聚丙烯酸酯类流平剂在粉末涂料中的应用

朱 伟，江建明，唐龙祥，徐卫兵

（1.合肥工业大学化学与化工学院，安徽合肥 230009；2.黄山正杰新材料有限公司，安徽黄山 245200）

聚丙烯酸酯类流平剂在粉末涂料中的应用

朱 伟1，2，江建明2，唐龙祥1，徐卫兵1

（1.合肥工业大学化学与化工学院，安徽合肥 230009；2.黄山正杰新材料有限公司，安徽黄山 245200）

在粉末涂料中，流平剂是一种非常重要的添加剂，其中应用较广的是聚丙烯酸酯类流平剂。重点讨论了聚丙烯酸酯类流平剂的相对分子质量及添加量等对粉末涂料性能的影响。

粉末涂料；流平剂；表面张力；相对分子质量；差示扫描热量法

0 引言

在粉末涂料体系中，表面张力和体系黏度是两个重要的因素，表面张力是涂膜流平的驱动力，黏度制约着熔融粉末涂料的流动。只有当两者达到平衡时，才能得到完美的涂层。流平剂的作用就是调节体系表面张力和黏度之间的平衡，其作用机理如下：

（1） 流平剂的加入降低了粉末涂料体系的熔融黏度，增加了熔融涂料在固化前的流动性。

（2） 由于树脂的有限相容性，使流平剂中的烷基支链迅速逃逸至表面，形成一个单分子层，增加了定向分子结构的密度，使表面张力更均匀，缓解了贝纳德漩涡的产生，减少橘皮形成的可能性。

（3） 降低了熔融涂料与基材之间的界面张力，增加涂料对基材的润湿性，从而降低缩孔施体与缩孔受体间的表面张力梯度。

（4） 改善了树脂对颜填料的润湿作用，且当流平剂从基料树脂中逸出时，排除了基料所吸附的某些气体，避免了缩孔的产生。

流平剂的种类有许多，有丙烯酸酯类、聚有机硅类、氟碳类等，但在粉末涂料行业中，应用最广的还是丙烯酸酯类流平剂。本研究考察了聚丙烯酸酯类流平剂的相对分子质量、添加量等对粉末涂料性能的影响。

1 原材料及仪器设备

1.1 原材料

羧基聚酯（CC2441-2，美国氰特）、TGIC（异氰脲酸三缩水甘油酯，HT-708，黄山华惠）、颜填料及其他功能添加剂，其中以流平剂（HL988，黄山华惠）作为研究对象，其合成路线如下：

1.2 仪器设备

德国Qnix4500膜厚仪、德国BYK-Gardner microgloss 60°光泽仪、QCJ型冲击仪、TA Q200差示扫描量热仪。

2 试验方法

2.1 试验配方

试验1：研究HL988流平剂不同添加量对涂料性能的影响。

A1：无流平剂（空白）；A2：添加配方总量5%的流平剂；A3：添加配方总量10%的流平剂；A4：添加配方总量20%的流平剂。

试验2：研究不同相对分子质量的HL988流平剂（添加量均为配方总量的10%）对涂料性能的影响。

B1：相对分子质量5 000；B2：相对分子质量10 000；B3：相对分子质量20 000；B4：相对分子质量分布较宽（从5 000～20 000）。

所有的粉末涂料样品均在相同的参数条件下制得。

2.2 样板外观检测

将粉末涂料均匀地喷涂在铝制基材上，膜厚一致，经鼓风恒温烘箱在200℃下烘烤10 min，然后在室温下待样板完全冷却后，通过光泽仪测定涂膜光泽、观察样板外观及表面流平性。

2.3 粉末涂料倾斜板流动性测定

称取事先准备好的粉末涂料样品，精确至10 mg。将样品装入圆柱压膜机中，将其压成厚度为（6.5± 0.2）mm的圆饼，用顶推杆推出圆饼。称量圆饼，保证其质量精确至0.01 g。烘箱温度设定为（180±2）℃，并预热。

将金属板水平放在板架上，然后将整个设备放进事先设定好的烘箱内预热15 min。将制备好的粉末圆饼依次放在金属板尾部，迅速将金属板调节至（65±1）°的位置，关好烘箱门。保持15 min后，取出金属板，在水平位置冷却至室温。

用钢尺测量圆饼流动的总长度，以毫米计算。将总长度减去圆饼自身直径，即得粉末涂料圆饼流动长度。

2.4 粉末涂料混容性试验

将研磨好的粉末涂料，分别按一定比例进行混合，然后喷涂、烘烤，观察涂膜表面情况。混容性试验的主要目的是考察不同配方粉末涂料之间的相互干扰性，其依据是不同表面张力的粉末涂料相互之间的影响会导致缩孔等缺陷。

2.5 粉末涂料差示扫描量热法（DSC）测试

差示扫描量热法是在程序升温的条件下，测定试样与参比物之间的能量差随温度变化的一种分析方法。对不同配方的粉末涂料进行DSC测定，并绘制DSC曲线。

3 结果与讨论

3.1 样板外观结果

HL 988流平剂的用量及其相对分子质量分布对涂膜外观的影响见表1。

表1 流平剂的用量及相对分子质量对涂膜外观的影响Table 1 The influence of leveling agent amount and relative molecular weight on the film appearance

由表1可见：在相同的配方中，流平剂的添加量及其相对分子质量对最终涂膜的外观影响很大：

（1） 当配方中没有流平剂时，涂膜的缩孔较大。这是因为聚合物在熔融固化过程中，受到各种因素的干扰，造成涂膜在收缩过程中表面张力不均匀，形成贝纳尔德漩涡。

（2） 当配方中流平剂的用量不足时，缩孔缺陷得到缓解，但并未完全消除。这是因为当体系中有了一定量的流平剂时，在熔融流平过程中，流平剂迅速迁移到涂膜表面，形成一层单分子层，使涂膜表面张力趋于均衡，消除了部分贝纳尔德漩涡，但由于流平剂的用量不足，局部区域不能完全覆盖，表面缺陷仍然存在。

（3） 当配方中流平剂的用量适中时，迁移到涂膜表面的流平剂能够完全将贝纳尔德漩涡消除，使整个体系的表面张力完全均匀，此时得到的涂膜是最理想的。

（4） 继续增加流平剂的用量，发现涂膜表面也没有缩孔的缺陷，但是在涂膜表面却形成了一层薄薄的油层。这是因为当体系中流平剂过量时，大量的流平剂迁移至涂膜表面，完全覆盖了涂膜，反而降低了涂膜的鲜映度。

另外，从B1～B4可以看出，流平剂的相对分子质量分布宽窄对涂膜外观也有较大影响，相对分子质量分布较宽的流平剂（B4）迁移到涂膜表面的能力不同，造成涂膜外观不够细腻；B1～B3流平剂的相对分子质量分布较窄，在涂膜熔融流平过程中，流平剂能更均匀地迁移到涂膜表面，使涂膜更细腻光滑。

3.2 倾斜板流动性

粉末涂料倾斜板流动性测试结果见图1。

图1 粉末涂料倾斜板流动性的测试结果Figure 1 The test results of fluidity of powder coatings on inclined plate

由图1可看出：在粉末涂料体系中，随着流平剂用量的增加（A1～A4），体系黏度呈下降趋势；在流平剂用量相同的情况下（B1，B3），体系黏度基本不随流平剂相对分子质量大小的变化而变化。

流平剂的加入能有效降低粉末涂料熔融初级阶段的体系黏度，利于熔融态粉末涂料的流动。

3.3 混容性试验结果

粉末涂料混容性试验结果见表2。

表 2 粉末涂料混容性试验结果Table 2 The compatibility test results of powder coatings

由表2可见：在流平剂足量的前提下，虽然其添加量不同，但是制得的粉末涂料（A3与A4混溶）相互之间没有影响；同一款流平剂，相对分子质量大小不同（B1与B2、B1与B3）制得的粉末涂料相互之间没有影响。

3.4 粉末涂料DSC测试结果

粉末涂料差示扫描量热法（DSC）曲线见图2。

图2 粉末涂料的DSC曲线Figure 2 The DSC curve of powder coatings

由图2可见：流平剂的添加会降低体系的玻璃化转变温度（Tg），最终涂膜的Tg也得到降低；流平剂相对分子质量的大小也直接影响了粉末体系的Tg，但对最终涂膜的Tg影响不大。

4 结语

（1） 在粉末涂料配方体系中，流平剂的主要作用是调节体系的表面张力。

（2） 流平剂加入到粉末涂料配方中，会降低涂料体系的Tg，且流平剂用量越大，体系Tg降低得越多。

（3） 在流平剂用量相同的情况下，流平剂本身的相对分子质量越小，对涂料体系的Tg降低得越多。

（4） 流平剂加入至粉末涂料配方中能降低涂料体系的黏度，但降低程度不随其相对分子质量大小改变而改变。

（5） 流平剂加入至粉末涂料中能降低体系的表面张力，其降低涂膜表面张力的能力不随其相对分子质量大小的改变而改变，即同一款流平剂，相对分子质量大的与相对分子质量小的对体系表面张力的降低程度相同。

根据高分子材料表面张力（ρ）与相对分子质量（Mn）的关系：

式中：ρ∞—当相对分子质量无穷大时，聚合物的表面张力；Kb—等比张容。

查阅文献可知：甲基丙烯酸正丁酯单体的相对分子质量是141.2、表面张力是26.4 mN/m、Kb为360.3。从而间接推导出ρ∞=39.7，然后反推出不同相对分子质量流平剂的表面张力：

Mn=1 000时，ρ=36.1 mN/m；

Mn=2 000时，ρ=37.5 mN/m；

Mn=3 000时，ρ=38 mN/m；

Mn=5 000时，ρ=38.5 mN/m；

Mn=10 000时，ρ=39 mN/m；

Mn=20 000时，ρ=39.2 mN/m。

从以上数值可以看出，当流平剂的相对分子质量＞5 000时，ρ与ρ∞已经非常接近，这也证实了同系流平剂相对分子质量不同，降低体系表面张力的能力是一样的。

1 张华东.粉末涂料与表面张力［J］.中国涂料，2003（4）：43-46.

2 南仁植.粉末涂料与涂装技术［M］.北京：化学工业出版社，2000.

3 黄玉东.聚合物表面与界面技术［M］.北京：化学工业出版社，2003.

4 T.A. Misev. Powder Coatings，Chemistry and Technology［M］. J. Wiley & Sons，New York，1991.

5 何曼君，等.高分子物理［M］.上海：复旦大学出版社，2001.

6 D.G. Legrand. The Molecular Weight Dependence of Polymer Surface Tension［J］. Journal of Colloid and Interface Science，1969，31（2）：162-167.

Application of Polyacrylate Levelling Agent in the Powder Coatings

Zhu Wei1，2，Jiang Jianming2，Tang Longxiang1，Xu Weibing1
（1.College of Chemistry and Chemical Engineering，Hefei University of Technology，Hefei Anhui，230009，China；2.Huangshan Zhengjie New Materials Co.，Ltd.，Huangshan Anhui，245200，China）

Levelling agent is a kind of important additive in the powder coatings. The most popular and widely used levelling agent in powder coatings is polyacrylate levelling agent. This research focused on the influence of relative molecular weight and amount of polyacrylate levelling agent on the performance of powder coatings.

powder coatings；levelling agent；surface tension；relative molecular weight；DSC

TQ 630.4+9

A

1009-1696（2017）01-0025-04

2016-08-08

朱伟（1985—），男，大学本科，高分子材料科学与工程专业。