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高清木纹转印粉末涂料用聚酯树脂的合成与应用研究

2015-10-19

(广州擎天材料科技有限公司 广州510860)
摘要:本文主要研究的是高清木纹转印粉末涂料用聚酯树脂,通过对原材料、固化条件等影响因素进行讨论与分析,开发出适用于高清木纹转印的粉末涂料用聚酯树脂并解决了高清木纹转印存在的撕纸难、油印多、转印不清晰等问题,使用DSC对其固化进行了研究,同时对老化性能、流平性性能以及转印效果进行了表征。
热转印也称热升华,是将各种图案利用转印油墨印制在高精度纸上,并采用热转印设备在短时间内将其加热到设定温度,使转印纸上的图案转印到铝型材涂层等材质上的一种特殊工艺。该技术能够提供色彩鲜艳,层次丰富的转印图案。热转印粉末涂料为近几年来出现的一种流行的品种,广泛应用于铝型材门窗等领域。
根据热转印的技术原理,在该领域应用的树脂主要的技术特点为快速固化和固化后具有较致密的表面,树脂合成上主要通过添加较多的促进剂以及使用高活性单体来提高树脂的活性与涂层固化后的交联密度,这样可以保证转印后易撕纸不粘纸,但是易导致涂层的流平性较差、外观不佳。随着人们审美观念的不断提升,对转印产品的外观流平性要求也越来越高,以前只注重转印撕纸不粘纸而忽视涂层流平性的做法逐渐露出弊端,这就迫切需要研究者在目前热转印技术上提高涂层的流平性、改善涂层外观。
本文介绍了一种高清木纹转印粉末涂料用聚酯树脂的合成,通过对高清木纹转印效果的影响因素进行分析并经过配方的筛选优化,开发出了用于高清木纹粉末涂料的聚酯树脂,其转印效果具有高流平性、高清晰度以及很好的撕纸性,解决了目前该领域存在的主要问题。
1实验部分
1.1 实验材料
新戊二醇,乙二醇、1,4-环已烷二甲醇(CHDM)、2-丁基-2-乙基-1,3-丙二醇(BEPD)、对苯二甲酸、间苯二甲酸、己二酸、1,4-环已烷二甲酸(CHDA)、酯化催化剂(F4100)、抗氧剂 1010、抗氧剂168、TGIC、钛白粉、硫酸钡、颜料、流平剂、安息香、光亮剂,以上所有原材料均为工业级。
1.2 仪器设备
自制 100 升反应釜、锥板粘度计、差示扫描量热仪、双螺杆挤出机、高压静电喷涂设备、高温烘箱、QUV紫外光人工加速老化仪、显微镜。
1.3 聚酯树脂的合成
根据合成配方依次往反应釜中加入多元醇、多元酸和催化剂,开启氮气保护并逐步开始升温,升温过程保证蒸馏柱柱顶温温度不超过100℃;当升温至250℃时进行保温,反应至95%的酯化水排出。然后将酸解剂加入反应釜中反应3~5小时,当树脂清晰时进行抽真空约2~5小时,酸值达到40~45mgKOH/g,粘度为3000~5000mPa.s后出料。
1.4 粉末涂料及涂层的制备
制粉方法:经过配料、预混合、熔融挤出、冷却压片、破碎、粉碎过筛即可得到一定粒径的粉末涂料产品。经过静电喷涂在冷轧钢板上,在200℃下烘烤10min即得涂层样板。
表1 木纹转印粉基本配方
材料
树脂
TGIC
硫酸钡
流平剂
安息香
701
颜料E3B
颜料4110
配方
280
24.5
180
4
1.5
3
2.6
11
1.5 测试表征
热压转印:采用平板烫画机进行热压转印实验;
DSC分析:采用梅特勒DSC1型差示扫描量热仪对涂层进行等温固化分析;
涂层表面形貌:采用数码立体显微镜(海量精密仪器XH-03)进行表面形态放大测试;
老化性能测试:采用QUVB紫外光人工加速老化仪(Q-Lab Corporation)进行耐候性表征。
2结果与讨论
2.1 树脂及涂层基本性能
表2是为合成树脂及制粉涂层基本性能,可以看到粉末涂料的水平流动性可达到28mm,属于用于高流平品种,因而也可以作为TGIC通用型高流平树脂使用。另外,该产品在冲击强度、盐雾性能、铅笔硬度等方面都具有较好的性能。
表2 合成树脂及涂层的基本性能
检测项目
合成树脂
检测标准
酸值(mgKOH/g)
42
Q/(GZ)KSB01
软化点(℃)
108
GB12007.6
Tg(℃)
64
GB/T19466.2-2004
粘度(mPa.s 200℃)
3500
ASTMD4287
胶化时间(180℃,s)
280
GB/T 16995-1997
流动性(180℃,mm)
28
GB/T 1750-1979
附着力(划格法)
0级
GB/T9286-1998
铅笔硬度
1H
GB/T6739-1996
冲击强度(50cm)
通过
GB/T1732-93
中性盐雾实验(500hr)
通过
GB/T1771-91
2.2 涂层交联密度对转印效果的影响
2.2.1 聚酯树脂的酸值对转印效果的影响
从涂层固化来说,影响转印效果的因素主要是涂层的交联密度与致密性,而影响涂层交联密度的因素又包括酸值、合成树脂平均官能度以及固化程度。表3为不同酸值聚酯树脂的转印效果。
表3不同酸值树脂的转印性能
型号
酸值(mgKOH/g)
冷转印效果
树脂1
22
较难撕纸,板面有雾状残留
树脂2
32
难撕纸,板面有雾状残留
树脂3
32
易撕纸,板面有雾状残留
合成树脂
42
易撕纸,板面无残留
NH8001
52
易撕纸,板面无残留
NH8081
52
易撕纸,板面无残留
备注:树脂3较树脂2活性高。
聚酯树脂的酸值决定了树脂和固化剂的比例,也影响着树脂的反应活性,酸值越高,反应活性也会相对较高,粉末涂料涂层的交联密度也较高,这样最终转印性能也越好。表3为不同酸值的聚酯树脂做粉的转印效果。可以看到,树脂酸值越高转印撕纸越容易而且油印越少。较高酸值的合成树脂、NH8001与NH8081的转印效果就比较理想。因此,解决转印油印残留问题时,可以单独选用较高的酸值树脂或者采用酸值树脂复配改性。
2.2.2涂层的固化时间对转印效果的影响
由于涂层的交联密度与致密性对最终的转印效果会有较大的影响,除了酸值是影响的一个因素之外,涂层的固化充分程度也是重要的影响因素。
表4 不同固化时间对转印性能的影响
型号
固化条件
冷转印效果
树脂A
190℃×10min
粘纸,板面有雾状残留
200℃×10min
易撕纸,板面有雾状残留
200℃×30min
易撕纸,板面有雾状残留
210℃×15min
易撕纸,板面有雾状残留
合成树脂
180℃×10min
粘纸,板面有雾状残留
180℃×15min
较易撕纸,板面有雾状残留
190℃×10min
易撕纸,板面有雾状残留
200℃×10min
易撕纸,板面无雾状残留
备注:树脂A酸值32mgKOH/g
一般而言,固化温度越高、固化时间越长则涂层的固化越充分,交联度越高,相应的涂层致密度和耐热变形性能越好。表4为不同固化条件下涂层的转印性能的影响对比。可以看到,对于同款树脂,如果固化时间不够或固化不完全,转印时会出现粘纸的情况;如果固化充分的话,一般不粘纸,过度延长固化时间对转印效果影响不大。树脂A在提高固化温度后转印效果变好,但是延长固化时间转印效果差别不大,这可能是在实验的固化条件下固化已经基本完全,延长固化时间或者提高固化温度意义已不大。同时可以看到,由于树脂本身酸值较低,固化涂层交联密度较低,即使充分固化在高温转印时,由于表面轻度发粘的也易导致出现雾状残留。而对于合成树脂来说,在180℃×10min条件下出现了粘纸的情况,表明在该条件下固化不够充分。将温度提高或者固化时间增加,该情况有一定的改善,而在200℃×10min的固化条件下,固化充分,交联密度较高,涂层耐高温转印时抗粘性比较好,转印易撕纸,无油印。总体来说,相比树脂A,合成树脂由于具有较高的酸值,保证了较高的涂层交联密度与致密性,从而更好的提高转印效果。
2.3 涂层固化程度研究
一般来说,涂层的交联密度与致密性是保证转印效果的一个重要因素,而合理的固化条件是涂层充分固化的必要条件。合成树脂作为一款专门针对转印市场的开发聚酯树脂,为保证涂层固化后较高的交联密度,需要设计合理的固化条件,该树脂的固化条件为200℃/10min。图1为DSC测试其固化程度实验。
图1 合成树脂等温固化实验
从图1结果来看,合成树脂在固化6min后固化程度达到了98%,这基本保证了转印效果所需要的固化程度,表明在固化条件为200℃/10min时,涂层可以实现充分固化,从而可获得良好的转印性能。
2.4 涂层转印的微观效果
固化涂层采用木纹转印时,存在冷撕粘纸以及雾状残留物,严重影响了美观,图2为合成树脂与常规产品转印后涂层表面显微照片,上面两张是常规产品的转印的,下面两张是合成树脂的转印。可以看到,常规产品转印时,由于轻度发粘出现表层涂层与油墨的粘连,涂层表面残留,粗糙复杂,线条杂乱交错,能看到成团的油墨印迹;而合成树脂转印时,几乎未出现变形与粘连现象,涂层表面比较平整均匀、错乱的线条很少,仅仅有零星的斑点。
图2合成树脂与常规产品转印后表面的效果
2.5 流平性与转印效果对比
表5与图3分别为合成树脂与常规产品的流动性与转印效果
表5 合成树脂与其它树脂流平效果对比
合成树脂
树脂B
树脂C
树脂D
表面状态
平整光滑
平整光滑
平整光滑
较重橘皮
图3合成树脂与其它树脂转印效果对比图
由图3所示,合成树脂与对比树脂B流动性相同,但是树脂B撕纸效果一般,树脂C的流动较好但冷撕粘纸,树脂D的转印效果也较好但是流动较差,综上来看合成树脂是同时兼顾了流平性与转印撕纸性能。
2.6 耐候性能
目前粉末涂料的耐候性评估方法主要有紫外光老化、氙灯老化以及自然暴晒实验,本实验选用了氙灯老化试验作为表征手段,实验结果如图4所示。可以看到,该产品在氙灯老化1000h后仍然有超过90%的保光率,当1500h时保光率超过85%;而2000h时保光率超过70%,这对于户外产品来说其耐候性相对较好,基本可以满足在木纹转印产品对耐候性的要求。
图4 合成树脂氙灯老化实验
3 结论
(1)涂层的交联密度对于转印效果具有很大的影响,转印树脂合理的酸值与单体官能度设计以及适宜的固化条件是保证固化涂层具有良好转印效果的必要条件;充分固化可以改善转印抗粘纸性能,过度固化对改善粘纸与油印帮助不大。
(2)采用合成树脂制备的粉末涂层经过固化后具有较高的固化程度和良好的流平效果,特别适用于高清热转印的应用,而且冷撕无油印;
(3)合成树脂除了应用在转印方面具有很好的效果外,老化性能良好,还可以用作通用高流平粉末涂料。
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