催化劑，得到一種令人愉快的無規花紋涂膜，它手感柔軟更為平滑；而配方C加入了0.3%的FluoradFC-520催化劑，得到一種有點星狀的皺紋涂膜，它手感較為粗糙或毛糙，令人聯想起古老的鑄鐵表面。圖一十三和一十四分別為WL-catalystX-320和FluoradFC-520封閉磺酸催化的1174粉末涂料樣板的照片，他們都具有令人悅目的外觀，只是花紋象上面所說的有點不同。他們的顯微照片更能說明問題，圖一十五是X-320的顯微照片，其皺紋花樣為無規狀，寬度0.25∽0.50mm，平均膜厚5∽8密耳，無針孔（我們發現膜厚超過10密耳也沒有針孔）。圖一十六是FC-520的顯微照片，它顯示星狀外觀；星狀花紋中心沒有針孔，它只是好幾條皺紋的會聚點；我們發現不論星形出現與否，該涂料都具有很好的性能。

采用新的聚酯樹脂如Crylcoat3493，Kuotex1000H（產協企業股份有限公司產）和Rucote620（Ruco聚合物公司產）配制1174皺紋性粉末涂料，其性能具有良好的重現性。最近UCB化工公司推出的一種新的聚酯樹脂Crylcoat820和一種新的皺紋性催化劑Crylcoat120，是為配制耐久性的1174皺紋粉末涂料專門設計的。另一途徑是采用Synthron公司的SI32-18a催化劑，它是以附載在固體負載物上的形式提供的。所有以上產品與TMMGU正確配合的話都可以得到性能優異的美麗的皺紋性粉末涂料。表一十三和表一十四列出了一些配方及其涂膜性質。加入少量的著色顏料，則可以得到各種漂亮動人的彩色皺紋涂料。（見表一十五和表一十六）

七、結論

Powderlink1174作為一種耐久性粉末涂料交聯劑，給粉末涂料工業帶來了新的配方選擇，該交聯劑能提供普通的耐候高光厚涂膜、平滑無光和皺紋涂膜。通過使用添加劑可以調節酸催化劑強度和固化前的流變性能，從而得到非常厚的、性能良好的高光無缺陷粉末涂料。使用環己烷基氨基磺酸或其他催化劑配制無光粉末，使用胺封閉磺酸催化劑配制皺紋粉末，這點在粉末涂料工業是獨特的。皺紋性粉末涂料最終外觀和性能取決于胺封閉磺酸的類型和濃度，皺紋的深淺和手感也是一樣。

總之，含有Powderlink1174交聯劑的粉末涂料具有化學多樣性，各種方式包括加入添加劑和催化劑都可以改善其流動性能，最終得到所需要的涂膜性質和外觀，以滿足不同的應用要求。