南方公路护栏粉末涂料用聚酯树脂的合成研究1

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• 南方公路护栏粉末涂料用聚酯树脂的合成研究

  曾鼎1,2,李勇1,2,林贤1,2,罗毅1,2,陈冠文2

  (1., 广州 510860; 2., 广州 510300）

  0 简介

  近年来，中国经济发展迅速，高速公路建设迅速。到2017年底，中国高速公路总里程将达到13.5万公里。根据“十三五”规划，未来三年每年将新增高速公路4万公里。新建高速公路和现有高速公路维护对护栏的需求也在增加。由于公路护栏常年暴露在室外，大多处于通畅状态，必须经受长期的日晒、雨水侵蚀、沙石的冲击和扫路机的反复清洗，护栏的涂层不仅要耐腐蚀、耐候，还要有足够的机械强度[1]。选择合适的涂层和涂层工艺，对延长护栏的使用寿命起着关键作用。

  公路护栏的传统涂装方式一直是热镀锌或镀锌后附加涂装。镀锌后仅镀锌或喷酒精酸漆或喷塑，保护层在耐腐蚀、耐冲击、附着力或耐老化等方面或多或少存在问题，影响护栏的使用寿命[2]。由于粉末涂料的4E优势，以及优异的防护性能、丰富的色彩和高装饰性能，广受欢迎。在我国高速公路护栏领域，静电粉末喷涂工艺已逐步推广[3]。在各类粉末涂料中，聚酯粉末涂料以其优异的机械性能、附着力、漆膜丰满度和耐候性好等优点应用最为广泛。

  已有研究表明，聚酯粉末涂料的老化是在紫外线、氧气、水分和温度的综合作用下发生的光氧化反应[4]。我国南方气候以热带、亚热带季风气候为主，夏季日照强烈，高温多湿，高温晴天频繁，突然暴雨，后晴、高温、辐射。光照强度高，湿度极高。在如此恶劣的环境下，普通的耐候性聚酯粉末涂料无法满足中国南方高速公路环境护栏的长期防护要求。因此，有必要进行针对性的开发，可以在南部高速公路护栏环境中使用。粉末涂料用聚酯树脂，在最高条件下具有优异的耐候性和耐湿热性。

  1测试部分

  1.1原材料

  对苯二甲酸（PTA，工业级，BP）；新戊二醇（NPG，工业级，巴斯夫）；三羟甲基丙烷（TMP，工业级，柏斯托）； 2-乙基-2-丁基-1, 3-丙二醇（BEPD，工业级，柏斯托）；间苯二甲酸（IPA，工业级，KP）；己二酸（ADA，工业级，辽化）；一丁基氧化锡、抗氧剂等助剂、TGIC、钛白粉、硫酸钡（8000Ba）、流平剂、安息香、701等均为市售工业级。

  1.2主要测试设备

  100L反应釜、φ30双螺杆挤出机、静电喷枪等小型制粉设备、色差仪、光泽度仪、糊化剂测试仪、高压锅。

  1.3 测试方法

  聚酯树脂合成方法：将多元醇加入加热套和氮气中，在2L四口烧瓶中搅拌，加热至材料熔化，加入多元酸和催化剂，逐渐升温至245℃进行酯化反应，保持恒温3小时，测酸值达到9~18mgKOH.g-1；冷却至240℃后，加入酸解剂，测酸值达到42～48mgKOH.g-1；抽真空2-3小时，待酸值和粘度达到设定值后，冷却，加入助剂出料，得到目标聚酯树脂。

  粉末涂料和涂料的制备方法：将上述制备的聚酯树脂与固化剂TGIC、钛白粉、硫酸钡、流平剂、安息香、光亮剂等按表1中的比例混合，熔融并用双螺杆挤出机挤出，压成片剂，粉碎，再粉碎，过筛，制成粉末涂料。用静电喷枪将其喷涂在经过表面处理的金属板上，膜厚控制在60-90 μm，200 ℃/10 min烘烤固化得到粉末涂料。

  

  1.4 涂料和涂料性能测试

  酸值：酸值的测定按GB/T6743-2008；粘度：根据ASTMD4287测量树脂在200℃下的熔体粘度；玻璃化转变温度：按GB/T19466.2-2004测量玻璃化转变温度，升温速率为10 K/min；冲击强度：按GB/T19466.2-2004 T1732-1993测试涂膜的耐冲击性；耐候性：根据GBT14522-2008，采用美国QUV/喷雾荧光紫外老化试验箱进行测试，循环条件为QUVA（340nm）60℃×8h光照/50℃×4h冷凝，辐照度0.89 W/m2·nm；煮沸：按照GB5237.4-2017，将喷有粉末涂料的铁板放入高压锅中，在0.1MPa/120℃煮沸1h；光泽度：按GB/T9754-2007测试涂层60°光泽度；色差：按GB/T7921-2008测试涂层色差；凝胶：按GB/T16995-1997 180℃凝胶时间测试粉末涂料；流动性：按GB6554-1986测试水平流动性。

  2 结果与讨论

  2.1IPA用量对性能的影响

  以PTA、NPG和IPA为单体，以不同比例的IPA为单体。用IPA代替PTA，并检查性能。测试结果见表2。

  

  我国南部的太阳辐照度很强。为了保证高速公路护栏可以正常使用数年，涂层必须具有良好的耐候性。与PTA相比，使用IPA可以减少聚酯对阳光中紫外线的吸收，而且从分子结构上看，用具有间位结构的IPA合成的聚酯分子比用IPA合成的聚酯分子具有更大的酯键。对位结构的 PTA。空间屏蔽效应可以减少酯键与水分子有效碰撞引起的降解。因此，在聚酯树脂的合成配方中加入适量的异丙醇是一种低成本提高涂料耐候性的有效方法。

  从表2可以看出，当IPA用量达到15%~25%时，涂层的人工加速老化效果较好，已经可以满足公路护栏长期防护耐候性的要求由于IPA价格较高，继续加大用量会增加包衣成本，不利于推广应用；大量使用IPA后，聚酯树脂粘度降低，涂膜硬脆，涂层抗冲击性能变差。

  2.2TMP用量对性能的影响

  保持PTA、IPA和酸醇比的用量不变，用不同量的TMP代替配方中的NPG。测试结果见表3。

  

  TMP 是一种三官能单体。在合成配方中适当添加可以提高树脂的支化度，从而提高固化粉末涂料的交叉性。链接密度。适当添加TMP，提高涂料的交联密度，可提高机械性能、耐溶剂性和耐沸腾性；但用量过多时，聚酯树脂的粘度迅速增加，粉末涂料在固化过程中流动性下降，涂膜更容易出现橘皮现象，影响装饰性能。从表3的测试结果可以看出，当TMP用量为2%～3%时，涂层的力学性能和表面外观可以很好地平衡。

  2.3BEPD用量对性能的影响

  保持PTA、IPA、TMP和酸醇比的用量不变，用不同量的BEPD代替配方中的NPG，进行性能考察，试验结果见表4。

  

  由于我国南方高温、高湿、高照度的气候特点，护栏防护涂料必须具有良好的耐水性。普通聚酯粉末涂料中的酯键易水解，耐水性差。 BEPD分子含有较大的乙基和丁基侧链，具有明显的空间位阻和屏蔽作用。合成聚酯分子后，可以降低相邻酯键与水分子有效碰撞的概率。减缓聚酯的水解，提高涂料的耐水性。

  从表4可以看出，加入3%~6% BEPD后，涂层在高压沸腾后的保光性和色差都有明显的提高，足以应对涂料的耐水性。南方气候条件下的涂层。解决性能要求。 BEPD的长侧链提高了聚酯的水解稳定性，但也降低了单体羟基的活性。合成聚酯的第一步酸值高，聚合度低，需要较长的真空缩聚时间。达到所需的理想分子量会降低生产效率；另外，BEPD的价格也比较高。增加用量虽然可以进一步提高粉末涂料的耐沸腾性，但会导致粉末涂料的成本急剧上升，限制了产品的推广应用。

  2.4 模拟我国南部气候条件

  为模拟我国南方热带亚热带季风气候下的高速公路护栏，夏季日照强烈，高温多湿静电粉末喷枪，常出现高温晴天，突然暴雨后又转晴，而且温度高，辐射强，湿度极高。在老化的实际使用环境中，实验室使用A灯老化200小时，然后煮沸。高压锅煮2小时后，放入烤箱200℃烘烤10分钟，5个循环后测试保光性和色差。测试结果见表5。

  

  从表5可以看出，A灯人工加速老化200h后，在高压锅中加水煮2h，然后放入200℃烘箱中烘干，经过5个循环的烘烤10 min，测试样品的失光和色差均比人工紫外加速老化仅1000 h后更差。我国南部地区，夏季日照强烈，高温多湿。经常有高温晴天和突然暴雨，然后是晴天。温度和辐照强烈，湿度极高。老化-煮-烘烤循环测试可以更好地评估涂层。层在自然环境中的老化退化性能。与普通耐候性聚酯树脂相比静电粉末喷枪，本研究合成的聚酯树脂在南方气候条件下具有更好的耐候性和环境适应性，同时具有更好的力学性能和适中的成本。

  3 结论

  以PTA、IPA、NPG、TMP和BEPD为基础，合成了一种适用于我国南方高速公路护栏粉末涂料的聚酯树脂，合成了IPA、IPA、TMP、BEPD。 TMP 和 BEPD 对粉末涂料性能的影响。当IPA用量为15%~25%、TMP用量为2%~3%、BEPD用量为3%~6%时，制备的聚酯树脂粉末涂料具有良好的耐候性、抗冲击性和耐水性反抗。 “人工加速老化-煮沸-烘烤”循环试验模拟我国南方气候条件，表明合成的聚酯树脂具有良好的环境适应性。