聚烯烃制品的工业液体涂层：内外饰应用

聚烯烃制品的工业液体涂层：内外饰应用

塑料工业涂层是装饰、表面精饰和大规模定制的基石工艺。液体涂层用途极为广泛，可实现无穷无尽的功能和美学可能性。涂层能增加价值，兼具成本效益和环保性。涂层工艺涉及多个方面，需要合理的工程设计。必须了解涂料化学与聚合物相容性的影响。表面质量和清洁度对附着力和无缺陷质量至关重要。本文是塑料液体涂层系列文章的第一篇。本期我们探讨聚合物特性、涂层与基材之间的相互作用类型、聚丙烯应用以及涂层技术。

“涂层（coating）”和“涂装（painting）”这两个术语常被混用。一般而言，“涂装”的目的是美观，而“涂层”则是通过在基材上施加功能性材料层来实现性能。性能涂层的例子包括防水、自清洁、抗菌、防锈防腐、紫外线/耐候防护、柔韧性与弹性以及保色性。要获得附着力，塑料零件必须无静电、污垢、油脂、指纹和脱模剂残留等。低分子量氧化物质（LMWOM），如抗氧化剂、增塑剂、爽滑剂和抗静电剂、着色剂/颜料以及稳定剂，会改变零件的可涂装性，并导致分层和其他缺陷。由于聚丙烯（PP）和许多聚合物具有疏水性，等离子体预处理是必要的，有时还需配合氯化聚烯烃化学附着力促进剂。

要点

• 涂料与聚合物在化学、热和机械层面相互作用，任何相互作用都不得损害塑料的性能。
• PP 是塑料行业的“钢铁”，坚韧、刚性、结晶、非极性，且 100% 可回收。
• 可涂装性是一项设计决策。即使在同一聚合物系列内牌号也各不相同，因此聚合物的选择决定了上限。
• 三大涂层类别：单组分漆、双组分热固性涂料和 UV 涂料，均有水性配方可选。
• 再生 PP 是一个真实的涂层市场。汽车电池被再生为质保 25 年以上的建筑产品。

常见问题

为什么聚丙烯难以涂装？

PP 具有疏水性、非极性和化学惰性，表面润湿性差。它是聚烯烃家族中的线型烃类树脂，聚合后会依据甲基位置形成无规、等规或间规链结构，各自影响其行为。

为涂料匹配塑料时必须考虑什么？

三类相互作用：化学、热和机械。任何一种都不得损害塑料的性能。复杂之处在于塑料种类繁多，每个系列内还有众多牌号，可涂装性各不相同，初次成型加工也会产生影响。

塑料表面精饰有哪些涂层技术可选？

主要有三大类。单组分漆使用方便、每平方英尺成本低，通过溶剂或水分蒸发干燥，通常 30 分钟或更短即可干燥。其余两类是双组分热固性涂料和 UV 涂料。三者均有水性配方可选。

再生聚丙烯能成功涂装吗？

可以，而且是一项重要应用。再生汽车电池被制成建筑内外饰产品，部分产品的制造商质保期超过 25 年，涂层是大规模定制的首选装饰工艺。

什么时候适合选用单组分漆？

当每平方英尺成本和使用便捷性最为重要且性能要求适中时。它们可通过配方实现硬度和耐磨性，也可为软质塑料制成更柔韧的形式，并在室温或低温烘烤下完全通过蒸发硬化。

涂料与聚合物的相容性

要实现稳健的作业和终端使用性能，必须了解涂料化学与塑料相容性的影响。涂料和塑料的选择涉及化学、热和机械等多种相互作用2。任何因素都不得损害塑料的性能。设计工程师必须选择最佳聚合物，在性能与可涂装性之间取得平衡。复杂之处在于塑料和牌号种类繁多，即使在同一聚合物系列内，每种也都具有独特的性能和不同程度的可涂装性。初次加工也是一个影响因素，包括材料纯度、模具温度、浇口、排气和结晶度等。

化学影响：涂料溶剂和化学作用可能损伤塑料。人们通常希望涂料溶剂对塑料产生侵蚀（蚀刻），这在一定程度上可提高附着粘接力。然而，溶剂可能导致表面银纹、环境应力开裂、溶胀、软化、聚合物基材溶解，以及许多与溶剂相关的缺陷（如针孔、溶剂爆孔和空隙）。

热影响：某些类型的涂料需要高温固化。较高的温度（相对于聚合物模量而言）可能释放成型零件内的残余应力而导致翘曲。固化过程中涂料收缩可能产生残余应力。极端温度可能使聚合物降解。烘箱固化时，升温应循序渐进。

机械影响：干燥涂料的强度和刚度性能必须与塑料相容，并作为一个整体共同发挥作用。选择与特定塑料基材匹配不当的涂料体系，可能导致过早失效，即“弹性失配”。

聚丙烯

聚丙烯（PP）常被称为塑料行业的“钢铁”，因为它可通过多种方式改性以满足特定用途。PP 是一种由丙烯单体制得的坚韧、刚性、结晶的非极性热塑性塑料，100% 可回收。PP 难以粘接，因为它具有疏水性、非极性和化学惰性，即表面润湿性差。PP 是属于聚烯烃类的线型烃类树脂，化学式为 (C3H6)n。

聚合时，PP 可根据甲基位置形成三种基本链结构：

• 无规（aPP）：甲基（CH3）排列不规则
• 等规（iPP）：甲基（CH3）排列在碳链的同一侧
• 间规（sPP）：甲基（CH3）交替排列

PP 有两种主要类型：均聚物和共聚物。共聚物又分为嵌段共聚物和无规共聚物。均聚 PP 是通用牌号。嵌段共聚 PP 的共聚单体单元呈嵌段排列，含 5% 至 15% 的乙烯。无规共聚 PP 的共聚单体单元沿分子呈不规则或随机排列，通常含 1% 至 7% 的乙烯1。PP 的熔点是一个范围，这意味着烘箱固化的温度设定点应根据其牌号来评估。

• 均聚物：160-165°C
• 共聚物：135-159°C

抗静电剂。PP 具有优异的电绝缘性能，容易积聚静电荷而将灰尘吸附到表面。抗静电添加剂可“析出”到表面以消散电荷，但会导致涂料分层。此外，几个月后，深色表面可能出现白色薄膜（析出物）。

辐射的影响：紫外线（UV）。PP 受紫外线辐射影响很大。除非使用紫外线抑制剂或高添加量的炭黑颜料，否则暴露在阳光直射下会导致强度性能下降。即使添加大量抑制剂或颜料，在强烈阳光条件下的预期使用寿命仍然有限。

针对 PP 和低表面能聚合物的聚合物设计考虑：

• PP 共聚物可能比均聚物更容易附着/粘接。
• 尼龙和聚碳酸酯具有吸湿性，必须干燥。PP 不吸湿，但如果树脂粒子表面带有水分，会引起与潮湿的吸湿材料相同的问题。
• 尼龙的“本体”性质是疏水的，“表面”性质则是吸湿的1。
• 尼龙 6 比尼龙 66 更容易吸收水分，水分起到增塑剂的作用。尼龙 6 可能比尼龙 11 或 12 更容易粘接。
• 缩醛 POM 共聚物（Celcon）可能比均聚物（Delrin）更容易粘接。
• 聚乙烯更容易粘接。请确认是否必须使用 PP。

再生聚丙烯（rPP）的应用

PP 100% 可回收且可涂装。参见图 1。汽车电池被再生为建筑/家居内外饰产品。其中一些产品的制造商质保期超过 25 年。涂层是大规模定制最受欢迎的装饰工艺。

涂层技术

OEM 塑料表面精饰有多种涂层技术可选，根据性能、成本和产线占地要求，各有不同的优势。这些技术分为三大类：

单组分漆：单组分漆使用方便、每平方英尺成本低，常用于塑料装饰。这些涂料完全通过溶剂或水分蒸发干燥和硬化，通常在室温或低温烘烤条件下 30 分钟或更短即可干燥。单组分漆可通过配方实现硬度和耐磨性，或者针对软质塑料制成柔韧、延展的形式。室温风干的能力减少了资本投入需求，但在 100-120°F 下低温烘烤有助于缩短周期。单组分漆最适合用于接触冷凝湿气、浸水和苛刻化学品的可能性有限的成品。这些产品有溶剂型和水性配方，可采用 HVLP 或空气雾化喷涂。

双组分热固性涂料：双组分热固性涂料性能高，可针对各种极端工业工况、户外消费品和汽车应用进行优化。环氧树脂、聚氨酯以及程度稍低的 M-cure 反应型改性剂在这一领域占主导地位。聚氨酯涂料每平方英尺成本高，但具有出色的耐化学性，在长时间阳光直射下具备汽车级的保色和保光性能。环氧树脂成本低于聚氨酯，在膜硬度、耐化学性和水汽阻隔性能方面表现出色。然而，环氧树脂用作面漆时，在阳光直射下色彩稳定性和耐久性较差，且易发白，因此通常用作底漆。此外，环氧涂层产品通常需要加贴加州 65 号提案标签。

一般来说，双组分热固性涂料从固化到可搬运/包装所需时间较长，因为大部分膜硬度是通过化学交联（固化）形成的。由于塑料基材对热敏感，通过加热加快双组分热固性涂料固化的能力有限。需要缩短周期时，多组分混合设备可使用固化更快的配方。对于成本或固化时间限制使得无法使用双组分聚氨酯的应用，可考虑 M-cure，因为新的 M-cure 树脂技术使 M-cure 配方的可操作适用期远长于以往，因而无需多组分混合设备，即可在常温或低温烘烤下实现更快的干燥。水性和溶剂型热固性配方均有供应，通常采用 HVLP 或空气雾化喷涂。

UV 固化涂料：UV 固化涂料在快干/固化时间和性能方面的综合表现是所有塑料涂层技术中最佳的。根据配方和零件几何形状，固化通常只需 3-10 秒。固化后，采用 UV 固化涂料装饰的塑料制品可立即包装。UV 固化涂料的韧性和耐化学性出色，可通过配方实现长期户外耐久性，也可为较轻负荷的应用降低成本。UV 固化涂料通常需要直视 UV 固化灯照射才能达到膜硬度，不过水性 UV 固化涂料的独特之处在于，即使在固化之前也能形成触干膜，因此复杂零件上的小阴影区域不会在成品中留下未固化的发粘残留物。汞蒸气灯是最常用的 UV 固化光源，可为微波激发式或弧光式。弧光灯采购成本更低，但需要预热时间且产生大量热量。微波激发灯比弧光灯更昂贵，但开启后数秒内即可使用，产热较少，灯泡寿命更长。微波灯和弧光灯均有掺铁或掺镓型，适合固化有色颜料，并可根据峰值功率要求和零件几何形状与椭圆（泛光）或抛物面（聚焦）反射器搭配使用。除汞灯外，LED UV 灯已成为一种竞争性技术，可即开即关，能耗极低，产热极少，但由于焦点几何形状的限制，最适合规则形状的圆柱形零件或平面零件。此外，虽然 LED 灯在高颜料含量或厚膜的透固化方面表现出色，但使用时可能需要在漫射或低功率汞灯下进行后固化照射，才能完全固化表面。有 100% 固含量、溶剂型和水性配方可选。UV 涂料可采用 HVLP 喷涂，也可在平面上辊涂。

液体涂层选择指南

结论

涂层工艺涉及多个方面，需要精确的工程设计和质量控制。涂料化学与塑料相容性的影响以及表面质量，对产品性能至关重要。单组分漆、双组分热固性涂料和 UV 涂层技术均可有效用于聚丙烯材料的涂装与涂层，并且都有水性配方可选。

参考文献

• Definitive Guide to Polypropylene, Omnexus SpecialChem, 2021
• Sabreen, S. and Roobol, N: Painting Plastics for Painting, Plastics Decorating Magazine 2003
• Sabreen, S. Inkjet Printing & Adhesion of Low Surface Energy Polymers, Plastics Decorating Magazine 2019

Scott R. Sabreen 是 The Sabreen Group, Inc. 的创始人兼总裁，该公司是一家工程咨询公司，专注于塑料二次加工制造工艺，包括表面预处理、附着粘接、喷墨打印、激光打标、工业涂层、装饰与表面精饰以及产品安全。Sabreen 三十多年来一直致力于开发开创性技术并解决制造难题。您可致电 972.820.6777 联系他，或访问 www.sabreen.com。

Dustin Kurath 是 Northern Coatings and Chemical Co. 的技术总监，该公司是一家专注于高性能工业涂料的涂料制造商。自 2000 年代中期以来，Kurath 一直从事高性能通用工业涂料和汽车涂料、航空航天涂料、包装涂料以及辐射固化涂料的研究。您可致电 906.352.5060 联系 Kurath，或访问 www.northern-coatings.com。

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