摘要：为了开发应用于户外的MDF粉末涂料，对比了六种支持低温固化的聚酯并优选出其中一种，在此基础上，进一步研究了促进剂添加量对于低温固化粉末涂料及涂膜性能的影响，并测试了涂膜的耐人工气候老化性能，研究结果表明：随着促进剂用量的增加，粉末涂料起始固化温度降低，反应速度增加，挤出时物料粘度明显加大并且物料温度随之升高，后综合实验结果选择合适的促进剂添加量为0.4%，最终制得具有一定耐人工老化性能的适用于MDF喷涂的户外用粉末涂料。
0 引言
粉末涂料被广泛应用在多个领域，如汽车零部件、家电和电子产品、管道和管件、木制品及家具等等。其中，中密度纤维板(MDF)是目前木制家具市场应用最为广泛的材料。目前MDF的装饰工艺主要有低/高压三聚氰胺贴面、塑料膜贴面、单板贴面涂料喷涂。但贴面树脂存在游离甲醛，且MDF板材本身孔隙率较大，用涂料涂覆后木纤维毛细孔会受影响，家具成型后在使用过程中也会有甲醛的释放。基于国家环保政策的相继出台，人们对于MDF家具环保施工的需求愈发强烈，MDF粉末喷涂也迎来了新的机遇。MDF是由木纤维和树脂粘合剂制成的板材，材料本身的热导率仅有0.07W/(m·K)，相比于粉末涂料传统应用的金属基材，热导率非常低，传热性能很差，且MDF的制造过程中使用的树脂粘合剂通常是热敏性的，在高温下会发生分解或软化，木质纤维中的纤维素和半纤维素分解产生的热解产物会导致板材的理化性质改变，加之板材内部有较多的孔隙，当高温作用于MDF时，空隙中的空气会膨胀产生压力。导致板材内部的应力集中，破坏板材的结构和性能，由于以上因素的限制，MDF喷涂用粉需要在130~140 ℃之间较低温条件下完成固化。近年来，随着节能减排趋势的推进，低温固化粉末涂料有明显发展，粉末固化温度由原来的160℃降低到120~140 ℃，但多为工程机械等金属基材，应用到MDF板上的粉末涂料并不多，且目前研发的MDF粉末主要均为聚酯/环氧体系，涂层的光老化性能较差、故本研究以开发MDF用低温固化纯聚酯粉末涂料为目标，首先对比了几种支持低温固化的聚酯树脂并优选出其中的一种，在此基础上，进一步研究了促进剂添加量对于低温固化粉末涂料及涂膜性能的影响，并测试了涂膜的耐人工气候老化性能，以期将该粉末涂料应用在MDF上并具有一定的耐光老化性能，使得喷涂后的MDF可以良好的应用于户外休闲家具等领域。
1 实验配方设计
1.1 固化剂的选择由于环氧树脂不能够长期地耐受紫外线照射，户外用粉末涂料多采用聚酯与其他交联固化剂反应来增加涂膜对紫外线的耐受性，常用的固化剂主要有3种类型：异氰尿酸三缩水甘油酯(TGIC)、β-羟烷基酰胺(HAA)、异氰酸酯类。β-羟烷基酰胺(HAA)与聚酯树脂的羧基发生的是缩合反应，固化时有水分子产生易出现缩孔，且体系抗黄变性能较差，而且目前暂无有效的固化促进剂，体系固化速率不易调整；异氰酸酯类固化剂由己内酰胺封闭，解封温度为160-170℃，当施工温度超过140℃极大可能导致中密度纤维板中的合成树脂软化甚至分解，板材板材发生变形和膨胀，失去原有的结构和强度；因此本文选择TGIC作为固化剂。
1.2 树脂的选择中密度纤维板不同于此前粉末喷涂较多的金属基材，是一种木质纤维复合材料，其主要成分是细木纤维和合成脂肪胺胶粘剂，板材在高温下容易受损，因此喷涂于中密度纤维板上的粉末需要在(130-150)℃之间完成固化，我们选择了6种支持低温固化的聚酯按照表1的基础配方对比了纯聚酯1#到纯聚酯6#制备的粉末涂料及其性能，结果如表2所示。
结合表2和图1(DSC曲线)的数据可知，纯聚酯3#和6#制备的粉末涂料固化反应峰值温度分别为162.8℃和163.8℃，固化需要的温度偏高：纯聚酯1#、3#、5#、6#制备的粉末涂料150℃下的胶化时间均大于400s，反应速度偏慢；将6种纯聚酯制得的粉末涂料喷涂于实验板后，在(130-140)℃/(3-5)min 条件烘烤固化，取涂层进行DSC测试，计算后得到涂层固化度，纯聚酯2#和6#制备的粉末涂料固化都达到55%以上，综上实验结果及配方成本考虑，选择纯聚酯2#作为下一步实验的聚酯。
2 实验部分
2.1 实验主要仪器挤出机：SLJ-32，山东海阳静电设备有限公司：差示扫描量热仪：DSC214，德国耐驰；电热恒温鼓风干燥箱：DHG-914385-Ⅲ，上海新苗实业有限公司
2.2 粉末涂料及涂层的制备按表3配方制备纯聚酯粉末涂料，基本工艺流程为：配料、预混、挤出、压片、粉碎、过筛。制得的粉末采用静电喷涂方式进行喷涂，在(3-5)min@(130-140)℃ 条件下固化得到粉末涂层，并检测相关性能。
2.3 性能检测
3 结果分析
3.1 促进剂对于固化温度的影响
在体系中添加促进剂能够有效的降低涂膜固化反应的温度，但具体添加量还需要通过具体的测试确定，基于表2筛选出的纯聚酯2# ，延申三组配方探究促进剂添加量对于户外用MDF粉末性能的影响。表5为不同添加量促进剂制得粉末喷涂后在130℃*(3-5)min固化后涂层的性能。由表5数据可得，随着促进剂量的增加，粉末固化反应峰值温度(T p)明显降低，由139.8℃降为122℃，这一实验结果表明添加固化促进剂可有效地提高该体系的反应速度且能够有效地降低交联反应的起始温度。此外，固化促进剂的加入还会使得体系的反应热增加，促进剂加越大，体系胶化时间越短。从涂层光泽来看，促进剂用量增加时，涂层光泽受到明显影响，这是因为粉末涂料在受热固化成膜过程中有几个阶段。第一阶段是粉末开始熔融，体系黏度降低；第二阶段是当外界温度超过其反应活化能时，聚酯与固化剂开始发生交联反应，熔融黏度持续增大；第三阶段是当固化反应达到一定程度后，涂膜无法流动，进入胶化状态，直至固化反应完全，形成致密的涂膜。随着促进剂用量的增加，粉末涂料起始固化温度降低，反应速度增加，由于聚酯材料本身的物理性质，粉末开始熔融的温度不变，这导致了粉末涂料从开始熔融到完全不能流动的时间减短，再加上砂纹剂对于涂层表面张力的作用，使得涂层表面更加粗糙，光泽变低。在挤出工艺上，实验发现，同等挤出条件下，促进剂加量越大，挤出时物料粘度明显加大并且物料温度随之升高，而低温粉体的反应活性较常规粉末很高，体系粘度过高对于低温体系粉体的生产是比较不利的因素，综合以上考虑，最终选择促进剂加量在0.4%的配方更为适宜。
3.3 户外用中密度纤维板粉末涂料的综合性能分析综合以上实验，采用2#聚酯和TGIC固化，配方中加入0.4%的促进剂，制备了户外用MDF低温固化粉末涂料，将该低温固化粉末涂料喷涂在前处理后MDF板上进行中波红外固化，对喷涂后的样板进行光老化测试，测试结果如表6所示。测试结果表明，当前实验研发的户外用MDF粉末涂料对于板材具有一定的防护性能，在原有户内产品的基础上，丰富了耐人工气候老化的性能，满足实验预期的结果，由于粉末喷涂后的中密度纤维板的耐候性能与板材前处理、喷涂工艺、固化程度以及具体使用环境等因素相关，距离粉末喷涂中纤板广泛应用于商业市场还有待推进。
4 结语
在政策上，国家连续两个五年计划均对于化工行业提出了挥发性有机物的减排要求，对于木器适用的三种常规涂膜，粉末涂料具有绝对优势，可以做到基本无挥发物排放，基于国家环保政策驱动及行业多年培育和拓展，MDF粉末喷涂领域出现了井喷增长态势，通过以上对于原有MDF粉配方体系的调整及促进剂用量的调整，阶段性的研发出了适用于户外环境MDF材料喷涂的粉末涂料，增强了原有涂层的耐光老化性能，推进了粉末涂料在MDF家具上的应用，有效提高了产品市场竞争力。
来源：粉末涂料与涂装 2024会刊
文 / 刘雅杰 / 刘际平 (万安实业集团有限公司)
参考文献：[1]王慧丽，袁辉强，董亿政，许伟坤，范萍等 中密度板(MDF)用聚酯_环氧粉末涂料的制备与应用，涂料工业2021，51(3).[2] 吴正慧，巴旭民，王爱成 中密度纤维板(MDF)粉末涂料低温固化技术研究 涂料工业2022
