聚氨酯(PU)涂料是指含有氨酯基(—NHCOO—)结构的一种涂料,具有良好的耐磨、耐低温、耐化学药品以及对不同种类基材良好的粘接性能等特点,从而使其广泛地应用于涂料、胶粘剂、油墨等领域。
在传统型涂料中,溶剂型产品占较大的比例,虽然溶剂型PU涂料的固含量可达到80%~90%,但是溶剂型涂料由于其含有的有机挥发性化合物(VOCs)污染环境,因而使其应用受到了限制。
为了满足环保和低碳的要求,涂料主要的发展方向和趋势包括水性涂料、超高体积固含涂料、光固化涂料及粉末涂料等。水性聚氨酯涂料作为涂料的主要成膜物质,可用来制备木器涂料、汽车涂料、防腐涂料等。
玻璃纤维增强聚氨酯太阳能边框型材,是一种新型玻璃钢型材,是以聚氨酯树脂为基体,以玻璃纤维为增强材料,通过先进的全封闭注射、浸胶和拉挤的工艺生产制造出的新型复合材料。
使用这种型材制造太阳能光伏组件边框具有阻燃、绝缘、免受雷电的袭击、防腐、低线性膨胀和收缩及便于组装等优点。
但是其变形温度在100℃左右,因此生产流水线的烘烤温度以不超过80℃为宜,再叠加耐磨性要求,PCT耐受试验及耐剥离(按IEC61215标准测试与硅胶的附着力)等要求,以及符合流水线生产的施工要求,所以急需开发一款附着力高、剥离强度高、耐磨(耐风砂)、符合PCT指标要求、耐水煮且耐候性优异的水性烘烤漆。
本研究通过筛选出合适的树脂和固化剂体系,制备了符合使用要求的太阳能边框水性烤漆,并对影响漆膜性能的多种因素进行了探讨。
太阳能光伏组件边框水性烤漆配方见表1和表2。将1加入容器中,在搅拌过程中加入去离子水。在300~400r/min转速下依次加入2和3,搅拌均匀后再加入4、5和7,分散均匀后再加入8,最后调节粘度和pH值至7.5~8.5,继续搅拌20min。最后用200目的滤网过滤,包装。
表1 水性烤漆甲组份的基础配方
表2 水性烤漆乙组份(自制固化剂)的配方
使用方法:将甲乙组分按配比混合并搅拌均匀,静止15min左右待用。
太阳能光伏组件边框喷漆工艺包括前处理、喷涂和烘烤,详细工序如图1所示:
测试性能漆膜的制备工艺为:在表面处理过的马口铁板/太阳能边框复合材料上喷涂,待湿膜表干后放置于80℃烘箱中烘烤40min,即可得到漆膜成品。
其中马口铁板用于测试柔韧性,太阳能边框复合材料用于测试附着力、铅笔硬度、耐磨性、PCT和耐酒精擦拭试验。
脂肪族聚氨酯固化剂亲水改性可分为非离子改性、离子改性和非离子和离子混合改性。本文采用水分散性较好、耐磨及耐溶剂的磺酸盐类改性的脂肪族多异氰酸酯作为太阳能边框水性烤漆的固化剂。
根据表1配方,本文选取了三款水可分散的聚氨酯固化剂,有国产298固化剂、进口2655固化剂和自制的固化剂。表3是三款固化剂在80℃烘箱中烘烤40min时,所得漆膜的机械性能和耐介质性能的测试结果。
表3 不同固化剂对漆膜性能的影响
从表3可以看出,在固化条件相同的条件下,用自制固化剂制备的漆膜在硬度、耐酒精擦拭和耐水煮均优于AQUAPU-298和Bayhydur©XP2655固化体系。
这是因为在自制固化剂中含有硅烷偶联剂的结构,在烘烤固化的过程中除了羟基和异氰酸酯及异氰酸酯与水的反应外,还有硅烷水解后的硅羟基缩合反应和硅羟基与玻纤表面羟基的缩合反应,如此以来形成了多重固化效应,既增大了交联密度又增强了与玻璃纤维增强聚氨酯太阳能边框底材的附着力。
根据表1配方,在80℃烘箱中烘烤40min的条件下,水性丙烯酸水分散体和固化剂当量比对漆膜性能的影响,结果见表4。
表4 固化剂和水性丙烯酸水分散体当量比对漆膜性能的影响
通过表4可以看出,当n(—NCO)/n(—OH)当量比为1.6时,综合性能最好。在水性双组分聚氨酯涂料的配制过程中,n(—NCO)/n(—OH)配比对漆膜性能的影响显著。
因为涂料在配制过程中,除了异氰酸根与羟基基本反应外,还存在异氰酸酯与水的副反应。
少量的异氰酸根与水发生反应最终生成脲类化合物,可以在一定程度上提高成膜物质的聚合度,提高漆膜性能。
在当量比较低时涂层的交联密度低,耐水煮、耐溶剂和耐PCT性能较差;在当量比超过1.6为1.8时,固化剂过量太多,异氰酸酯与水发生副反应最终生成脲类聚合物,副反应所占比例超过一定临界值,就会影响主要反应的进行,从而影响成膜物质的特性,导致漆膜机械性能变差。
当n(—NCO)/n(—OH)当量比为1.6时,固化剂与树脂的主要反应以及与水的副反应所占比例合适,故漆膜的常态机械性能和其它的耐水煮、耐溶剂性能良好,因此n(—NCO)/n(—OH)的配比以1.6为宜。
水性太阳能边框烤漆之所以具有优异的性能,是因为涂层在固化过程中除了异氰酸酯与羟基交联反应之外,还发生了硅氧烷水解生成硅羟基的自身缩聚反应及其硅羟基与基材表面的羟基的交联反应。
从红外谱图中,我们可以很直观地看到原料以及它们反应后的特征峰的变化。树脂、固化剂以及涂膜的红外光谱如图2所示。
由图2可见:自制固化剂红外曲线中可明显看到波长为2272cm-1处有一—NCO的强特征峰,含有的C2H5O-Si-结构,在1090、1085有二重特征峰;树脂红外曲线中在波长3377cm-1处是—OH的特征峰;漆膜中红外曲线中—NH显示波长3346cm-1处的强特征峰和1542cm-1处的弱特征峰峰,Si-O-Si在1080、1025弱吸收峰,比较自制固化剂、树脂、漆膜红外三曲线可以看出:羟基树脂与固化剂发生反应后,—NCO、C2H5O-Si-的特征峰消失了,—OH的特征吸收峰被—NH的特征吸收峰所取代,说明—NCO与—OH、C2H5O-Si-发生反应,生成了—NHCOO—、Si-O-Si基团,从而具有双固化的性能特征。
涂料对基材润湿性和涂料流平性的好坏,是决定涂料品质的极其重要的因素。润湿剂具有两亲结构,在基材界面处定向排布,推动涂料铺展的作用。
流平剂虽然具有两亲结构,但与涂料相容性受限,降低漆膜的表面张力起到控制表面状态的作用。因此要获得良好的漆膜性能时有必要提高基材润湿性能同时要增加涂料的流平性。
太阳能光伏边框是由聚氨酯材料和玻纤一起成型的,其表面张力比较低,所用涂料需添加一定含量的基材润湿剂和流平剂进行复配,既具有良好基材润湿性又具有良好的表面流平性,主要是因为润湿剂能降低界面张力,增加展布性,增强涂层的附着力,防止基材表面因张力低而造成缩孔、气泡及针孔等表面缺陷;流平剂可降低涂料表面张力,增进涂料的流动,克服因表面张力梯度而造成的涂膜表面缺陷和流平性的问题。
从表5可以看出,基材润湿剂流平剂复配使用,可以得到良好的漆膜外观,但是复合助剂加量过多时,由于第一次喷涂施工形成的漆膜表面能较低,在太阳能光伏边框第二次喷涂施工时会产生缩孔且造成层间附着力不好的情况。试验证明基材润湿剂和流平剂各添加0.2%时漆膜的外观、层间附着力和涂层与基材的附着力达到比较好的状态。
表5 不同种类和用量的基材润湿剂和流平剂对漆膜的影响
水性涂料在生产过程中会产生泡沫,若不使用消泡剂,高速分散过程中产生大量的泡沫使剪切力下降,导致颜料无法充分分散。在涂料喷涂施工时也会产生许多的微泡,这些微泡甚至会伴随形成涂层的全过程。
本实验选用适量消泡剂以确保消泡剂在体系中良好地分散,完成对泡沫的渗入和展布,最终形成平整、光滑、致密的涂层,并起到良好的耐介质及提高耐环境测试的能力。
按表1配方制备的涂料,采用自制固化剂制备的涂层体系在满足太阳能边框的喷涂施工条件外,应满足机械性能、耐酒精擦拭、耐PCT试验及耐水煮的基本技术要求。
除此之外考虑到太阳能光伏边框在沙漠地区也有使用的情况,如果涂料耐砂蚀性能不佳,在沙漠地区防护涂层将在几年内发生明显损耗,光伏边框使用寿命会大大降低。
在国内用于太阳能边框复合材料的涂料研究刚刚起步,按《GB/T23988—2009涂料耐磨性测定落砂法》来测定太阳能光伏边框的涂层耐磨性能,不同条件的耐磨性能如表6所示。
表6 不同的PVC对涂层性能的影响
在本试验中,颜填料在色漆中的添加量仅次于基料,颜填料的体积浓度对涂装工艺和涂层的性能有着直接的影响。
颜填料体积浓度(PVC)指的是颜填料粒子体积在整个涂膜中所占的体积百分数,不同的PVC,颜填料与树脂在涂层中的分布也不同,从而对漆膜的耐磨性和耐水煮产生显著影响。
本实验选取的白浆和炭黑浆具有优良的着色力、遮盖力以及优异的耐候性。不同的PVC对涂层的附着力、耐磨性、耐水煮和施工性的影响见表6。
由表6可以看出,随着PVC在一定范围内的不断增大,附着力变差,遮盖力随着PVC的增大而逐渐增强,耐磨性随着PVC的增大而变差。总体看来当PVC为15%和20%,漆膜包括耐水煮在内的综合性能较好。
只是当PVC值为15%时,虽然性能很好,但遮盖力却与PVC为20%时相差较多,因此,适宜的PVC值为20%,而且满足不会因PVC浓度低在流水线喷涂施工时漆膜较难达到厚度的要求。
综上所述优选固化剂,选取n(—NCO)∶n(—OH)比例为1.6∶1.0,0.2%基材润湿剂和0.2%流平剂进行复配,PVC选取20%,制备双组分水性太阳能边框用高耐水煮低温烤漆,其性能检测结果见表7。
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以含羟基的丙烯酸树脂与自制水性异氰酸酯分散体为成膜物质,搭配适当的颜填料、润湿剂、流平剂和消泡剂,制备了太阳能边框高耐水耐候PU低温水性烤漆。
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选取n(—NCO)∶n(—OH)比例为1.6∶1.0,0.2%基材润湿剂和0.2%流平剂进行复配,PVC选取20%制备双组分水性太阳能边框用高耐水煮低温烤漆,该双组分水性聚氨酯内舱涂料综合性能优异,能够满足水性太阳能边框对涂料的安全性能和环保要求,对目前国家提出“碳达峰”与“碳中和”目标具有重要的意义。
来源：太阳能光伏组件边框用PU低温水性烤漆的研制及应用
原文始发于微信公众号（光伏产业通）：太阳能光伏组件边框用PU低温水性烤漆的研制及应用
