卷材涂料高速升温反应的三维实时FT-IR光谱

1、卷材涂料高速升温反应的三维实时FT-IR光谱汪道彰 裴蓓（上海涂料有限公司）摘要：近来，彩色金属卷材的应用取得了飞速发展，影响卷材涂料性能的关键因素是在这小于1分钟内的交联固化反应，长期以来一直没有找到适合的表征研究方法。本文报导了应用一种新附件，可以得到高速升温反应的三维实时FT-IR光谱，从而得以在“观察”聚合物分子官能团变化的水平上来研究高速交联等反应。引言：卷材涂料起源于二十世纪三十年代的美国（1），它主要应用于生产彩色金属卷材，如今已经成为工业涂料的一个重要组成部分。传统的金属加工工艺是板材先成型为制品之后再涂漆，而彩色金属卷材加工工艺的特点是先涂漆后成形加工，与此同时也实现了连续滚

2、涂施工，生产工艺高度自动化，目前高速度的生产速率可达到150米/分，生产效率大幅度提高，在建筑、家用电器等行业引起了重大的变革。卷材涂装工艺示意流程如图1所示。（2）图1-涂装工艺流程卷材涂料性能的关键影响因素是聚合物交联反应，有关的研究已经开展了多年。聚合物的交联反应关系到涂膜的所有性能，诸如机械性能、抗腐蚀性能、耐大气老化和耐久性等等。卷材涂膜的生成时间通常小于1分钟，一般以读秒计算，它的测试方法至今仍在沿用甲乙酮擦拭等半定性方法。2003年初 M. Korhonen和他的合作者发表了他们使用差示扫描量热仪（DSC）和动态热机械分析仪（DTMA）研究卷材涂料固化反应的论文。（3-4）然而，

3、他们使用的升温速率很低，并且热固化行为的描述基本上都是通过计算得到的。几乎与他们同时，我们也花费了一年半的时间试图用DSC（PYRIS Diamond，Perkin-Elmer）以高达4500C/分钟的升温速度模拟工业生产线，并记录卷材涂料的固化行为。虽然尽管该仪器被声称准确度优于 ±1%，精度优于 ±0.1%，灵敏度为0.2W，然而我们尽己所能却仍然无法得到令人满意、信服、重演的实验数据。傅立叶变换红外光谱仪（FT-IR）可用于光固化和光化学反应的研究，得到实时三维图谱，(5-10)但是迄今为止没有有关高速热固化的FT-IR的文献报导。（11）FT-IR应用于聚合物交联反

4、应研究的现状：傅立叶变换红外光谱仪（FT-IR）作为分析仪器的重要分支，应用相当广泛。对于目前使用FT-IR研究卷材涂料热交联反应所碰到的最大的困难在于没有找到适合的升温和记录附件。现在有许多专门为制造光谱仪的公司配套生产附件，如An OMEGA Technologies Company所供应的CN3251 Temperature/Process Controller，最高升温速度为100/min。（12）再如：Specac Co.，生产许多红外光谱仪附件，但找不到高速升温的产品。（13）又如：CIC Photonics, Inc. 的The Hot-One, 它虽然能在700范围内较精确地控

5、制温度，但是，不能做到高速升温。（14）Instec Co. 的HCS402-STC200, 它的最快升温速度也只能达到100/min。它的HCS410-STC200 Microscope Hot and Cold Stage Systems 从室温升到250要5分钟。（15）上述这些供应商提供的样品池体积都太大，要达到某一恒定温度需要花费较长的时间，在某些条件下，各点温度测定偏差有时会高达4050，因此这种样品池比较适用于一定的恒定温度下的静态测试，但却不能用它取得高速升温条件下的实时动态数据。所以需要更适合的升温附件才能达到测定高速升温反应要求的条件。FT-IR应用于聚合物交联反应研究的新

6、附件（一项关于FT-IR高速升温和记录附件的发明）：我们满意地用Thermo-Electron公司的Nicolet FT-IR仪器，配合应用新发明的FT-IR附件能得到升温速度在20-300/min宽广范围内的时间-温度-实时三维傅立叶红外光谱，（16）从而可以很直观地“观察到”物质分子或反应物中的基团或官能团在高速升温下的变化，同时还可以记录温度的变化。这样就能够追踪卷材涂料的高速热固化反应。图2-一种卷材涂料样品在3357 cm-1处基团的三维实时FT-IR光谱图3-3357 cm-1处透过率-时间变化图4- 2962 cm-1和3357 cm-1处基团的三维实时FT-IR光谱上面的图2和

7、3清楚地显示了一种卷材涂料样品在3357 cm-1处基团的三维实时FT-IR光谱，可以看出在小于1分钟时间内3357 cm-1处吸收峰迅速减小，而图4清楚地显示出位于2963 cm-1处的-CH2基团吸收峰基本没有变化。由于这种分析方法针对的是聚合物交联反应的研究，它还可以拓展应用到对任何高速升温化学反应的追踪，固化反应的监测，固化程度和配方的评价，交联剂、固化参数和催化剂的评价，交联的动力学研究等方面。毫无疑问，高速升温反应的三维实时FT-IR光谱将成为卷材涂料官能团变化研究的强有力工具。进一步深入的工作正在继续进行。我们也诚挚的欢迎就本技术和附件装置的任何形式的合作。参考文献：(1) An

8、on. “90 YEARS WITH PCI: A RETROSPECTIVE In the 1930s Coil Coating Springs into View” Posted on: 05/01/2004(3) Korhonen, M.; Starck, P.; Lofgren, B.; Mikkila, P.; Hormi, O. “Study of polyester-based coil coatings by using thermal analysis methods” Journal of Coatings Technology (2003), 75(937), 67-74

9、(4) Korhonen, M.; Starck, P.; Lofgren, B. “Characterization of coil coatings by thermal analysis” Journal of Applied Polymer Science (2003), 87(12), 2016-2022(5) Khalid Zahouily, Christian Decker, Erwin Kaisersberger, Michael Gruener. “Real-time UV cure monitoring” European Coatings Journal (2003),

10、(11), 14-18(6) Armin Tauber, Tom Scherzer, Ingeborg Weiß, and Reiner MehnertInstitut für Oberflächenmodifizierung (IOM) “UV Curing of a Pressure Sensitive Adhesive Coating Studied by Real-Time FTIR Spectroscopy and Laboratory Scale Curing Experiments” Journal of Coatings Technology, (

11、2002), 74, (927), 41-47(7) Scherzer, Tom “Real-time FTIR-ATR spectroscopy of photopolymerization reactions”，Macromolecular Symposia (2002), 184(14th European Symposium on Polymer Spectroscopy, 2001), 79-97(8) Tauber, Armin; Scherzer, Tom; Mehnert, Reiner. “UV curing of aqueous polyurethane acrylate

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