聚烯烴產品的工業液態塗裝：室內與室外應用

聚烯烴產品的工業液態塗裝：室內與室外應用

塑膠工業塗裝是裝飾、表面加工與大量客製化的基石製程。液態塗料用途極為多元，帶來無窮的功能與美學可能，能增添價值，兼具成本效益與環保優勢。塗裝製程涉及多個面向，需要適當的工程設計，且必須了解塗料化學與聚合物相容性的影響。表面品質與清潔度，對附著力與無缺陷品質至關重要。本文是塑膠液態塗料系列的第一篇。本期探討聚合物特性、塗料與基材之間的交互作用類型、聚丙烯應用，以及塗裝技術。

「塗裝（coating）」與「噴漆（painting）」二詞常被交替使用。一般而言，「噴漆」的目的在於美觀，而「塗裝」則是透過在基材上施加功能性材料層來提升性能。性能塗料的例子包括防水、自潔、抗菌、防鏽與防腐蝕、UV／耐候保護、柔軟性與彈性，以及保色性。要達到附著，塑膠零件必須沒有靜電、灰塵、油污、指紋與脫模劑殘留等。低分子量氧化物質（LMWOM），例如抗氧化劑、塑化劑、滑爽劑與抗靜電劑、著色劑／顏料及安定劑，可能改變零件的可塗裝性，導致脫層與其他缺陷。由於聚丙烯（PP）及許多聚合物具有疏水性，必須進行電漿前處理，有時還需搭配氯化聚烯烴化學助黏劑。

重點摘要

• 塗料與聚合物在化學、熱與機械方面相互作用，任何交互作用都不得損及塑膠的性質。
• PP 是塑膠產業的「鋼鐵」：堅韌、剛性、結晶型、非極性，且 100% 可回收。
• 可塗裝性是設計決策。即使在同一聚合物家族中，各等級的表現也不同，因此聚合物的選擇決定了性能上限。
• 三大類塗料：單液型漆、雙液型熱固性塗料與 UV 塗料，皆有水性化學配方。
• 再生 PP 是真實存在的塗裝市場。汽車電池可變成保固 25 年以上的建材產品。

常見問題

為什麼聚丙烯難以塗裝？

PP 具疏水性、非極性且化學惰性，表面潤濕性差。它是屬於聚烯烴家族的線型碳氫樹脂，聚合後會依甲基位置形成無規、等規或間規鏈結構，每種結構都會影響其表現。

為塑膠選配塗料時需要考慮什麼？

三種交互作用類型：化學、熱與機械。任何一項都不得損及塑膠的性質。複雜之處在於塑膠種類眾多，且每個家族中又有許多等級，各自的可塗裝性不同，初級加工也會造成影響。

塑膠表面加工有哪些塗裝技術？

主要有三大類。單液型漆易於使用，每平方英尺成本低，藉由溶劑或水分蒸發乾燥，通常在 30 分鐘內完成。其餘兩類為雙液型熱固性塗料與 UV 塗料。三者皆有水性化學配方。

再生聚丙烯可以成功塗裝嗎？

可以，而且是重要的應用。回收的汽車電池可變成建築室內與室外產品，部分產品由製造商提供 25 年以上的保固，且塗裝是大量客製化的首選裝飾製程。

什麼情況下單液型漆是正確的選擇？

在每平方英尺成本與易用性最為重要、性能要求適中的情況下。它們可調配出硬度與耐磨性，或為軟質塑膠調配得更具柔軟性，並可在室溫或低溫烘烤下完全藉由蒸發硬化。

塗料與聚合物的相容性

必須了解塗料化學與塑膠相容性的影響，才能實現穩健的作業與最終使用性能。塗料與塑膠的選擇涉及多種交互作用，包括化學、熱與機械交互作用2。任何元素都不得損及塑膠的性質。設計工程師必須選擇最佳的聚合物，在性能與可塗裝性之間取得平衡。複雜之處在於塑膠種類與等級繁多，即使在同一聚合物家族內，也各有獨特的特性與可塗裝程度。初級加工也是影響因素之一，包括材料純度、模具溫度、澆口、排氣與結晶度等。

化學效應：塗料溶劑與化學交互作用可能損傷塑膠。通常希望塗料溶劑對塑膠進行侵蝕（蝕刻），在有限程度內可改善附著接合。然而，溶劑可能造成表面龜裂、環境應力龜裂、膨脹、軟化、聚合物基材溶解，以及許多與溶劑相關的缺陷（例如針孔、溶劑爆泡與空隙）。

熱效應：某些類型的塗料需要高溫固化。相對於聚合物模數而言較高的溫度，可能釋放零件內的成型殘留應力而造成翹曲。固化期間塗料收縮可能產生殘留應力。極端溫度可能使聚合物降解。以烘箱固化時，溫度應逐步上升。

機械效應：乾燥塗膜的強度與剛性特性必須與塑膠相容，並作為一個整體共同運作。選用與特定塑膠基材匹配不當的塗料系統，可能導致提早失效，即「彈性失配」。

聚丙烯

由於可依特定用途以各種方式改質，聚丙烯（PP）常被稱為塑膠產業的「鋼鐵」。PP 是由丙烯單體製成的堅韌、剛性、結晶型非極性熱塑性塑膠，100% 可回收。PP 因疏水、非極性且化學惰性（即表面潤濕性差）而不易黏接。PP 為線型碳氫樹脂，屬於聚烯烴類。PP 的化學式為 (C3H6)n。

聚合後，PP 依甲基位置可形成三種基本鏈結構：

• 無規（aPP）：甲基（CH3）排列不規則
• 等規（iPP）：甲基（CH3）排列於碳鏈的同一側
• 間規（sPP）：甲基（CH3）交替排列

PP 主要有兩種類型：均聚物與共聚物。共聚物又分為嵌段共聚物與無規共聚物。均聚物 PP 為通用等級。嵌段共聚物 PP 的共單體單元以嵌段方式排列，含 5% 至 15% 的乙烯。無規共聚物 PP 的共單體單元沿分子以不規則或隨機的模式排列，通常含 1% 至 7% 的乙烯1。PP 的熔點落在一個範圍內，因此烘箱固化的溫度設定點應依其等級來評估。

• 均聚物：160–165°C
• 共聚物：135–159°C

抗靜電。PP 具有優異的電絕緣性，且容易保留靜電荷而吸附灰塵。抗靜電添加劑可「析出」至表面以消散電荷，但會造成塗料脫層。此外，數個月後，深色表面可能出現白色薄膜（析出物）。

輻射的影響：紫外線（UV）。PP 受 UV 輻射影響極大。除非使用 UV 抑制劑或高添加量的碳黑顏料，否則暴露於直射陽光下會導致強度性質喪失。即使添加大量抑制劑或顏料，在嚴苛日照條件下的預期使用壽命仍有限。

PP 與低表面能聚合物的聚合物設計考量：

• PP 共聚物可能比均聚物更容易附著／黏接。
• 尼龍與聚碳酸酯具吸濕性，必須乾燥。PP 不吸濕，但若樹脂粒表面帶有水分，會造成與潮濕的吸濕性材料相同的問題。
• 尼龍的「本體」特性為疏水性，「表面」特性為吸濕性1。
• 尼龍 6 比尼龍 66 更容易吸收水分，水分會起到塑化劑的作用。尼龍 6 可能比尼龍 11 或 12 更容易黏接。
• 縮醛樹脂（POM）共聚物（Celcon）可能比均聚物（Delrin）更容易黏接。
• 聚乙烯更容易黏接。請確認是否確實需要 PP。

再生聚丙烯（rPP）的應用

PP 100% 可回收且可塗裝。參見圖 1。汽車電池被回收製成建築／住宅室內與室外產品。其中部分產品由製造商提供 25 年以上的保固。塗裝是大量客製化最受青睞的裝飾製程。

塗裝技術

OEM 塑膠表面加工有數種塗裝技術可選，依性能、成本與產線佔地需求，各具不同優勢。這些技術主要分為三大類：

單液型漆：單液型漆易於使用，每平方英尺成本低，常用於塑膠裝飾。這類塗料完全藉由溶劑或水分蒸發乾燥並硬化，在室溫或低溫烘烤條件下，通常 30 分鐘內即可乾燥。單液型漆可調配出硬度與耐磨性，或針對軟質塑膠調配得具柔軟性與延展性。可在室溫下風乾，因此降低了資本投資需求，不過以 100–120°F 低溫烘烤有助於縮短週期時間。單液型漆最適合用於接觸冷凝濕氣、浸水與嚴苛化學品機會有限的成品。這些產品有溶劑型與水性配方，可採用 HVLP 或氣霧化噴塗施工。

雙液型熱固性塗料：雙液型熱固性塗料性能優異，可針對各種極端工業使用、戶外消費性產品與汽車應用進行最佳化。此領域以環氧樹脂、聚胺酯，以及程度較低的 M-cure 反應型改質劑為主。聚胺酯塗料每平方英尺成本較高，但耐化學性優異，長時間直接日照下的保色與保光性能達到汽車等級。環氧樹脂成本低於聚胺酯，在膜硬度、耐化學性與水氣阻隔性方面表現出色。然而，環氧樹脂作為面漆時，在直射陽光下色彩穩定性與耐久性不佳，且容易發白，因此通常用作底漆。此外，環氧樹脂塗裝的產品通常需要加貼加州 65 號提案標示。

一般而言，雙液型熱固性塗料需要較長的固化時間才能達到可搬運／可包裝狀態，因為大部分膜硬度是透過化學交聯（固化）形成。由於塑膠基材對熱敏感，透過加熱來加速雙液型熱固性塗料固化的空間有限。多液混合設備可在需要縮短週期時間時，使用固化較快的配方。對於成本或固化時間限制而無法使用雙液型聚胺酯的應用，M-cure 是可考慮的選項，因為新型 M-cure 樹脂技術使 M-cure 配方能達到遠比過去更長的可操作適用期，無需多液混合設備即可在常溫或低溫烘烤下達到較快的乾燥時間。水性與溶劑型熱固性配方皆有供應，通常以 HVLP 或氣霧化噴塗施工。

UV 固化塗料：在所有塑膠塗裝技術中，UV 固化塗料兼具最佳的快乾／快速固化時間與性能。依配方與零件幾何形狀，固化通常只需 3–10 秒。固化後，以 UV 固化塗料裝飾的塑膠產品可立即包裝。UV 固化塗料在韌性與耐化學性方面表現出色，可調配出長期戶外耐久性，也可針對較輕度使用的應用降低成本。UV 固化塗料通常需要 UV 固化燈的直接視線照射才能達到膜硬度，不過水性 UV 固化塗料的獨特之處在於，即使在固化之前也能形成觸乾膜，因此複雜零件上的小陰影區域不會在成品中留下未固化的黏手殘留物。汞蒸氣燈是最常用的 UV 固化光源，可為微波激發式或弧光式。弧光燈的購置成本較具效益，但需要預熱時間，且會產生大量熱。微波激發燈比弧光燈昂貴，但開啟後數秒內即可使用，產生的熱較少，燈管壽命也較長。微波燈與弧光燈皆有摻鐵或摻鎵版本，適用於固化有色顏料，並可依峰值功率需求與零件幾何形狀，搭配橢圓（泛光）或拋物面（聚焦）反射器。除汞燈外，LED UV 燈已成為競爭性技術，具備即開即關、能耗極低與發熱極少的特性，但受限於焦點幾何形狀，最適合規則形狀的圓柱件或平面零件。此外，LED 燈雖擅長固化高顏料含量或厚膜塗層的深層，但可能需要再以擴散式或低功率汞燈進行後固化曝光，才能完成表面固化。有 100% 固含量、溶劑型與水性配方。UV 塗料可以 HVLP 噴塗，或在平面表面上以輥塗施工。

液態塗料選用指南

結論

塗裝製程涉及多個面向，需要精確的工程設計與品質管制。塗料化學與塑膠相容性的影響，以及表面品質，對產品性能至關重要。單液型漆、雙液型熱固性塗料與 UV 塗裝技術，對於聚丙烯材料的噴漆與塗裝皆有成效，且皆有水性化學配方。

參考文獻

• 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 為 The Sabreen Group, Inc. 創辦人暨總裁，該公司為專精於塑膠二次加工製程的工程顧問公司，涵蓋表面前處理、附著接合、噴墨列印、雷射打標、工業塗料、裝飾與表面加工，以及產品安全。Sabreen 三十多年來持續開發開創性技術，並解決製造難題。歡迎來電 972.820.6777，或造訪 www.sabreen.com 與他聯絡。

Dustin Kurath 為 Northern Coatings and Chemical Co. 的技術總監，該公司為專精於高性能工業塗料的塗料製造商。自 2000 年代中期起，Kurath 即投入高性能一般工業與汽車塗料、航太塗料、包裝塗料與輻射固化塗料的研究。歡迎來電 906.352.5060，或造訪 www.northern-coatings.com 與 Kurath 聯絡。

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