Technologie Lakiernicze

W ostatnich latach wzrasta zainteresowanie termoutwardzalnymi wyrobami lakierowymi proszkowymi, które ze względu na brak toksyczności, ekonomiczne korzyści związane z możliwością ponownego wykorzystania opadniętego z detali proszku podczas malowania, możliwość zautomatyzowania sposobów nakładania na zabezpieczane powierzchnie oraz zwiększoną odporność termiczną uzyskiwanych z nich powłok w porównaniu do wyrobów rozpuszczalnikowych utwardzanych w temperaturze pokojowej, są w ostatnich latach dynamicznie rozwijającym się asortymentem lakierów zarówno antykorozyjnych, podkładowych, jak i nawierzchniowych. Ze względu na sposób utwardzania, wśród produkowanych obecnie systemów proszkowych można wyróżnić wyroby: termoplastyczne, termoutwardzalne i utwardzalne za pomocą UV [1,2]. Pierwszymi wyrobami proszkowymi były systemy termoplastyczne ze względu na dostępność odpowiednich polimerów. Obecnie większość materiałów proszkowych jest termoutwardzalna (90%). Światowa produkcja systemów proszkowych stanowi ok. 9% wszystkich produkowanych wyrobów lakierowych [3], z czego ok. 25% wytwarza się w Europie Zachodniej [4]. Termoutwardzalne poliuretanowe systemy proszkowe stanowią 11% światowej produkcji wyrobów proszkowych termoutwardzalnych. Najwięcej  tego typu wyrobów jest produkowanych w USA (stanowi to 17 % wszystkich termoutwardzalnych wyrobów proszkowych), podczas gdy w  Europie i Azji jest to tylko 2 %. Przyczyną takiego zróżnicowania są głównie takie czynniki, jak cena, dostępność surowców i regulacje toksykologiczne.

Wyroby lakierowe proszkowe znajdują szerokie zastosowanie do zabezpieczania powierzchni metalowych, w mniejszej ilości do powlekania szkła i odpornych termicznie tworzyw sztucznych.
Typowy skład poliuretanowych systemów powłokowych stanowi zablokowany poliizocyjanian (PIC), żywica poliestrowa lub poliakrylowa, zawierająca grupy hydroksylowe, katalizator, środki pomocnicze (związki ułatwiające nanoszenie powłok, przyśpieszające odgazowanie, zwiększające rozlewność) oraz różne dodatki w zależności od zastosowania (pigmenty, napełniacze, inhibitory korozji, biocydy i  antypireny).
Powłoki lakiernicze uformowane z większości stosowanych na szeroką skalę systemów powłokowych mają małą hydrofobowość, co wiąże się z łatwością osadzania się na nich brudu. Interesujące z punktu aplikacyjnego są powłoki hydrofobowe. Im większa hydrofobowość powłoki, tym trudniej osadza się na niej brud i powłoka jest łatwiejsza w czyszczeniu, aż do osiągnięcia tzw. efektu samooczyszczania.
Celem naszych badań było więc opracowanie technologii otrzymywania poliuretanowych lakierów proszkowych o zwiększonej hydrofobowości. Cel ten został osiągnięty dzięki opracowaniu metody syntezy blokowanych poliizocyjanianów z wbudowanymi modyfikatorami hydrofobizującymi - polisiloksanami lub fluorowanymi poliolami.
Największe znaczenie komercyjne w systemach proszkowych mają PIC syntezowane z diizocyjanianu izoforonu (IPDI) zablokowane ε-kaprolaktamem [1] ze względu na wysoką odporność na światło utworzonych z ich udziałem powłok i małą toksyczność podczas utwardzania. Utworzone na bazie tych poliizocyjanianów powłoki nie mają jednak wystarczającej hydrofobowości.
Jako surowce do syntezy opracowanych przez nasz zespół poliizocyjanianów zastosowano najczęściej stosowany w systemach proszkowych diizocyjanian izoforonu i ε-kaprolaktam. Blokowane poliizocyjaniany syntezowano w procesie składającym się z następujących etapów: tworzenie poli(izocyjaniano-moczników), ich biuretyzacja, addycja modyfikatora oraz blokowanie. Wszystkie etapy przebiegały w tym samym reaktorze, zaopatrzonym w chłodnicę zwrotną, dozowniki surowców ciekłych i stałych, mieszadło mechaniczne i doprowadzenie azotu. Wbudowanie modyfikatora w strukturę poliizocyjanianów potwierdzono metodami FT IR, 1H-NMR i 13C-NMR i 19F-NMR oraz za pomocą chromatogramów GPC, na których zaobserwowano wzrost masy cząsteczkowej modyfikowanych poliizocyjanianów w porównaniu do próbki referencyjnej niezawierającej modyfikatora. Na podstawie przeprowadzonych badań stwierdzono, że modyfikowane polizocyjaniany nie mają niekorzystnego wpływu na proces przetwórstwa (lepkość, rozlewność), utwardzania i stabilność wytworzonych poliuretanowych lakierów proszkowych. Opracowane poliizocyjaniany, po usieciowaniu typowymi żywicami stosowanymi do systemów proszkowych dostępnymi w handlu (np. Sirales 6110), pozwalają uzyskać poliuretanowe powłoki o większej hydrofobowości, dużej trwałości i innych cennych właściwościach, np. większym połysku, dobrej oleofobowości, lepszej odporności na ścieranie, zarysowanie i czynniki atmosferyczne w porównaniu do wyrobów sieciowanych typowymi poliizocyjanianami wykorzystywanymi w poliuretanowych farbach i lakierach proszkowych. Im większa jest hydrofobowość powłoki wyrażona wartością kąta zwilżania, tym mniejsza jest wartość swobodnej energii powierzchniowej (SEP). W wyniku przeprowadzonych badań udało się nam uzyskać powłoki o wartości SEP równej 18,4mJ/m2, podczas gdy wartość SEP próbki niezawierającej modyfikatora wynosiła 38,8mJ/m2. Mniejsze wartości SEP uzyskano dla powłok zawierających modyfikator polisiloksanowy, co wiąże się z bardzo małą wartością SEP tego polimeru (12,7 mJ/m2) [5]. Dla porównania SEP dla poli(tetrafluoroetylenu) mieści się w zakresie 20,3-23,5 mJ/m2 w zależności od chropowatości powierzchni [6].
Opracowana technologia jest objęta ochroną patentową: zgłoszenia patentowe nr P.415905, P. 418764, PCT/PL2016/000014 i PCT/PL2016/000108. Przedmiotem wynalazku są blokowane poliizocyjaniany, sposób otrzymywania blokowanych poliizocyjanianów oraz ich zastosowanie do wytwarzania poliuretanowych powłok proszkowych. Rozwiązanie powstało w ramach projektu bazowego: nr N N507 503338 realizowanego w latach 2010-2013 finansowanego przez NCN, natomiast działania dotyczące zastosowania go w praktyce finansowane są z projektu TANGO nr TANGO1/268877/NCBR/2015 realizowanego w latach 2015-2016.
Zastosowania opracowanego rozwiązania należy oczekiwać w różnych sektorach gospodarki, a w szczególności w przemyśle motoryzacyjnym (malowanie karoserii i części samochodów, ram rowerów i motocykli), budownictwie (malowanie blach przeznaczonych na pokrycia dachowe, malowanie elewacji, metalowych konstrukcji budowlanych np. przeznaczonych na mosty, barierek ochronnych), przemyśle okrętowym (malowanie den statków), maszynowym (malowanie części maszyn), energetycznym (malowanie gazociągów i innych instalacji przesyłowych np. ropę), lotniczym (malowanie zewnętrznych części statków powietrznych), zbrojeniowym (malowanie broni palnej), górniczym (malowanie kombajnów ścianowych), rolniczym (malowanie kombajnów i maszyn rolniczych) itp.