新型特种聚酯多元醇使汽车和工业涂料具有高耐候性和耐久性

消费者想要美观耐用的涂层，而原始设备制造商想要实惠的性能。这就使得配方商需要进行一系列复杂的权衡，特别是在树脂选择方面。聚酯多元醇通常具有优良的机械性能，但耐候性和耐化学性较差。亚克力耐候性好，但常因外观而划痕。监管机构通过了新规则，改变了执法重点，收紧了VOC的限制，这让事情变得更加复杂。平衡成本、合规和绩效的需要是一个重大挑战。

尽管该行业尚未推出一种“灵丹妙药”，为消费者、监管机构、原始设备制造商和配方商提供他们想要的所有涂料，但仍有一些有前途的新技术能够带来重大进展。通过提高工艺效率和涂层耐久性，伊士曼tetrshield™保护树脂系统为汽车领域以及工业、农业和建筑设备应用等邻近市场的涂料增添了独特的性能，同时也改变了行业对聚酯化学的看法。

保护树脂系统

虽然tetrshield树脂属于聚酯，但该技术表现出了传统聚酯多元醇无法达到的性能。由于使用了独特的单体，这些树脂具有优异的耐候性、硬度和耐化学性。单体2,2,4,4-四甲基-1,3-环丁烷二醇，通常被称为TMCD，是一种环脂肪族二醇，可以使用常见的制造技术很容易地合并到聚酯多元醇中。图1所示的结构解决了聚酯的历史缺点，提供了一个共聚物骨架，通过屏蔽聚酯键来提高抗水解能力。

图1”2,2,4,4-四甲基-1,3-环丁二醇(TMCD)的化学结构和独特的特性，以改善共聚酯的性能纳入骨干。

TMCD的四甲基结构提供了具有独特溶解度的共聚聚酯材料，与高性能涂料配方中常用的其他成分具有良好的相容性，并在高应用涂188金宝搏bet官网料固体中具有较低的粘度分布。用TMCD构建的多元醇中固有的屏蔽二羟基有助于改善着色和耐化学性，并为最终涂层提供水解稳定性。环脂肪族结构使硬度和刚性相结合，同时在高于正常的玻璃化转变温度下仍然保持灵活性。当这些特性结合到树脂包中时，为配方商和原始设备制造商(OEMs)提供了可持续的解决方案，以加强他们的涂料组合。

monocoat:克服性能障碍

单组分(1K)单涂层应用中使用最广泛的两种化学物质是聚酯多元醇/三聚氰胺体系和热固性丙烯酸/三聚氰胺体系。每一种粘结剂/交联剂组合为最终的涂层性能带来不同的性能特点。随着tetrshield技术的引入，配方商可以将两种选择的性能优势与单一技术的使用结合起来。表1说明了目前用于单衣衣的各种化学物质的相对性能。

表1”不同树脂工艺的单一涂料配方的普通涂料性能。

通常用于轻型商用车的白色单涂层配方一直是配方商验证这种新型树脂化学性能优势的关键焦点。使用单涂层系统而不是清漆/底漆(COB)组合的驱动力是，它消除了一层涂层，从而节省了材料和工艺成本。虽然单色大衣在今天被广泛使用，但原始设备制造商越来越不满意它们糟糕的保光性和耐磨性。从表1的性能总结中，可以推断，用传统化学方法达到这种性能需要结合丙烯酸和传统多元醇粘合剂。这种方法的主要挑战是，它的编制范围很窄，无法满足各项要求的平衡，从而满足总体性能和成本需求。新的保护树脂技术为配方商提供了更大的配方范围，为汽车工业开发改进的单涂层系统。表2总结了白色单衣样品起始配方的组成和表征。

表2”推荐的白色单涂层配方与四盾AC1001的汽车应用，配方物理和典型的性能性能。

表2所示的白色单品配方已与商业对照进行了评估。四盾单衣在不影响其他关键性能(如抗冲击性、硬度、外观和附着力)的情况下，具有更好的耐刮性、更好的耐候性和更高的固相性。图2显示了微划痕测试的结果，该测试通过将涂覆面板置于5毫米长度的渐进负载(50N)下进行。在显微镜下观察了不同的损伤阈值，如开裂、分层开始和完全分层，并与该位置测得的力相关。新技术的性能明显优于图2所示的商业产品。这展示了如何将TMCD纳入多元醇结构，使最终薄膜的硬度和延展性达到平衡。

图2”各种单涂层配方的微划痕数据表明，当暴露于超过5mm的表面时，开裂、分层开始和完全分层。

紫外线(UV)辐射加速风化暴露用于模拟涂层长期暴露在环境条件下，如阳光和各种湿气来源。初始光泽度读数在测试协议中按特定的间隔记录和监测。图3展示了使用QUVB-313 (ASTM G154循环2)的三种单涂层体系的光泽保持情况，QUVB-313是评价单涂层的常用方法。结果清楚地表明，tetrshield单涂层的性能明显优于目前的商业选择。

图3»各种白色单涂层配方的保光性能(QUVB-313, ASTM G154)来预测涂层的长期性能。

另一个比较是通过集成球体使用超高强度紫外线(高达60个“太阳”)曝光的高加速方法。这种方法是由国家科学技术研究所(NIST)开发的，比其他工业标准加速风化方法更快地指示涂层失效。高度侵略性的SPHERE方法证实了UVB-313的结果，并在测试早期预测了商业控制的失败，而基于tetrshield的单涂层与初始评估相比变化极小，进一步证明了该技术优越的外观耐久性。加速的SPHERE结果如图4所示。

图4»在不同时间间隔的SPHERE测试中暴露于超高强度紫外线辐射的白色单衣系统的显微照片。

使配方剂在给定的应用粘度下达到更高的应用固体是这种新型树脂化学的另一个独特特点。通常情况下，在配方较高的固体中，粘度的增加会导致涂层表现出较差的流动和流平特性，这反过来又会对最终膜的外观产生负面影响。使用新型保护树脂制成的白色单涂层配方，即使固体重量为60%，也能保持良好的流变性，从而使其外观与低固体含量的丙烯酸树脂相比较。与商业材料相比，这是一个显著的改进，使配方商和oem能够在保持良好外观性能的同时，实现VOC目标水188金宝搏bet官网平。图5总结了白色单涂层配方在恒定应用粘度下的固体水平。

图5»不同树脂化学性质的白色单涂层配方的固体比较。

其他市场，如农业和建筑设备(ACE)，有未满足的需求，与那些汽车单衣部分重叠。在ACE中，额外的挑战来自于高色度的涂料，如红色、绿色和蓝色单涂层配方。ACE市场的配方商必须解决结婚和色素出血等问题，因为该设备的使用通常比普通汽车更严重。就像汽车涂料一样，这些性能缺陷是由紫外线照射下的薄膜降解引起的。薄膜的降解通常会导致不良的外观，不能保护底层的基材，并增加涂料显示粉笔或颜料粉尘的风险。高色度颜料包有助于降低薄膜的耐候性，但由于紫外线降解的失败主要归因于树脂的选择。除了先前在白色单涂层配方中描述的好处外，tetrshield红色单涂层配方已证明能够减少色素出血和提高抗破损能力。表3给出了一种红色单涂层配方的起始配方样品、配方物理性质以及基本性能特征。

表3”工业应用中推荐使用含tetrshield IC3000的红色单涂层配方，配方物理和典型性能性能。

有两种常用的技术用于评估高色度涂料的抗破坏能力。第一种是用二甲苯作为溶剂的ASTM D5402(双摩擦试验)。图6显示了tetrshield红色单外套与商业对照的测试结果。从氙气风化前后拍摄的芝士布图片来看，商业控制显示颜料渗漏，而新树脂样品不受影响。

图6»二甲苯双摩擦证明了红色单涂层配方的抗Mar性能。

抗破坏的第二个措施是工业标准瓦片测试。在此过程中，对新面板的初始光泽度读数进行评估，使用瓦片计进行磨损，然后测量磨损后的光泽度。根据ASTM G155，暴露于氙辐射的面板使用相同的方法进行测试。结果如图7所示。试验结果与二甲苯双摩擦试验结果一致。在风化/磨损后，商业测试布上有大量的颜料回收，而tetrshield布是干净的。

图7»对加速氙气老化和瓦罐计的反应破坏了红色单涂层配方的耐腐蚀性。

新兴应用程序:实验

整车厂正试图为他们的涂料生产线引入更高效、可持续的解决方案，他们也有动力寻找新的涂料解决方案，以提供更高的固体/减少voc排放，改善外观，降低烘烤温度和提高耐久性。大多数oem厂商选择两种清漆解决方案之一-单组分体系(三聚氰胺固化具有羟基功能)或双组分体系(2K)(异氰酸酯交联具有羟基功能)。每种方法都有优点和缺点，首选技术的选择取决于整体性能平衡、汽车生产线能力和材料处理要求。表4总结了与这两种OEM 1K和2K透明涂层化学物质相关的主要优点和缺点。

表4»单组分和双组分化学清漆性能的普遍看法和经济考虑。

1K和2K清漆化学的技术方法通常涉及丙烯酸和聚酯粘合剂的组合，以达到所需的性能平衡。丙烯酸胶结剂以其优异的耐候性和外观而闻名，而聚酯胶结剂往往在较高的应用固体时提供良好的流动和水平，并增强机械性能。在诸如耐候性和耐化学性等性能上的权衡开始下降之前，传统聚酯多元醇加入到清漆配方中通常被限制在主粘合剂重量的10- 20%左右。通过用新型特种聚酯多元醇代替传统聚酯多元醇，消除了这些权衡，这种新型多元醇技术的优势适用于广泛的OEM清漆解决方案，以满足不同地区对应用性能、VOC水平、性能性能和配方成本的不同需求。

对显影树脂在1K清漆中的评价显示出有希望的初步结果。通过将部分丙烯酸主粘结剂替换为四盾多元醇，实验配方表明，与传统丙烯酸/聚酯粘结剂的性能相比，其耐候性和机械性能得到了改善。图8突出显示了一系列1K清漆配方在主粘合剂成分中新树脂含量增加后的光泽保留情况。由于更高的水平取代了标准的丙烯酸树脂，20°光泽保留率提高成比例。在该系列的最大替代水平，光泽水平提高了19%的初始配方(全丙烯酸)。在较高水平的多元醇掺入条件下，除了提高光泽度外，抗下垂和挡风玻璃粘结强度等性能仍然可以接受。铅笔的硬度也随着配方中新多元醇技术含量的增加而上升。这表明，在不影响耐候性、硬度或固体的情况下，基于四盾的1K透明涂层可以实现强大的耐久性。表5总结了1K清漆配方的性能特性。

图8»使用瓦片计评价法对主粘合剂中新技术含量增加的1K清漆配方的保光性能进行了测试。

表5»随着主粘结剂中tetrshield含量的增加，单组份清漆配方的性能性能。

双组分体系以其优良的外观，良好的耐化学性和较高的固体水平而著称于1K配方。然而，平衡耐用性和外观仍然是一个挑战。在OEM 2K清漆应用中对开发树脂的评估表明，在丙烯酸/多元醇主粘合剂中，多元醇掺入量超过标准聚酯20%的限制，使耐化学性、耐久性和高固形度达到理想的平衡。图9显示了各种OEM 2K清漆系统的配方特性。从图表中可以看出，在2K清漆配方中，新多元醇的含量约为主要粘合剂成分的一半，与传统的OEM 2K清漆解决方案相比，VOC排放量下降了10%。在相同的应用粘度下，新粘合剂的配方固体含量更高，三种体系的20°光泽度水平具有可比性。

图9»OEM双组份清漆配方应用及外观性能。

对涂层性能的评估(表6)表明，新树脂在不牺牲硬度、耐化学性或耐候性的情况下，还提高了抗冲击性。图10显示了各种2K清衣系统暴露于氙时的风化剖面。从图中可以明显看出，在丙烯酸基配方中，四盾改性体系改善了传统多元醇化学的耐候特性。

表6»2K清漆系统的性能总结。

图10»OEM双组份清漆配方氙风化剖面。

总结

四盾树脂在白色和高色度单色漆、单组分清漆和双组分清漆应用中具有独特的优势。将一种独特的单体TMCD加入到树脂骨架中，提供了商业聚酯解决方案中无法比拟的性能性能平衡。这些增值特性已在多个汽车和工业细分市场进行了测试，在这些细分市场，改进保护至关重要。该技术为涂料生产商提供了独特的配方，根据特定的客户需求定制性能属性。配方剂获得高固含量汽车涂料的能力为oem提供了持久、可持续的涂料解决方案，有助于在不牺牲传统汽车涂料系统性能的情况下获得生产效益。当在各种涂料系统中使用tetrshield作为粘合剂组件时，消费者的期望如耐化学性、涂层的光泽保持性、耐磨性和耐划伤性都得到了保留。

参考文献

1.ASTM G154-16非金属材料暴露用荧光紫外线(UV)灯装置操作标准规程，ASTM国际，西康肖霍肯，PA, 2016, https://doi.org/10.1520/G0154-16。188金宝搏bet官网

2.https://www.nist.gov/laboratories/tools-instruments/integrating-sphere-based-weathering-device。

3.ASTM D5402-15使用溶剂摩擦评估有机涂料耐溶剂性的标准实施规程，ASTM International, West Conshohocken, PA, 2015, https://doi.org/10.1520/D5402-15。

4.ASTM G155-13非金属材料暴露用氙弧光装置操作标准规程，ASTM国际，西康肖霍肯，PA, 2013, https://doi.org/10.1520/G0155。188金宝搏bet官网

欲了解更多信息，请访问www.eastman.com/Tetrashieldprotects．

确认

作者谨感谢下列人士对所提出的技术工作所作的贡献:

•林峰博士，高级科学家

•周乔博士，高级研究助理

•Geoff Webster博士，技术助理

•Sunil Kulkarni博士，高级研究科学家