2·聚氨酯粉末涂料的分类和结构特点
2.1分类
聚氨酯是聚氨基甲酸酯的简称，由多异氰酸酯和多元醇(包括含羟基的低聚物)反应生成。聚氨酯粉末涂料主要由固化剂、封闭剂和多元醇树脂组成，其中固化剂多采用内封闭型多异氰酸酯，而多元醇树脂绝大多数选用聚酯树脂。聚氨酯粉末涂料是由粉末聚氨酯树脂、固化剂(含羟基等官能团的聚合物)、颜料、填料以及助剂等组成彩色粉状混合物，其平均粒径为40～60μm。通常是将各物料高速混合后，于100～120℃挤出、冷却、粉碎、筛分而制得。聚氨酯粉末涂料有封闭性聚氨酯粉末涂料(聚酯-氨基甲酸酯型粉末涂料、丙烯酸-氨基甲酸酯粉末涂料)和紫外光固化粉末涂料。常见的聚氨酯粉末涂料有如下三大系列。
2.1.1封闭型聚氨酯粉末涂料系列
这类粉末涂料的配制和应用原理与封闭型聚氨酯涂料相同，常用适当的封闭剂和二异氰酸酯及其加成物或预聚体进行反应，进而形成不含NCO基的封闭型聚氨酯，在制粉工艺的温度(100～120℃)下是稳定的，可与含活性氢的固化剂、颜料及助剂一起制粉。当温度高于130℃时，这种封闭型聚氨酯会解封，而解封后的NCO基会立即和固化剂反应，形成稳定性更高的聚氨酯涂层。使用被封闭的IPDI或HDI缩二脲，可制得耐候性很好的高装饰性粉末涂料。甲苯二异氰酸酯及其加成物的价格较低，因此也常采用。为了提高其耐热性和改善其耐候性，常将TDI三聚后再封闭，以保证利用活性较大的对位NCO来进行固化成膜。三聚后的叔氮原子被异氰脲酸酯环所稳定，不易受紫外光的作用重排成醌式助色基团，因此聚氨酯粉末涂层的耐候性得以改善。
2.1.2带羧基、羟基、环氧基、氨基的聚氨酯粉末涂料系列
封闭型聚氨酯粉末涂料在固化时有封闭剂释放出来，往往会污染大气和有损涂膜外观。
为克服其缺陷，选用合适的原料，采用分步反应的方法，制备含有大量氨基甲酸酯键产带有羧基(COOH)、羟基(OH)、环氧基及氨基(NH2)的各类聚氨酯树脂，然后以含有环氧基的环氧树脂、异氰脲酸三缩水甘油酯、聚丙烯酸环氧酯、环氧聚氨酯、含羧基酸酐、羧基型聚酯树脂、羧基型丙烯酸酯、含羟基的脲醛树脂、聚酯树脂、N-酰基酰亚胺树脂以及N-酰基内酰胺树脂为固化剂，视聚氨酯树脂上所带官能基的不同选择合适的固化剂品种。采用此法制备聚氨酯粉末涂料时，因可供选择的原料品种很多，配方挑选余地大，故可按不同的使用要求进行配方设计，以制备出具有各种优异性能的一系列聚氨酯粉末涂料。
2.1.3含NCO基的聚氨酯粉末涂料
该涂料制备原理是环氧倾倒物中的环氧基，在高温下并有碱性催化剂的作用下开环，立即与含NCO基的聚氨酯树脂形成二噁唑酮环而制成的：以含有NCO基的聚氨基树脂和作固化剂的特制环氧化合物及其催化剂、颜料、助剂等，按常规制法即可得到含NCO基的聚氨酯粉末涂料。其关键是特制环氧倾倒物及其催化剂的制备与选择，要求它在制粉的挤出温度下不开环，只在固化温度下开环并联成膜。这类聚氨酯粉末涂料不仅流平性好，涂膜光亮平整，而且耐高温性能、各项物理机械性能和耐候性优异。在制造过程中，因使用了含NCO基的聚氨酯树脂，所以应尽量避免与湿气接触，通常采用密闭式联动流水线生产。
2.2结构特点
粉末涂料具有如下特点：涂膜的耐候性好，适用于户外用产品的涂装;涂膜的耐热性好，在烘烤固化时涂膜不易泛黄;涂膜耐冲击强度、柔韧性、硬度等物理性能优异，耐化学药品和耐水等性能良好;涂料的涂装性能好，可以用空气喷涂法和静电粉末涂装法等方法涂装;固化聚酯粉末涂料烘烤固化过程中，基本不产生反应副产物，涂膜不易产生缩孔、针孔等弊病。同时，粉末涂料的利用率接近100%，喷涂后的粉末可以回收利用;通常比液体涂料较易施工，形成的涂膜耐久性好，产品上风明显。和其它类型的粉末涂料相比，聚氨酯粉末涂料具有以下特点：熔融流平时，熔融黏度低，特别是封闭剂在解封之前不起任何化学反应，使粉末涂料有足够的流平时间，涂膜流平性好。新的内封闭型脲二酮固化剂技术的实现，使得这种粉末涂料对空气的污染几乎为零;对被涂物的附着力好，不需要底涂;涂料的配制范围宽，可配制不同性能要求和固化速度的涂料;涂膜的物理力学性能和耐化学品性能好。但是聚氨酯粉末涂料烘烤时，会释放出封闭剂，产生异味。
作为一种主要耐候性粉末涂料的产品，聚氨酯粉末涂料具有常规通用粉末涂料的通性之外，还具有以下特点优势：在挤出过程中不会有反应发生;粉末涂料熔融流平时熔融粘度低，涂膜流平性好。在一般固化温度(140～200℃)下具有较低的熔融黏度，以便获得良好的润湿性和流平性;特别是封闭剂解封之前不起化学反应，使涂料具有足够的流平时间，容易得到平整的光滑涂膜。树脂不含有相对分子质量太高的聚合物，使得树脂的软化点和熔融温度接近，从而使固化时的反应速率相匹配;有良好的力学性能和耐磨性;有良好的物理储存稳定性;有良好的耐化学腐蚀性;涂料成膜后的物理机械性能和耐化学药品性能优良;耐候性优异，适于户内防腐使用，脂肪族聚氨酯耐候性好，适于室外高装饰使用。对被涂物附着力好，一般不需要涂底漆;涂料配制范围比纯聚氨酯粉末宽;涂料的施工性好，主要以静电粉末喷涂法施工。正是由于聚氨酯粉末涂料兼具优异的装饰性和耐候性，因此在家用电器、电气设备、空调设备、道路栅栏、铝型材、装饰材料及汽车零件等方面得到广泛应用。目前这类粉末涂料统治着美国和日本的粉末市场，其产量已超过混合型粉末涂料。聚氨酯粉末涂料除具有常规粉末涂料的特性之外，还具有优良的物理机械性能和防腐蚀性能，涂膜具有光亮丰满、耐磨、耐划伤、耐溶剂等特点，其流平性和附着性也很好。如果采用脂肪族二异氰酸酯(HDI、IPDI)制备聚酯粉末涂料，还具有极好的耐候性，保色保光性和高装饰性。聚氨酯粉末涂料由于其优异的性能和可实现较低温度固化，近年来研究及应用非常活跃，可以预计聚氨酯粉末涂料将在高装饰性要求的领域得到广泛的应用，包括汽车、机械、仪器仪表及建筑业。
3·聚氨酯粉末涂料的品种开发及制备
聚氨酯涂料中并不一定要有聚氨酯树脂存在，聚氨酯粉末涂料就是由羟基树脂和封闭型多异氰酸酯为原料制成的，二异氰酸酯在常温下大部分是具有挥发性的有毒液体，与羟基聚酯树脂有很高的反应活性。为降低其挥发性及毒性，并制造成固体以便于使用，人们通常用二元醇或三元醇与之反应。聚氨酯涂料中存在的大量氨酯键能形成大分子间的氢键，氨酯键不易与酸、碱、油反应，氢键可以缓解外力作用，所以聚氨酯涂层的化学稳定性好，机械性能优异。涂层未达到解封闭温度前因没有交联反应发生，所以熔融黏度不会增加，涂层有足够的流平时间实现良好的涂层外观。另外解封闭前不发生反应，就大大减少了挤出加工过程中胶化的可能性，使生产工艺容易控制。
聚氨酯粉末涂料的性能基本是由基料决定的，作为聚氨酯涂料基料的含羟基聚酯主要有PG333羟基聚酯树脂等。有人将基料与固化剂配合，加入流平剂、安息香、钛白粉、助剂按配方制备聚氨酯粉末涂料。封闭型聚氨酯体系又可分为封闭多异氰酸酯及封闭预聚物。其原理是利用某些化合物与多异氰酸酯反应生成的氨酯键在加工温度下是稳定的，足以保证不会与含活性氢的化合物发生反应。但这种氨酯键的热稳定性是有限的，当温度高于130℃时，解封闭释放出—NCO基团，迅速与化合物中的活性氢反应生成热稳定性高的聚氨酯键。这种只能形成有限热稳定性的含活性氢的物质，通常叫作封闭剂。
常用的多异氰酸酯是异佛尔酮二异氰酸酯，其他脂肪族、芳香族二异氰酸酯也能采用。为了获得耐候性好、耐热性高的产品，可将甲苯二异氰酸酯先进行三聚反应，然后再封闭，最好是先封闭后三聚，以便保证固化时释放出反应活性比较高的对位—NCO基团。三聚后形成的叔氮原子被三聚异氰酸环所稳定，受紫外光作用不会分解，即使在仲氮原子处分解生成芳香胺，由于叔氮原子的阻止也不会氧化重排生成醌式助色团，因此具有较好的耐候性。
为了调节产品的性能，也可采用普通方法将二异氰酸酯与多元醇首先制成预聚物，然后再进行封闭反应。能与封闭型聚氨酯进行交联反应的固化剂，通常是带羟基的各种高分子化合物，如聚酯树脂、环氧树脂、丙烯酸树脂、聚乙烯醇及其衍生物。
聚氨酯粉末涂料体系在固化过程中挥发出的封闭剂对大气造成了严重的污染，并且易引起涂膜的外观变差。因此，人们开发出带有其他官能基的聚氨酯粉末涂料体系。这类聚氨酯树脂可以在很广的范围内选择原料，并根据用途进行分子设计，制造出综合性能优良的聚氨酯粉末涂料。德国一家公司开发了一种可以采用含游离异氰酸基团的聚氨酯，制备静电喷塑用聚氨酯粉末涂料。