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主要討論了一種具有疏油拒水、自清潔、抗塗鴉功能的粉末塗料的研究與開發。該種新型功能塗料基於一種矽改性丙烯酸樹脂，具有憎油、憎水、憎灰塵和自潔性強的性能，它的塗膜對水的接觸角度為85~105°，表面光滑，粘附性小，極易清洗，不易被汙染。具有自我潤滑性能與低摩擦性能，也具有一定的耐擦洗等性能，但是價格比較昂貴。通過控制矽改性丙烯酸樹脂的添加量和採用幹混工藝等加工方式，可以在降低矽改性丙烯酸樹脂用量的同時達到一個比較優良的自清潔效果，大大降低了成本。
0 引言
粉末塗料作為環境友好型塗料的典型代表,在各行各業的應用日趨廣泛，近年來在家具家電和IT行業上的應用很受市場歡迎。小到廚房中必備的油煙機，大到通訊行業的戶外基站，粉末塗料都為它們的外表面起到了保護層的作用。但是各行各業日益增長的對塗膜性能的追求，也不斷向粉末塗料提出了新的要求。例如油煙機的工作環境比較惡劣，經常受到高溫油氣油汙的侵蝕，久而久之會造成油汙沉積在油煙機外殼表面。常規的粉末塗料一般具有一定的親油性，油滴接觸到塗膜表面以後，會立即展開並粘附在其表面，普通擦拭並不能完全去除油汙，久而久之油汙就會變得越來越難以清洗，既影響健康又影響外觀。這樣就要求外殼的塗膜具有疏油、易清潔、耐擦洗、耐洗潔劑等性能。通訊行業內的基站和通訊設備的機櫃同樣需要外表面具有良好的易清潔性能，並且還要求塗膜具有良好的耐候性能。為此，開發一款具有自清潔功能的新型粉末塗料有很大的實用價值和廣闊的市場前景。
1.1 主要原料
矽改性丙烯酸樹脂：實驗室產品；十二烷二酸：英威達DDDA；封閉型二異氰酸酯：贏創VestagonB1530；羥基聚酯樹脂：廣州產協EL1000L；羧基聚酯樹脂：光華新材料GH-1161；雙酚A型環氧樹脂：長春化學BE503；鈦白粉：杜邦TS-6200；硫酸鋇：雙誼化工；粉末塗料通用助劑(流平劑、脫氣劑、促進劑)：市售。
1.2 實驗儀器
雙螺杆擠出機（型號SLJ-25）：山東凌宇通用設備有限公司；高速粉碎機：上海鼎廣機械設備有限公司；高壓靜電噴槍（PG-1-B2）：金馬塗裝（上海）有限公司；高溫烘箱（UT12）：Heraeus；DSC差示掃描量熱儀（Q20）：TA沃特世科技有限公司；圓錐彎曲試驗儀（QTZ）：BYK；光澤儀（4442）：BYK；衝擊性能測定儀（5512）：BYK；氙燈老化儀(CI4000)：阿美特克Ametek。
1.3 自清潔粉末塗料的配方設計及製備
按照正文中的各表格所示配方，稱取樹脂、固化劑、各種助劑和填料進行預混合，熔融擠出，冷卻破碎，粉碎，噴板，然後放入烘箱內固化，固化條件：200℃,15min。
2.1 含羥基官能團的矽改性丙烯酸樹脂體系本研究涉及的含功能基團的矽改性丙烯酸樹脂
分為兩類，一類是帶有羥基的矽改性丙烯酸樹脂；另一類是帶有環氧基的矽改性丙烯酸樹脂，分別應用於不同的基體樹脂體系。兩類樹脂都具有一種基本的結構，其中帶有羥基的矽改性丙烯酸樹脂及其固化反應如圖1所示。
首先這類樹脂的骨架結構是長鏈的聚丙烯酸酯，這也是樹脂的主體結構，然後主鏈的兩側分別是功能性矽鏈段和反應性官能團。矽鏈段起到了實現自清潔功能的作用，反應性官能團可以與適當的固化劑反應，使樹脂自固化或者交聯到基體粉末塗料體系當中去，使得功能性矽得以最大限度的發揮功效，並且化學交聯以後，也能使此種塗料的使用壽命大大延長。固化反應示意圖如圖1。
下面先介紹含羥基官能團的矽改性丙烯酸樹脂和這種自清潔丙烯酸樹脂當作主體使用的性能。把自清潔丙烯酸樹脂當作主體使用雖然成本較高，但是自清潔功能基團的有效成分最高，自清潔效果也最好。
此體系具有非常優異的自清潔性能，普通的水性筆和油性筆很難寫到塗膜上去，寫上去之後字跡會自動收縮成小液滴，用普通的布或者餐巾紙可以毫無費力的完全擦去（圖2）。等到油性筆中溶劑完全揮發乾以後，仍可以不太費力的擦去所有印記。並且這種抗塗鴉效果可以保持相當一段時間，反覆書寫並擦拭100次以後，塗膜仍有相當好的抗塗鴉效果。水接觸角測試表明，此體系塗膜的水接觸角達到了101.17°[圖3（a）]，具有比較高的疏水性，水滴在塗膜表面會自動收縮成圓形，並且流動性相當好，會有類似於荷葉表面的效果。此體系的疏油性也相當優秀，食用油油滴滴在塗膜表面之後，會迅速收縮成圓形，將塗膜稍微傾斜一個角度，油滴就會由於重力滑落到塗膜邊緣並流走，塗膜上完全不會粘附油漬。
但是含羥基官能團的矽改性丙烯酸體系也具有聚氨酯體系的通病，塗膜硬度較高導致機械性能較差，雖然可以通過固化劑和催化劑來調整交聯密度，使機械性能得到一定的改善，但是終究機械性能很難提高很多。從耐候性能上來看，聚氨酯體系也並不是太好，在200hUVB老化之後，塗膜水接觸角衰退到了84.54°[圖3（b）]，自清潔性能大大降低，並且色差和保光率數據也不是太好。而且此體系的生產穩定性較差，從而在實際應用中受到一定的限制。
2.2 含環氧基官能團的矽改性丙烯酸樹脂體系
另一類帶有環氧基官能團的矽改性丙烯酸樹脂的基本結構如圖4所示。
與羥基-異氰酸酯（聚氨酯）體系相比，環氧-二酸體系具有耐候更佳、機械性能更好、針孔更少等優點。其基本配方如表2所示。
此體系的自清潔性能也非常優異，普通的水性筆和油性筆不太容易寫到塗膜上去，寫上去之後字跡會自動收縮成小液滴，用普通的布或者餐巾紙可以毫無費力的完全擦去（圖5），等到油性筆中溶劑完全揮發乾以後，仍可以不太費力的擦去所有印記。並且這種抗塗鴉效果可以保持相當一段時間，反覆書寫並擦拭100次以後，塗膜仍有相當好的抗塗鴉效果。水接觸角測試表明，此體系塗膜的水接觸角達到了99.72°[圖6（a）]。其他疏油疏水性能也和羥基官能團體系非常接近。
環氧-二酸體系的機械性能明顯優於聚氨酯體系，雖然硬度稍低，但是其他各項力學性能均好於聚氨酯體系，塗膜的流平性能和外觀也更好（表3）。從耐候性能上來看，環氧-二酸體系也好於聚氨酯體系，在200hUVB老化之後，環氧-二酸體系塗膜的水接觸角仍能達到89.99°[圖6（b）]，體系仍保有一定的自清潔性能，這是要大大優於聚氨酯體系的，其色變和保光率也都好於聚氨酯體系（表3）。雖然環氧-二酸體系的抗塗鴉性能略微弱於聚氨酯體系（這是由於聚氨酯體系自身具有的緻密度高的特性決定了聚氨酯體系整體就比其他體系的塗膜對記號筆的油墨滲入抵抗性好），但是整體綜合性能是好於聚氨酯體系的。當然，不管是環氧-二酸體系還是聚氨酯體系，如果使用矽改性丙烯酸樹脂作為主體樹脂（質量分數60%以上），其成本還是比較高的，限制了其大規模推廣應用。
2.3 矽改性丙烯酸樹脂/粉末塗料基體混合體系
2.3.1 含羥基官能團的矽改性丙烯酸樹脂/聚氨酯粉末塗料混合體系
正如前面提到的，無論是羥基的聚氨酯體系還是環氧基的環氧-二酸體系，由於使用的都是100%純的矽改性丙烯酸樹脂，其成本還是比較高的，而且由於矽改性丙烯酸樹脂本身其他性能的限制，無法滿足各種應用的需要。因此需要用矽改性丙烯酸樹脂和其他體系進行復配，以起到降低成本、完善性能的目的。
針對兩種不同官能團的矽改性丙烯酸樹脂，分別採用了聚氨酯體系和聚酯-環氧體系來作為主體，將不同質量分數的矽改性丙烯酸樹脂添加入主體中。考慮到矽改性樹脂必須交聯之後才能發揮出更好的效果，所以根據矽改性丙烯酸樹脂的官能團當量配比了相應數量的固化劑。實驗結果表明，通過這種方法完全可以將矽改性丙烯酸樹脂化學交聯到主體當中去。
下面先介紹含羥基官能團的矽改性丙烯酸樹脂/聚氨酯體系，在這個體系中，聚氨酯是主體，含羥基官能團的矽改性丙烯酸樹脂的添加量可以從5%到35%，不同添加量的體系，自清潔性能和其他性能均有所不同，基本配方見表4。
在聚氨酯體系裡交聯入5%的含羥基官能團的矽改性丙烯酸樹脂後，塗膜即具有一定的自清潔性能。
以加入量10%為例，其水接觸角達到了90.73°（圖7），具有比較高的疏水性，水滴在塗膜表面會自動收縮成圓形，並且流動性相當好，會有類似於荷葉表面的效果。此體系的疏油性也相當優秀，食用油油滴塗抹在塗膜表面之後，會迅速收縮成圓形，如圖7所示。油滴被外力鋪成一個「十「字以後[圖8(a)]，迅速自動收攏成圖8(b)的形狀，這個過程不足1s。將塗膜稍微傾斜
一個角度，油滴就會由於重力滑落到塗膜邊緣並流走，塗膜上完全不會粘附油漬。此體系也具有一定的抗塗鴉性，普通的水性筆和油性筆寫上去之後字跡會自動收縮成小液滴，用普通的布或者餐巾紙可以完全擦去，並且這種抗塗鴉效果可以保持相當一段時間，反覆書寫並擦拭50次以後，塗膜仍有一定的抗塗鴉效果。
但是由於聚氨酯體系的特性決定了此體系的塗膜普遍偏脆，機械性能不是太好。而且聚氨酯體系本身也相對比較昂貴，並且厚塗時容易出現針孔，從而限制了它在很多低端產品中的應用。
2.3.2 含環氧基官能團的矽改性丙烯酸樹脂/聚酯-環氧粉末塗料混合體系
為了進一步降低成本，並且改善機械性能及其他性能，採用了聚酯-環氧體系來作為主體，將不同質量份數的矽改性丙烯酸樹脂添加到主體中。在這個體系中，含環氧基官能團的矽改性丙烯酸樹脂的添加量可以從5%到35%。不同添加量的體系，自清潔性能和其他性能均有所不同，基本配方見表5。
在聚酯-環氧體系裡加入5%的含環氧基官能團的矽改性丙烯酸樹脂後，塗膜即具有一定的自清潔性能。以加入量10%為例，其水接觸角達到了83.34°（圖9），具有一定的疏水性，水滴在塗膜表面會自動收縮成圓形，並且流動性相當好。此體系的疏油性也相當優秀，食用油油滴塗抹在塗膜表面之後，會迅速收縮成圓形，如圖10所示，油滴被外力鋪成一個「十「字以後[圖10(a)]，迅速自動收攏成圖10(b)的形狀，這個過程大約只需2~3s。將塗膜稍微傾斜一個角度，油滴就會由於重力滑落到塗膜邊緣並流走，塗膜上完全不會粘附油漬。此體系也具有一定的抗塗鴉性，普通的水性筆和油性筆寫上去之後字跡用普通的布或者餐巾紙可以完全擦去，並且這種抗塗鴉效果可以保持相當一段時間，反覆書寫並擦拭50次以後，塗膜仍有一定的抗塗鴉效果。
與含羥基官能團的矽改性丙烯酸樹脂/聚氨酯體系相比，含環氧基官能團的矽改性丙烯酸樹脂/聚酯-環氧體系的成本大大降低，而且各項力學性能均好於含羥基官能團的矽改性丙烯酸樹脂/聚氨酯體系，塗膜的流平性能和外觀也更好（表6）。雖然環氧-二酸體系的抗塗鴉性能弱於聚氨酯體系（這是由於聚氨酯體系自身具有的緻密度高的特性決定了聚氨酯體系整體就比其他體系的塗膜對記號筆的油墨滲入抵抗性好），但是整體綜合性能是好於聚氨酯體系的，特別是成本上的優勢決定了它可以在低端市場有立足之地。
與純矽改性丙烯酸樹脂體系相比，矽改性丙烯酸樹脂與其他粉末塗料的混合體系具有成本低，機械性能好，外觀好，塗膜性能易於設計控制等優點。雖然自清潔性能弱於純矽改性丙烯酸體系，但是從實用的角度來講，其綜合性能好於純矽改性丙烯酸體系，市場前景也好於後者。
基於矽改性丙烯酸樹脂的新型粉末塗料具有優異的自清潔性能，可以應用在包括家具家電以及通訊行業等諸多需要自清潔性能的領域，應用前景廣闊。
通過與其他普通粉末塗料體系的化學交聯和混合，可以製備成本更低、綜合性能更好、應用領域更廣，實用價值更高的矽改性丙烯酸樹脂/粉末塗料基體混合型粉末塗料。由於成本的大大降低，使得該粉末塗料有機會進入中低端市場，大大增強了該粉末塗料的市場競爭力。
文/戴天賀，陳文浩，吳堅
老虎粉末塗料製造（太倉）有限公司