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熱轉印與聚氨酯粉末涂料

  摘要:本文介紹了升華熱轉印技術,以及聚氨酯粉末涂料在升華熱轉印中的應用,并分析了轉印工藝中影響撕紙的一些因素。

  1 前言

  粉末涂料具有環保、經濟、高效、性能卓越之“四E”優點。隨著人們環保意識的提高,粉末涂裝的應用越來越受到人們的青睞。特別是美術紋理型粉末涂料,其獨特的裝飾效果和靚麗的外觀,倍受人們鐘愛。近年來轉印技術在粉末涂裝中開始應用,使我們可以隨心所欲地獲得各種復雜的紋理圖案。轉印技術的出現在美術紋理粉末涂料的研究史上具有里程碑的意義。聚氨酯粉末涂料具有較高的交聯密度,優異的圖案轉移性能和更好的平整度,聚氨酯粉末涂料與熱轉印技術相結合在歐洲已經成為主流,建筑物和家居裝飾中隨處可見。但是,在亞洲由于專利保護和某些材料壟斷的影響,熱轉印粉末以聚酯/TGIC體系為主,只是在某些特殊應用場合,還是必須選擇聚氨酯粉末。

  2 轉印技術

  轉印粉末是紋理粉的又一突破。它比傳統的紋理粉(彩色粉、金銀花、點花粉)更易控制紋理,可以獲得各種復雜的圖案。轉印又可分為熱轉印和水轉印兩類。水轉印是用水作為媒介把已經印刷在紙基或特種PVA膜上的彩色圖案轉移到承印物表面的轉印方式,分為水貼紙和水披覆兩種。水轉印設備要比熱轉印設備昂貴,在粉末涂料行業很少應用;熱轉印是將數字圖案先通過印刷設備,將圖案打印在特殊的轉印專用紙上,然后再將印上圖案的轉印紙緊貼在承印物上,以高溫高壓的熱升華轉印技術把圖案精準地轉印到承印物表面。熱轉印中貼轉印紙的方式又分為膠水貼紙和抽真空貼紙兩種。

  2.1 熱轉印

  熱轉印是根據熱升華原理工作的,底材用熱固性材料涂覆,完全固化后與轉印紙緊緊接觸,在150~250℃下印刷油墨通過升華作用轉移到底材上。熱轉印最初是將轉印膜上的花紋采用熱轉印技術印制到鋁基材的聚氨酯粉末涂層表面,以達到仿木紋或石材的裝飾效果。它能在3~5min內將所需要的木紋或大理石花紋快速轉印至鋁型材的粉末涂層表面并可滲透到涂層內部40~60μm。由于具有抗腐蝕性、抗沖擊性、耐磨性好、耐老化性均好,在戶外使用能保持15年不變色;重量輕、強度高等優良的物理化學性能;清晰逼真的花紋;以假亂真的視覺效果,因而使熱轉印粉末涂裝的鋁型材廣泛應用于門窗、家具、室內外裝修、建材等行業。然而聚氨酯粉末涂料的固化劑受技術壟斷的影響,價格昂貴,所以我國將轉印技術應用到聚酯/TGIC及環氧/聚酯體系中。

  2.2 熱轉印工藝

  現在我們以真空貼轉印紙工藝為例,介紹鋁型材熱轉印的工藝。

  — 用切膜機將熱轉印膜卷(采購來的熱轉印膜為1000m/卷)裁成所需要的尺寸。

  — 根據工件大小,將裁好的轉印膜用超聲波包裝機焊接成工件包裹袋。

  — 在包裝平臺上將噴好粉末并完全固化的工件插入用轉印膜制成的工件包裹袋中。

  — 將包好轉印膜的工件放在熱轉印機的小車平臺上,依次可放18根鋁材,將鋁材包裹袋兩端接上真空抽頭并鎖緊,打開真空開關,使轉印膜緊緊地貼在鋁材上。小車自動將鋁材送至烘烤爐內,烘烤爐自動升溫至220℃并保溫3min,小車自動退出烘烤爐。

  — 松開真空抽頭,將工件取出。鼓氣使轉印紙與工件分離,去掉轉印膜并檢查工件質量。

  2.3 轉印粉末配方設計注意點

  — 樹脂與固化劑配比以等當量反應為基準,保證涂膜完全固化。

  — 不要加無關的蠟粉,以免轉印圖案模糊。

  — 添加適當的功能性填料增加涂膜硬度。

  — 保證涂膜表面豐滿,鮮映性好。

  2.4 轉印撕紙技術

  聚氨酯粉末配方須使用兩種不同羥值的樹脂,使涂膜表面產生微觀不平整性從而便于撕紙。其次涂膜不能產生回粘,Tg在80~110℃較好,Tg低于50℃時轉印(180~220℃)過程中涂膜軟化,撕紙難度加大;Tg高于130℃時涂膜太脆,容易受損破壞。另外,涂膜硬度也十分重要,硬度低紙不好撕,硬度至少達到3N才能撕紙;涂膜硬度太高,則圖案不能完全轉移至涂膜表面(或完全轉移所需要時間較長),轉印圖案的附著力與滲透力也差。根據經驗,在轉印溫度(如200℃)下,測定涂膜的抗劃傷性(Oesterle型435抗劃傷試驗儀),此時涂膜的抗劃傷值應當高于8N,最好為11N以上。涂膜耐劃傷的上限取決于熱轉印的時間,最長的轉印時間又取決于涂膜的熱穩定性。一般而言,最大的抗劃傷值應該小于30N。

  3 聚氨酯粉末涂料在熱轉印中的應用

  聚氨酯粉末涂料是由羥基聚酯、封閉型異氰酸酯、流動控制劑、顏填料及助劑等組成的熱固性粉末涂料。羥基(R-OH)與異氰酸酯(R-N=C=O)反應生成氨基甲酸酯鍵,才算真正的聚氨酯粉末涂料。聚氨酯粉末涂膜物理性能好,涂膜高交聯密度給予優異的耐水性、耐溶劑性、耐候性、很強的耐油性和耐涂鴉性,特別適合用于圖案熱轉印。

  縱觀我國的粉末涂料市場,由于聚氨酯粉末在熱轉印和戶外低光粉末領域的應用有獨到之處,所以應用量有增加趨勢。聚氨酯粉末可利用高低羥值樹脂共擠,一步到位地得到低光粉末,不會象聚酯/TGIC蠟系低光粉末那樣易起霧,也不會象聚酯/GMA丙烯酸低光粉末那樣光澤重現性差、硬度不理想。現在德固賽公司還開發了特殊的結晶型樹脂產品,專用于低光超耐候粉末,是專為熱轉印開發設計的。

  3.1 聚氨酯高光粉末涂料

  相對而言聚氨酯高光粉末涂料在熱轉印中不好撕紙,這種由單一聚酯組成的熱固性涂膜撕紙效果是不理想的。聚氨酯高光粉末參考配方(固化條件200℃/10min)如下:

  材料名稱 質量份

  羥基聚酯(HV=30) 56.6

  1530(NCO含量15%) 8.5

  二丁基月桂酸錫 0.1

  流平劑 1

  鈦白粉(金紅石) 22

  硫酸鋇 14

  安息香 0.4

  顏料 適量

  這種粉末的60°光澤大約90%,涂膜與轉印紙不易分離。所以我們設計配方時常選用高低兩種羥值的聚酯。若兩種樹脂的羥值差別不大,膠化時間差異就不大,涂膜與轉印紙的分離還是不容易。通過大量試驗,我們將羥基聚酯樹脂的羥值75mgKOH/g定為參照點,>75mgKOH/g為高羥值,<75mgKOH/g為低羥值,采用這兩種羥值的聚酯樹脂來獲得與轉印紙易分離的涂膜。

  3.2 聚氨酯半光粉末涂料

  聚氨酯半光粉末涂料在熱轉印中撕紙比較容易,主要是靠高低羥值的兩種樹脂在固化反應期間引起非勻速反應,產生微觀結構粗糙的涂膜而消光。由于涂膜表面產生微觀不平整,轉印紙不能完全緊貼涂膜故而好撕紙,粉末粒子的粒度控制在35μm左右。烘烤過程中,反應活性大的粉末粒子先發生反應,只是并不能實現適度的聚結,在熔融的涂膜表面上形成部分凸起的網絡。當活性較小的粉末粒子交聯時,它們在已形成的網絡上收縮,產生網絡互穿消光。

  聚氨酯半光粉末涂料由兩種不同的樹脂和一種固化劑配制而成;或由一種樹脂與兩種不同的固化劑配制而成;或使用兩種樹脂與兩種固化劑配制而成。當然,聚氨酯半光粉末涂料也可像其它粉末體系一樣,采用消光填料法消光;或加入物理消光劑之類不相容材料消光;或使用具有兩種不同活性的粉末混拼消光等。但這種共擠的拼混比干混的拼混有本質的區別,前者重復性好。通常使用羥值30和羥值300的聚酯相拼混,羥值300的聚酯占聚酯總量的25%~40%時光澤水平較低;羥值300的聚酯占聚酯總量的10%以下時則只是輕微消光。增加羥值300的聚酯用量,會導致凝膠化時間變短,并出現耐化學品性提高的趨勢。在最低光澤水平時,擠出混合物出現明顯的相分離,須加助劑優化。這兩種聚酯與聚二氮丁酮固化劑相配合,可以得到光澤10%~15%、流平性好、機械性能優良和耐溶劑良好的涂膜。聚氨酯半光粉末參考配方見表1。

  表1聚氨酯半光粉末參考配方

  組分

  配方1

  配方2

  羥基樹脂(HV:36~40)

  50

  羥基樹脂(HV:280~310)

  14

  EP-R4030

  20.7

  封閉異氰酸酯(NCO含量15%)

  30

  1530

  18.4

  P1580

  38.4

  流平劑

  1.5

  1

  填料

  40

  20

  安息香

  0.4

  0.5

  炭黑

  1

  1

  其它助劑

  適量

  適量

  固化條件

  200℃/10min

  200℃/12min

  配方1的涂膜60°光澤大約18%~20%;配方2的涂膜60°光澤為14%。德固賽公司推出了一種特殊的結晶樹脂產品EP-R4030,最近已工業化生產并推向市場。專為提供低光澤、超耐候粉末而設計。該產品的羥值30,熔點110℃。添加量占樹脂總量的35%~45%時,能提供低光澤和柔韌性。在低光澤(5%~25%)時,給予涂膜超耐候性和良好的柔韌性。涂膜光澤有非常優異的批次重現性(配方2)。

  當含印刷油墨圖案的轉印紙貼在上述半光型熱固性涂膜上實施轉印工序后,轉印紙與熱固性涂膜的分離容易,且轉印紙上的圖案能滲透到熱固性涂膜內部40~60μm,得到牢固、逼真的圖案,不會被溶劑擦去,且具有優異的耐候性。

  3.3 聚氨酯無光粉末涂料

  聚氨酯無光粉末涂料在熱轉印中撕紙也比較容易,是用兩種羥值不同的聚酯或含兩種不同官能團的固化劑(Crelan VP LS2181/1,為Bayer公司產品)反應,得到的無光粉末。這種固化劑的兩種基團分別是異氰酸酯基和羧基。它們可發生兩種平行的固化反應。Crelan VP LS2181/1的異氰酸酯基與含羥基的聚酯反應,羧基則與羥烷基酰胺或TGIC反應。也可與二氮丁酮固化劑相配合,光澤可以控制在1%~85%。當與封閉型異氰酸酯固化劑配合使用時,也能得到各種光澤水平,涂層流平性好,機械性能和耐化學品性十分優良,且圖案轉印性優異。聚氨酯無光粉末涂料的參考配方如下:

  組成 份數

  羥基樹脂(高羥值) 117

  羥基樹脂(低羥值) 273

  封閉異氰酸酯 243

  流平劑 10

  消光填料 300

  安息香 4

  蠟粉 10

  炭黑 8

  其它助劑 40

  運用此配方可得到60°光澤度5%左右的聚氨酯粉末涂料,調節高羥值樹脂與低羥值樹脂(低支化度)的比例,填料的品種及加入量,可以調整涂膜光澤。實施轉印工序后轉印紙與熱固性涂膜的分離容易,轉印紙上的圖案能滲透到熱固性涂膜內部40~60μm,得到牢固、逼真的圖案,不會被溶劑擦去,且具有優異的耐候性。

  4 影響撕紙的因素探討

  除去轉印紙(及貼紙方式和膠水等)的影響外,涉及撕紙的因素還有(1)涂膜光澤:熱轉印紙好撕的粉末依次是無光粉>亞光粉>高光粉。無光粉和亞光粉的表面實際上是一種微觀的不平整表面,轉印紙在涂膜表面不能完全緊貼,所以好撕;(2)體系不同:當然是聚氨酯體系最好,最好不要用Primid體系,這種體系易粘紙;(3)涂膜固化程度:固化不徹底會影響撕紙。熱轉印產品的涂膜必須固化完全,否則熱轉印時就會粘紙;(4)熱轉印時的溫度與時間:熱轉印產品應根據轉印紙質量確定熱轉印時的爐溫和轉印時間,一般來講熱轉印溫度控制在150~220℃之間,轉印時間控制在3~8min為宜。轉印紙質量差的應該降低轉印溫度;(5)粉末涂料產品的分散性:粉末涂料產品分散不良也會產生粘紙現象。

  5 結語

  聚氨酯粉末涂料盡管價格較高,但性能卓越,且在熱轉印中的轉移性好、圖案清晰逼真,在市場上占有一定的份額。但是配方設計中必須要使用至少兩種不同羥值的聚酯樹脂才好撕紙,單獨使用一種聚酯樹脂不好撕紙。



 
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