卷材涂料高速升溫反應(yīng)的三維實(shí)時(shí)FT-IR光譜

1、卷材涂料高速升溫反應(yīng)的三維實(shí)時(shí)FT-IR光譜汪道彰 裴蓓（上海涂料有限公司）摘要：近來(lái)，彩色金屬卷材的應(yīng)用取得了飛速發(fā)展，影響卷材涂料性能的關(guān)鍵因素是在這小于1分鐘內(nèi)的交聯(lián)固化反應(yīng)，長(zhǎng)期以來(lái)一直沒(méi)有找到適合的表征研究方法。本文報(bào)導(dǎo)了應(yīng)用一種新附件，可以得到高速升溫反應(yīng)的三維實(shí)時(shí)FT-IR光譜，從而得以在“觀察”聚合物分子官能團(tuán)變化的水平上來(lái)研究高速交聯(lián)等反應(yīng)。引言：卷材涂料起源于二十世紀(jì)三十年代的美國(guó)（1），它主要應(yīng)用于生產(chǎn)彩色金屬卷材，如今已經(jīng)成為工業(yè)涂料的一個(gè)重要組成部分。傳統(tǒng)的金屬加工工藝是板材先成型為制品之后再涂漆，而彩色金屬卷材加工工藝的特點(diǎn)是先涂漆后成形加工，與此同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了連續(xù)滾

2、涂施工，生產(chǎn)工藝高度自動(dòng)化，目前高速度的生產(chǎn)速率可達(dá)到150米/分，生產(chǎn)效率大幅度提高，在建筑、家用電器等行業(yè)引起了重大的變革。卷材涂裝工藝示意流程如圖1所示。（2）圖1-涂裝工藝流程卷材涂料性能的關(guān)鍵影響因素是聚合物交聯(lián)反應(yīng)，有關(guān)的研究已經(jīng)開(kāi)展了多年。聚合物的交聯(lián)反應(yīng)關(guān)系到涂膜的所有性能，諸如機(jī)械性能、抗腐蝕性能、耐大氣老化和耐久性等等。卷材涂膜的生成時(shí)間通常小于1分鐘，一般以讀秒計(jì)算，它的測(cè)試方法至今仍在沿用甲乙酮擦拭等半定性方法。2003年初 M. Korhonen和他的合作者發(fā)表了他們使用差示掃描量熱儀（DSC）和動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀（DTMA）研究卷材涂料固化反應(yīng)的論文。（3-4）然而，

3、他們使用的升溫速率很低，并且熱固化行為的描述基本上都是通過(guò)計(jì)算得到的。幾乎與他們同時(shí)，我們也花費(fèi)了一年半的時(shí)間試圖用DSC（PYRIS Diamond，Perkin-Elmer）以高達(dá)4500C/分鐘的升溫速度模擬工業(yè)生產(chǎn)線(xiàn)，并記錄卷材涂料的固化行為。雖然盡管該儀器被聲稱(chēng)準(zhǔn)確度優(yōu)于 ±1%，精度優(yōu)于 ±0.1%，靈敏度為0.2W，然而我們盡己所能卻仍然無(wú)法得到令人滿(mǎn)意、信服、重演的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。傅立葉變換紅外光譜儀（FT-IR）可用于光固化和光化學(xué)反應(yīng)的研究，得到實(shí)時(shí)三維圖譜，(5-10)但是迄今為止沒(méi)有有關(guān)高速熱固化的FT-IR的文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)。（11）FT-IR應(yīng)用于聚合物交聯(lián)反

4、應(yīng)研究的現(xiàn)狀：傅立葉變換紅外光譜儀（FT-IR）作為分析儀器的重要分支，應(yīng)用相當(dāng)廣泛。對(duì)于目前使用FT-IR研究卷材涂料熱交聯(lián)反應(yīng)所碰到的最大的困難在于沒(méi)有找到適合的升溫和記錄附件?，F(xiàn)在有許多專(zhuān)門(mén)為制造光譜儀的公司配套生產(chǎn)附件，如An OMEGA Technologies Company所供應(yīng)的CN3251 Temperature/Process Controller，最高升溫速度為100/min。（12）再如：Specac Co.，生產(chǎn)許多紅外光譜儀附件，但找不到高速升溫的產(chǎn)品。（13）又如：CIC Photonics, Inc. 的The Hot-One, 它雖然能在700范圍內(nèi)較精確地控

5、制溫度，但是，不能做到高速升溫。（14）Instec Co. 的HCS402-STC200, 它的最快升溫速度也只能達(dá)到100/min。它的HCS410-STC200 Microscope Hot and Cold Stage Systems 從室溫升到250要5分鐘。（15）上述這些供應(yīng)商提供的樣品池體積都太大，要達(dá)到某一恒定溫度需要花費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間，在某些條件下，各點(diǎn)溫度測(cè)定偏差有時(shí)會(huì)高達(dá)4050，因此這種樣品池比較適用于一定的恒定溫度下的靜態(tài)測(cè)試，但卻不能用它取得高速升溫條件下的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。所以需要更適合的升溫附件才能達(dá)到測(cè)定高速升溫反應(yīng)要求的條件。FT-IR應(yīng)用于聚合物交聯(lián)反應(yīng)研究的新

6、附件（一項(xiàng)關(guān)于FT-IR高速升溫和記錄附件的發(fā)明）：我們滿(mǎn)意地用Thermo-Electron公司的Nicolet FT-IR儀器，配合應(yīng)用新發(fā)明的FT-IR附件能得到升溫速度在20-300/min寬廣范圍內(nèi)的時(shí)間-溫度-實(shí)時(shí)三維傅立葉紅外光譜，（16）從而可以很直觀地“觀察到”物質(zhì)分子或反應(yīng)物中的基團(tuán)或官能團(tuán)在高速升溫下的變化，同時(shí)還可以記錄溫度的變化。這樣就能夠追蹤卷材涂料的高速熱固化反應(yīng)。圖2-一種卷材涂料樣品在3357 cm-1處基團(tuán)的三維實(shí)時(shí)FT-IR光譜圖3-3357 cm-1處透過(guò)率-時(shí)間變化圖4- 2962 cm-1和3357 cm-1處基團(tuán)的三維實(shí)時(shí)FT-IR光譜上面的圖2和

7、3清楚地顯示了一種卷材涂料樣品在3357 cm-1處基團(tuán)的三維實(shí)時(shí)FT-IR光譜，可以看出在小于1分鐘時(shí)間內(nèi)3357 cm-1處吸收峰迅速減小，而圖4清楚地顯示出位于2963 cm-1處的-CH2基團(tuán)吸收峰基本沒(méi)有變化。由于這種分析方法針對(duì)的是聚合物交聯(lián)反應(yīng)的研究，它還可以拓展應(yīng)用到對(duì)任何高速升溫化學(xué)反應(yīng)的追蹤，固化反應(yīng)的監(jiān)測(cè)，固化程度和配方的評(píng)價(jià)，交聯(lián)劑、固化參數(shù)和催化劑的評(píng)價(jià)，交聯(lián)的動(dòng)力學(xué)研究等方面。毫無(wú)疑問(wèn)，高速升溫反應(yīng)的三維實(shí)時(shí)FT-IR光譜將成為卷材涂料官能團(tuán)變化研究的強(qiáng)有力工具。進(jìn)一步深入的工作正在繼續(xù)進(jìn)行。我們也誠(chéng)摯的歡迎就本技術(shù)和附件裝置的任何形式的合作。參考文獻(xiàn)：(1) An

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