搜料網(wǎng)資訊：

近年來(lái)，隨著國(guó)家環(huán)保政策的日益嚴(yán)格和對(duì)VOC處理力度的加強(qiáng)，各種法律法規(guī)接連出臺(tái)，傳統(tǒng)溶劑型涂料由于環(huán)保、安全、VOC排放等問(wèn)題被限制使用。對(duì)比溶劑型涂料，粉末涂料從全生命周期角度考慮，環(huán)保優(yōu)勢(shì)顯著，成為國(guó)家重點(diǎn)支持發(fā)展的產(chǎn)業(yè)。涂料的 2大功能是裝飾和防護(hù)，對(duì)于在戶外使用的產(chǎn)品，耐氣候老化性能是人們最關(guān)注的指標(biāo)之一，體現(xiàn)了產(chǎn)品的使用壽命。評(píng)價(jià)老化性能的方法通常有自然曝曬和人工加速老化，其中自然曝曬最接近日常使用效果。同一款產(chǎn)品在不同氣候環(huán)境下，由于自然界溫度、濕度、紫外光強(qiáng)度、日照時(shí)間等因素不同，會(huì)呈現(xiàn)出不同的使用壽命。研究涂料使用壽命和服役環(huán)境的關(guān)系，是涂料工作者重點(diǎn)研究方向之一。

時(shí)宇^[1]、毛海榮^[2]等對(duì)比了粉末涂料在海南瓊海濕熱環(huán)境下的涂層老化性能與氙燈加速老化實(shí)驗(yàn)兩者的相關(guān)性，重點(diǎn)在于研究建立兩者的對(duì)應(yīng)關(guān)系。顏景蓮^[3]對(duì)比了粉末涂料在拉薩、敦煌和廣州 3 種條件下的自然曝曬和氙燈人工加速老化實(shí)驗(yàn)的異同點(diǎn)，研究結(jié)果指出聚酯粉末涂料的失光主要是由于紫外線引起的，色差則主要是由于發(fā)生水解反應(yīng)引起的。陳旭峰等[4]測(cè)評(píng)了粉末涂料在武漢氣候環(huán)境下自然曝曬和紫外 313 nm 燈（QUVB）人工加速老化的對(duì)應(yīng)關(guān)系，但其測(cè)評(píng)樣本只有 2個(gè)，相對(duì)較少，可再作深入研究。Maetens[5]研究了含對(duì)苯二甲酸（PTA）和間苯二甲酸（IPA）結(jié)構(gòu)樹(shù)脂在佛羅里達(dá)環(huán)境下的曝曬性能，側(cè)重研究了聚酯樹(shù)脂單體結(jié)構(gòu)和涂層老化性能的關(guān)系。Gheno 等[6]對(duì)比含 PTA 和 IPA 結(jié)構(gòu)樹(shù)脂在紫外燈不同波長(zhǎng)（313 nm 和 340 nm）條件下涂層老化性能，側(cè)重于機(jī)理研究。馬志平等[7]研究了聚酯粉末涂料涂層在紫外燈 313 nm（QUVB）下老化性能，通過(guò)保光率、羰基指數(shù)、SEM 和 EDS 聯(lián)用、XPS表征涂層表觀、微觀性能的變化，同樣是側(cè)重機(jī)理研究。郭志超等[8]使用了紫外燈 340 nm（QUVA）研究涂層的老化性能，探討聚酯樹(shù)脂、固化劑、紫外光吸收劑等對(duì)涂層耐候性的影響，側(cè)重粉末涂料配方的研究。

綜上所述，目前對(duì)粉末涂料涂層老化的研究更多集中在原材料、涂料配方、老化機(jī)理、建立人工老化和自然曝曬關(guān)系等焦點(diǎn)上，即便是戶外自然曝曬研究，也相對(duì)孤立，只研究特定條件下老化性能。由于全球氣候環(huán)境復(fù)雜，同一產(chǎn)品在全球典型氣候環(huán)境條件下老化性能相對(duì)缺乏，本文研究同一粉末涂層在濕熱氣候（邁阿密，美國(guó)佛羅里達(dá)）、干熱氣候（鳳凰城，美國(guó)亞利桑那）、濕熱沿海氣候（三亞）、濕熱氣候（瓊海）、亞濕熱氣候（廣州）、寒冷氣候（海拉爾）、高原氣候（西藏拉薩）、干熱氣候（新疆吐魯番）共 8 種氣候環(huán)境（對(duì)應(yīng)文中 8 個(gè)站點(diǎn)）下的自然老化性能，以期指導(dǎo)粉末涂料的相關(guān)研究和應(yīng)用。

1 試驗(yàn)部分

1. 1 試驗(yàn)原料與儀器

聚酯樹(shù)脂：Ⅰ級(jí)膜層性能級(jí)別（依據(jù)GB/T 5237. 4—2017），擎天材料科技有限公司；三縮水甘油基異氰尿酸酯固化劑（TGIC）：PT810，日本尼桑；β-羥烷基酰胺固化劑（HAA）：XL-552，EMS 瑞士化學(xué)；異氰酸酯固化劑：B1530，贏創(chuàng)；鈦白粉：CRL696，美禮聯(lián)；硫酸鋇：超細(xì)沉淀硫酸鋇，陜西富平；流平劑：P67，美國(guó)埃斯特綸；安息香：南海奉化。以上原材料均為工業(yè)級(jí)。

多角度光澤儀：BYK 4430 微型，德國(guó) BYK；色差儀：CM2300D，美能達(dá)。

1. 2 粉末涂料及樣板的制備

按表 1 基礎(chǔ)配方制備粉末涂料，將涂料噴涂于Q235鋼板兩面，鋼板尺寸為 70 mm×150 mm×0. 5 mm。固 化 條 件 ，聚 酯/TGIC 涂 料 為 200 ℃/10 min，聚酯/HAA 涂 料 為 180 ℃/15 min，聚 酯/B1530 涂 料 為200 ℃/15 min，得到厚度為 80~100 μm的涂層。

1. 3 自然曝曬試驗(yàn)

直接大氣曝曬，南向，45°，無(wú)背板。試驗(yàn)樣品每月和每次檢測(cè)前應(yīng)進(jìn)行清洗。清洗時(shí)使用純凈水和柔軟棉布對(duì)試樣外表面進(jìn)行徹底清洗后晾干。第 1年每 3 個(gè)月測(cè)試/檢查一次，從第 2 年起，每 6 個(gè)月測(cè)試/檢查 1次，每次每組樣品取 3件進(jìn)行測(cè)試。以涂層保光率低于 50% 作為評(píng)判依據(jù)，當(dāng)測(cè)試到涂層保光率低于 50%后即停止自然曝曬試驗(yàn)。

1. 4 性能測(cè)試

涂層光澤（60°）采用多角度光澤儀按照 GB/T9754—2007 進(jìn)行測(cè)試；涂層色差采用色差儀按照GB/T 7921—2008進(jìn)行測(cè)試。因曝曬試驗(yàn)在不同地區(qū)進(jìn)行，為將誤差降到最低，性能是按照指定方法委托專門測(cè)試機(jī)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2. 1 影響涂層材料老化的關(guān)鍵環(huán)境條件分析

開(kāi)展自然曝曬試驗(yàn)的 8 個(gè)試驗(yàn)站的基本環(huán)境條件如表 2所示。

由表 2可知，8個(gè)站點(diǎn)的太陽(yáng)輻照條件來(lái)看，可以分成 4個(gè)等級(jí)：年輻照量超過(guò) 8 000 MJ/m²的站點(diǎn)為鳳凰城，輻照量在 6 400~7 100 MJ/m²的站點(diǎn)為拉薩、吐魯番、邁阿密；輻照量在 5 000~5 700 MJ/m²的站點(diǎn)為三亞、海拉爾；輻照量在 4 300 MJ/m²左右的站點(diǎn)為瓊海和廣州。

從 8 個(gè)站點(diǎn)的濕度條件來(lái)看，可以分成 3 個(gè)等級(jí)：年平均相對(duì)濕度高于 70% 的高濕地區(qū)，包括三亞、瓊海、邁阿密、廣州站點(diǎn)；相對(duì)濕度在 40%~65%的站點(diǎn)有海拉爾和拉薩；相對(duì)濕度低于 35% 的干旱地區(qū)，包括鳳凰城和吐魯番站點(diǎn)。從 8個(gè)站點(diǎn)的溫度條件來(lái)看，瓊海、三亞、邁阿密（佛羅里達(dá)）、廣州、鳳凰城（亞利桑拿）5 個(gè)站點(diǎn)的年平均溫度高于 20 ℃，而其他 3 個(gè)站點(diǎn)溫度較低且相互之間差異較大，溫度由高到低依次為：吐魯番（17. 5 ℃）、拉薩（8. 7 ℃）、海拉爾（0. 5 ℃）。

2. 2 聚酯/TGIC涂層耐老化性

聚酯/TGIC 粉末涂料以羧基樹(shù)脂與環(huán)氧基固化劑為主要成膜物，在中國(guó)占據(jù)了耐候型粉末涂料的大部分市場(chǎng)份額，也是應(yīng)用時(shí)間最長(zhǎng)、性能最成熟的粉末涂料。圖 1 是在 8 種氣候環(huán)境下自然曝曬后涂層保光率數(shù)據(jù)。

從圖 1 可見(jiàn)，涂層保光率從高到低按站點(diǎn)變化大致情況如下，海拉爾（寒冷氣候）>吐魯番（干熱氣候）>廣州（亞濕熱氣候）>邁阿密（濕熱氣候）>鳳凰城（干熱氣候）>拉薩（高原氣候）>瓊海（濕熱氣候）>三亞（濕熱沿海氣候）。從圖 1 還可知，涂層在自然曝曬周期內(nèi)，在海拉爾（寒冷氣候）和吐魯番（干熱氣候）保光率變化趨勢(shì)相對(duì)穩(wěn)定，其次是廣州（亞濕熱氣候），而在三亞（濕熱沿海氣候）涂層保光率變化速度最快。

圖 2 是在 8 種氣候環(huán)境下自然曝曬后涂層色差數(shù)據(jù)。

從圖 2 可見(jiàn)，三亞站點(diǎn)涂層色差增加速度最快，涂層色差從高到低按站點(diǎn)變化大致情況如下，廣州（亞濕熱氣候）>海拉爾（寒冷氣候）≈三亞（濕熱沿海氣候）>拉薩（高原氣候）>瓊海（濕熱氣候）>吐魯番（干熱氣候）≈邁阿密（濕熱氣候）≈鳳凰城（干熱氣候）。為了便于分析，可將色差從小到大分成 3 個(gè)檔次，第一檔曝曬周期內(nèi) ΔE<0. 5，包括邁阿密、鳳凰城和吐魯番；第二檔曝曬周期內(nèi) 0. 5< ΔE<1. e="">1. 0，只有廣州 1 個(gè)站點(diǎn)，而且是第 30 個(gè)月時(shí) ΔE才大于 1。其中海拉爾色差較高的原因可能是因?yàn)樽贤饩€強(qiáng)，紫外線強(qiáng)度與緯度、海拔相關(guān)，海拉爾海拔和緯度相對(duì)較高，紫外線強(qiáng)度相對(duì)較大。總體而言，聚酯/TCIC 涂層老化（保光率低于 50%）后色差變化不大。

2. 3 聚酯/HAA涂層耐老化性

聚酯/HAA粉末涂料以羧基樹(shù)脂與羥基固化劑為主要成膜物，相對(duì)于 TGIC，HAA 具有顯著環(huán)保優(yōu)勢(shì)，隨著環(huán)保要求提高，聚酯/HAA 粉末涂料用量呈現(xiàn)快速增加趨勢(shì)。圖 3 是在 8 種氣候環(huán)境下自然曝曬后涂層保光率數(shù)據(jù)。

從圖 3可見(jiàn)，涂層保光率從高到低按站點(diǎn)變化大致情況如下，海拉爾（寒冷氣候）>吐魯番（干熱氣候）>廣州（亞濕熱氣候）>瓊海（濕熱氣候）>鳳凰城（干熱氣候）>邁阿密（濕熱氣候）>拉薩（高原氣候）>三亞（濕熱沿海氣候）。從圖 3還可知，涂層在自然曝曬周期內(nèi)，在海拉爾（寒冷氣候）和吐魯番（干熱氣候）保光率變化趨勢(shì)相對(duì)穩(wěn)定，三亞（濕熱氣候）和拉薩（高原氣候）涂層保光率變化速度最快，且變化趨勢(shì)類似。

圖 4 是在 8 種氣候環(huán)境下自然曝曬后涂層色差數(shù)據(jù)。

由圖 4可知，涂層色差從高到低按地區(qū)變化大致情況如下，廣州（亞濕熱氣候）≈三亞（濕熱沿海氣候）>吐魯番（干熱氣候）>邁阿密（濕熱氣候）>海拉爾（寒冷氣候）≈鳳凰城（干熱氣候）>瓊海（濕熱氣候）>拉薩（高原氣候）。從圖 4 還可知，曝曬 3 個(gè)月后，8個(gè)站點(diǎn)色差均快速增加，色差 ΔE>1，曝曬 9個(gè)月后，各個(gè)站點(diǎn)色差變化不大，趨向穩(wěn)定。而按上述色差檔次劃分方法，8個(gè)站點(diǎn)老化后涂層色差都處于第三檔。

2. 4 聚酯/B1530涂層耐老化性

聚酯/B1530 粉末涂料以羥基樹(shù)脂與異氰酸酯固化劑為主要成膜物，聚氨酯粉末涂料具有耐溶劑性能好、表面硬度高等眾多優(yōu)點(diǎn)，但是異氰酸酯固化劑價(jià)格貴，聚氨酯粉末涂料在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占比不高。圖 5 是在 8 種氣候環(huán)境下自然曝曬后涂層保光率數(shù)據(jù)。

從圖 5可見(jiàn)，涂層保光率從高到低按站點(diǎn)變化大致情況如下，海拉爾（寒冷氣候）>吐魯番（干熱氣候）>廣州（亞濕熱氣候）>瓊海（濕熱氣候）>邁阿密（濕熱氣候）>鳳凰城（干熱氣候）>拉薩（高原氣候）>三亞（濕熱沿海氣候）。從圖 5還可知，涂層在自然曝曬周期內(nèi)，三亞（濕熱沿海氣候）和拉薩（高原氣候）涂層保光率變化速度最快，且變化趨勢(shì)類似；涂層保光率變化速度次之的是邁阿密和鳳凰城，且變化趨勢(shì)也類似。

圖 6 是在 8 種氣候環(huán)境下自然曝曬后涂層的色差。

涂層色差從高到低按站點(diǎn)變化大致情況如下，拉薩（高原氣候）>廣州（亞濕熱氣候）>吐魯番（干熱氣候）>海拉爾（寒冷氣候）≈三亞（濕熱沿海氣候）>瓊海（濕熱氣候）>邁阿密（濕熱氣候）≈鳳凰城（干熱氣候）。按上述劃分方法，色差變化在第一檔的為邁阿密、鳳凰城和瓊海；第二檔的為三亞、廣州、海拉爾和新疆吐魯番；第三檔為拉薩。

2. 5 不同體系涂層在不同氣候環(huán)境下耐老化性分析

依據(jù)涂層保光率大小來(lái)表征老化速度，涂層保光率越高，老化速度越慢。表 3為涂層在不同氣候環(huán)境下老化速度趨勢(shì)。

從表 3 可見(jiàn)，對(duì)于聚酯/TGIC、聚酯/HAA 和聚酯/B1530粉末涂料，其涂層在海拉爾（寒冷氣候）、吐魯番（干熱氣候）、廣州（亞濕熱氣候）和三亞（濕熱沿海氣候）4 個(gè)站點(diǎn)老化趨勢(shì)相似，涂層在寒冷氣候和干熱氣候環(huán)境下老化速度最慢，亞濕熱氣候次之，而在濕熱氣候環(huán)境下涂層老化速度最快。聚酯/HAA和聚酯/B1530 粉末涂料除了在鳳凰城和邁阿密這 2 個(gè)站點(diǎn)略有差異外，其老化趨勢(shì)一致。端羧基聚酯和TGIC反應(yīng)生成酯鍵，端羧基聚酯和 HAA反應(yīng)生成酯鍵，端羥基聚酯與—NCO 反應(yīng)生成氨酯鍵，可見(jiàn)聚酯/TGIC 涂層和聚酯/HAA 涂層主鏈以酯鍵為主，只有聚酯/B1530涂層有少量氨酯鍵。涂層老化降解主鏈斷裂影響最大，主鏈薄弱環(huán)節(jié)在于酯鍵，酯鍵容易水解。對(duì)比上述站點(diǎn)老化結(jié)果，發(fā)現(xiàn)三亞老化速度最快，進(jìn)一步分析 8個(gè)站點(diǎn)氣候特征，8個(gè)站點(diǎn)中三亞氣候環(huán)境最復(fù)雜，降雨量、濕度、溫度和輻照量綜合作用最大，且三亞靠近海邊，濕度中還帶有一定鹽分，酯鍵易水解、降解破壞。酯鍵斷裂，涂層受到破壞，涂層失光，表面出現(xiàn)粉化。表 4 是不同體系涂料涂層在不同氣候環(huán)境下色差變化情況。

從表 4 可見(jiàn)，不同體系涂料涂層色差在不同氣候環(huán)境下其變化規(guī)律不明顯，對(duì)于聚酯/TGIC 和聚酯/B1530 粉末涂料，涂層在 7 個(gè)不同氣候環(huán)境下色差變化≤1，對(duì)于聚酯/HAA 體系粉末涂料，涂層老化后在各種環(huán)境下色差都>1。 對(duì)比 3 種涂層色差結(jié)果及涂層結(jié)構(gòu)，由于各酯鍵結(jié)構(gòu)差異不大，3 種體系涂料酯鍵降解生成新基團(tuán)差異不會(huì)太大，可推測(cè)產(chǎn)生發(fā)色基團(tuán)的差異在于涂層固化劑結(jié)構(gòu)。上述 3種涂料中聚酯/HAA 涂層色差最大，色差增長(zhǎng)速度最快。眾所周知 HAA 耐黃變性能不好原因在于其分子結(jié)構(gòu)中裸露的氮原子易被氧化而失去穩(wěn)定性，因此相對(duì)其他 2 種涂層，聚酯/HAA 涂層色差變化更大。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)常見(jiàn)聚酯/TGIC、聚酯/HAA和聚酯/B1530粉末涂料涂層在邁阿密（美國(guó)佛羅里達(dá)）、鳳凰城（美國(guó)亞利桑那）、三亞、瓊海、廣州、海拉爾、西藏拉薩、新疆吐魯番 8種氣候環(huán)境下的自然老化性能的研究，可以得出以下結(jié)論。

（1）對(duì)于聚酯/TGIC、聚酯/HAA 和聚酯/B1530 粉末涂料，其涂層在寒冷氣候（海拉爾）和干熱氣候（吐魯番）環(huán)境下老化速度最慢，亞濕熱氣候（廣州）次之，而在濕熱沿海氣候（三亞）環(huán)境下涂層老化速度最快。

（2）不同體系涂料涂層色差在不同氣候環(huán)境下的變化規(guī)律不明顯，聚酯/TGIC 和聚酯/B1530粉末涂料涂層老化后色差普遍小于 1，而聚酯/HAA 涂料涂層老化后色差則大于 1。粉末涂料壽命與服役環(huán)境密切相關(guān)，多雨、潮濕環(huán)境對(duì)涂層破壞最大，為了提高粉末涂料涂層壽命，一是從源頭提高聚酯樹(shù)脂的抗水解穩(wěn)定性，如采用耐水性好的單體、疏水性單體等；二是針對(duì)粉末涂料使用環(huán)境差異設(shè)計(jì)粉末涂料配方，例如，選擇不同耐候等級(jí)聚酯、不同固化體系等，平衡成本和性能。