塑料用环保功能化涂料的研究进展

摘要：塑料作为3大合成材料之一，在建筑、家电、汽车等领域被广泛使用，但自身的缺陷需要功能化涂料进行装饰和改善；综述了塑料用水性、UV固化、粉末、抗菌、防火、导电等环保功能化涂料的研究进展，并对塑料涂料未来的发展趋势进行展望。

关键词：防火；抗菌；UV固化；导电

中图分类号：TQ630.7 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2015）03-0075-04

塑料作为3大传统高分子材料之一，广泛应用于各行各业。但塑料制品存在很多缺陷，如在表面抗老化、抗静电、耐划伤、防火等方面的性能较差，因此对塑料表面进行表面装饰化、功能化显得尤为重要。

目前，对塑料涂料与涂装的研究，已经成为一个重要课题。塑料制品大量应用于汽车、家用电器、建筑、玩具等行业，对涂料的要求不仅是具有高装饰性，还要赋予其耐划伤、耐磨、高光泽度、抗老化、高强度、防火、抗菌、导电等高性能。目前，溶剂型涂料还是占主导地位，在使用过程中挥发的有机溶剂会对人体和环境造成很大的危害。随着国家对环保的日益重视，塑料涂料也向着高固含量、水性、光固化、粉末方向发展，从而大大降低了VOC的排放，使用安全性提高。

1 环保型塑料涂料

1.1 水性涂料

与传统的溶剂型涂料相比，其最大的优势是降低了挥发性的有机溶剂，符合环保的要求。聚氨酯被誉为性能最优异的树脂，以其制得的涂料具有许多优异的性能，为达到环保的要求，水性聚氨酯逐渐代替溶剂型聚氨酯。一般来说，水性聚氨酯涂料几乎对所有常用的塑料基材都有良好的附着力，并具有耐溶剂性、耐摩、保色性好等特性，已经成为塑料用水性涂料的重要品种之一。林晓琼[1]等以一种脂肪族异氰酸酯和碳酸酯多元醇为主要原料制得的固含量为40%的水性聚氨酯为成膜物质，研究了消泡剂、硅烷偶联剂、弹性粉、蜡分散体、氮丙啶交联剂和增稠剂等助剂的类型和用量对涂膜附着力、耐水性、耐划伤等性能的影响，制备出一种手感柔滑、光泽柔和、耐划伤性好、附着力优异的水性ABS塑料涂料。

1.2 UV固化涂料

紫外光涂料较传统涂料具有污染小、能耗低等优点，随着技术和市场的需要，其所适用的领域也扩展至塑料、金属、织物、皮革等。崔锦峰等[2]采用低相对分子质量的聚酰胺树脂和丙烯酸乙酯氨基甲酸酯基-异氰酸酯通过加成反应制得以聚酰胺为主链，丙烯酸乙酯二氨基甲酸酯为侧链的梳型预聚物。将此预聚物与适宜的活性稀释剂、光引发剂、颜填料和助剂复配，可以制得满足塑料（PE、PP、PS、PET、PA、ABS）应用要求的UV固化涂料；并讨论了聚酰胺相对分子质量、活性稀释剂、颜填料、光敏剂和助剂对涂料性能的影响。许飞等[3]将季戊四醇三丙烯酸酯（PETA）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）引入水性聚氨酯的主链，制得硅氧烷改性的UV固化水性聚氨酯乳液，通过红外光谱对乳液的结构进行表征。将该乳液与助剂复配，制得水性塑料涂料，并对涂层的固化动力学和表面性能进行研究。与未改性的涂料相比，硅氧烷改性的UV 固化水性涂料具有良好的耐水性和耐溶剂性，同时保留了优良的手感，可用作水性柔感塑料涂料。冀晓敏等[4]以多羟甲基苯酚钠和丙烯酰氯为原料，合成了适用于水性UV固化涂料的多羟甲基苯酚丙烯酸酯，通过红外光谱表征了产物的化学结构。探讨了物料比、反应温度、反应时间和催化剂用量等因素对产物产率的影响。结果表明，当n（多羟甲基苯酚钠）：n（丙烯酰氯）=1：2、反应温度为0～5 ℃、反应时间为2.5 h、催化剂四丁基溴化铵用量为0.04%（占物料质量分数）时，最有利于产物的合成；多羟甲基苯酚丙烯酸酯的水溶性及涂膜性能，也能较好地满足水性UV固化涂料的应用。

1.3 粉末涂料

粉末涂料是一种以固态粉末状态存在、并以粉末状态进行涂装的涂料。以其不含溶剂、VOC零排放、节省资源（过喷的涂料可回收利用）、易实现自动化生产等优点，广受青睐，已经成为环保涂料的发展方向之一。但是通用型粉末涂料的固化温度都比较高（150～180 ℃），从而限制它的适用范围（只能涂装经受高温的底材）。为了扩大新的应用领域，如对热敏感的木材或者塑料进行涂装，低温固化粉末涂料应运而生。

葛伟青等[5]为了制备低温固化环氧粉末涂料，其涂装温度较低，能在热敏材料表面涂装。对合成树脂、固化剂、颜料、填料、助剂的选择进行讨论，用试验筛选配方组成；确定了低温固化环氧粉末涂料配方以及工艺路线，并对其性能进行了分析检测。结果表明，低温固化环氧粉末涂料的固化温度可降至110 ℃，使粉末涂料在热敏材料、塑料表面涂装成为可能。于吉涛等[6]介绍了低温固化环氧粉末涂料的配方设计，讨论了影响涂膜性能的诸多因素，机械性能与涂膜物理性能和耐化学品性能的相互关系。徐晓伟等[7]合成了具有低温固化基团的不饱和聚酯树脂，并将其应用于低温固化的聚酯/环氧粉末涂料中，讨论了树脂合成、涂料配方及固化剂与促进剂对粉末涂料性能的影响。在保证粉末涂料涂膜各项优异性能基础上降低了固化温度，延长了涂料的贮存稳定性，减少了能耗。尹正平等[8]以三羟甲基丙烷、超支化聚酯、季戊四醇和甘露醇为多羟基核，以甲苯-2，4-二异氰酸酯和甲基丙烯酸羟乙酯封端，采用溶液聚合的方法合成了4种不饱和的超支化聚氨酯低聚物，讨论了不同因素对以季戊四醇为核的产物反应的影响，发现反应温度可以调节产物的热稳定性。用红外光谱仪、差示扫描量热仪和凝胶渗透色谱仪对产物进行了表征，结果表明这4种不饱和超支化聚氨酯的Tg在13.5～57.4 ℃，尤其是以季戊四醇为核的产物的Tg为57.4 ℃，数均分子质量Mn为1 674，可用于低温固化粉末涂料。

孙国良等[9]以4，4-二苯基甲烷二异氰酸酯（MDI）和3-二甲基氨基丙胺为原料，合成了一种有机脲类低温固化剂二苯基甲烷-4，4-二[N，N-二甲氨基丙脲]，并改进了粉末涂料的生产工艺，使环氧粉末涂料在低温下实现完全固化。环氧粉末涂料中加入11%有机脲类固化剂，可以在130 ℃/8 min和140 ℃/4 min的条件下实现完全固化，使粉末涂料应用于塑料制品、纸张、纸板及木材等热敏性基材的表面涂膜成为可能。袁媛等[10]以偶氮二异丁腈为引发剂、聚乙烯吡咯烷酮为分散剂、乙醇-水混合溶剂为分散介质，采用甲基丙烯酸缩水甘油酯、甲基丙烯酸甲酯和丙烯酸丁酯为共聚单体，合成了含有环氧基的丙烯酸酯树脂。考查了丙烯酸丁酯量对共聚物微球形态的影响、反应时间与转化率的关系，测定了丙烯酸酯树脂的Tg和环氧值等物性参数；利用合成的丙烯酸酯树脂，配合适当的助剂，制备出加工性能优异的丙烯酸酯粉末涂料。

2 功能型塑料涂料

2.1 防火塑料涂料

塑料的氧指数（OI）约为17，为易燃材料，因而塑料的防火问题已经成为一个重要的研究课题。郭子清等[11]通过实验制备一种用于塑料的聚氨酯防火涂料，该涂料具有较高的力学强度，良好的附着力，较低的吸水性和较好的热稳定性。实验中确定了聚氨酯2种单体甲苯二异氰酸酯（TDI）和聚乙二醇的最佳配比为：nNCO/nOH=1.6/1，获得了制备聚氨酯防火涂料的最佳工艺条件：聚磷酸铵质量分数12%，三聚氰胺质量分数5%，偶联剂质量分数2%，反应时间40 min，温度80 ℃。王华进等[12]通过对塑料基材的表面处理，调整涂料溶剂体系等措施（提高塑料的表面能和极性，增加附着力），研制出一种防火性能优异、适用于塑料制品表面的超薄膨胀型防火涂料，其对石油管道设备、塑料管材、塑料板材、塑钢材料的表面防火处理，具有突出的防火性能。

为了减少资源的浪费，可以对废弃的塑料进行再利用，研究发现废弃塑料本身也可以用于制备防火涂料，王淑霞等[13]介绍了对废聚苯乙烯泡沫塑料进行乳液改性的工艺及不同改性剂的用量对乳液性能的影响。探讨了用改性乳液制备防火涂料时，各种防火添加剂对涂料防火性能的影响。试验结果表明，利用废聚苯乙烯泡沫进行乳液改性，采用适当的防火添加剂可制得较理想的防火涂料。

目前，具有特殊防火功能的膨胀型防火涂料将越来越受到人们的青睐，发展前景广阔。今后，防火涂料可以朝开发复合高效、水溶性催化剂、成炭剂和发泡剂、树脂的复配或接枝改性、多种阻燃剂协同搭配、纳米技术等方向发展。

2.2 抗菌塑料涂料

多数塑料因其特殊结构以及添加剂的原因，易成为微生物的营养源，极易受到微生物的侵害。在塑料中加入一定量的抗菌剂可以达到抗菌的效果，但目前制备抗菌塑料的母粒法，是将抗菌剂包裹在塑料内部，不能很好的发挥抗菌功效。对塑料涂覆一层抗菌涂料，可得到抗菌塑料。杨保平等[14]以具有抗菌性功能单体丙烯酰氧乙基二甲基乙基溴化铵（PEDAB）与甲基丙烯酸甲酯（MMA）、甲基丙烯酸丁酯（BMA）及丙烯酸丁酯（BA）自由基聚合，合成了丙烯酸树脂。以此树脂配制涂料，并进行抗菌检测。结果表明，合成树脂的最佳工艺为：在100 ℃，以正丁醇为溶剂、引发剂（BPO）的用量为1%。抗菌性检测结果表明在合成树脂过程中功能单体的用量为8%。涂膜对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、绿脓杆菌及黑曲霉的抗菌率均达到99%。

目前，水性聚氨酯涂料已经成为涂料的发展主流，但其防霉、抗菌问题较为突出。在光催化下，纳米TiO2具有分解病原菌和毒素的功能，从而达到抗菌杀毒的效果。因此将纳米TiO2应用于水性聚氨酯涂料中，可以赋予涂料持久、长效的杀菌、抗菌功能。刘迪[15]通过对TiO2的光催化、紫外光屏蔽机理的论述，介绍了纳米TiO2改性水性聚氨酯功能性涂料，如抗菌涂料、净化空气涂料等。张莹[16]采用载银纳米二氧化钛，研究其在塑料涂料中的分散性能，考查涂层的抗菌性能和物理性能。研究结果表明抗菌剂加入量为体系的3%，抗菌率为99.9%，涂膜以一层最佳。载银纳米二氧化钛的加入使改性涂料物理性能加强。

2.3 导电塑料涂料

工程塑料制件以其价廉、质轻等优点在电子工业逐渐取代原有金属体壳，但其中发散的电磁波[17]可以畅通无阻地通过这些塑料材料，危害着人们的健康。为了解决这一问题，有效措施就是在塑料表面涂覆一层导电涂料，导电涂料的导电率在10-10 s/cm以上，具有半导体性能，涂于高电阻率的高分子材料上，具有传导电流和排除积累电荷能力的新型功能化涂料[18]。常侠等[19]以耐高温有机硅为基体，银包铜粉为填料制备了一种导电涂料，通过对其涂膜的体积电阻率、附着力、冲击强度、黏度测试和TGA分析，研究了银包铜粉含量对导电涂料电性能、物理力学性能的影响以及该涂料的适用期、耐热性和耐老化性。结果表明，当银包铜粉质量分数为导电涂料的60%时，产物体积电阻率可达6.27×10-4Ω·cm，附着力一级，常温8 h内黏度可保持在6.0 Pa·s，固化物热分解温度高达532.7 ℃，并具有优良耐老化性。刘栗加等[20]制备了铜金粉电磁屏蔽导电涂料（E-CuZn），并将其涂覆于ABS塑料板上制成涂层，测试了屏蔽涂层的物理性能和电磁屏蔽效能，并与铜粉电磁屏蔽涂料（E-Cu）涂层进行了对比。结果表明，E-CuZn涂层屏蔽效能稳定，可以满足一定时间内的屏蔽要求。王慧娟等[21，22]以环氧树脂为基料、银粉为导电填料制备了环氧树脂电磁屏蔽涂料。研究了电磁屏蔽涂料的导电性能、屏蔽效能以及高、低温对材料性能的影响，确定了环氧树脂电磁屏蔽涂料在-60～125 ℃内屏蔽效能可以达到60 dB，并保持稳定工作。

3 展望

随着科技的发展，人们日益追求高品质生活；塑料制品作为人们生活和生产的必需品，也要朝着环保，高性能方向发展，塑料涂料的涂装在很大程度上解决了塑料的缺陷以及功能化的问题。采用功能性填料或单体对塑料涂料进行改性是一大发展趋势，当然首先必须得解决涂料与塑料制品的附着力问题以及填料的分散问题，从而发挥涂料的最大效能。

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