NHỰA
Nhựa Polyester chiếm thị phần lớn trong số các chất liên kết sử dụng trong bột phủ. Chúng được sử dụng trong hệ polyester- TGIC, polyester-epoxy hybrid, polyester- primid và polyesterisocyanate. Những loại nhựa polyester này được sản xuất bằng cách polycondensation trong đó các hợp chất polyols, glycols, diacids và polyacids được phản ứng ở nhiệt độ cao (xấp xỉ 240 °C) kết hợp với quá trình khử nước. Cấu trúc của polyester có nhiều dạng theo tỷ lệ monomer 2, 3 và 4 nhóm chức và mức độ chuyển hóa. Polyester hoặc có nhóm chức axít hoặc nhóm chức hydroxy phụ thuộc vào việc có dư polyols hay axít carboxylic trong hỗn hợp phản ứng hay không.
Monomer thông dụng nhất cho polyesters là axít carboxylic thơm (axít terephthalic và axít isophthalic) và aliphatic polyols (neopenthyl glycol, trimetylolpropane) ,tuy nhiên các chất polyols và polyacids khác đã được phát triển và sử dụng từ nhiều năm qua. Nhóm chức là số lượng các nhóm có thể liên kết ngang trên mỗi phân tử nhựa và thường được đo lường bằng số lượng nhóm axít carboxyl trên tổng khối lượng của nhựa (“giá trị axít”, mgKOH/g nhựa). Nhựa Polyester thường có nhóm chức từ 2 – 4 trên phân tử (giá trị axít tương ứng phụ thuộc vào khối lượng phân tử của nhựa). Nếu nhóm chức dưới 2, hoạt tính quá thấp để hình thành một mạng lưới ổn định trong quá trình đóng rắn và tính chất cơ lý của bề mặt sẽ không tốt. Nếu nhóm chức cao hơn 4, việc xử lý polyester sẽ phức tạp và có nguy cơ keo hóa trong khi đùn và độ nhớt tan chảy cao khiến cho bề mặt có độ dàn chảy thấp. Luôn có một số đuôi dãy có nhóm hydroxyl mặc dù phép tính hệ số tỷ lượng được tiến hành với lượng dư axít carboxyl. Những nhóm này sẽ không đóng góp cho mạng lưới khi polyester được đóng rắn bằng chất đóng rắn nhóm chức hydroxy, thay vào đó chỉ là những đuôi lỏng lẻo.
Khối lượng phân tử và độ đa phân tán ảnh hưởng đến khả năng xử lý của bột phủ . Khối lượng phân tử trung bình thường từ 3000 và 6000 g/mol đối với nhựa bột phủ.
Sự phân bố hẹp của khối lượng phân tử được ưu tiên nhằm đạt được sự chuyển hóa nóng chảy rõ ràng của sơn và tính cơ động tương tự của mọi phân tử trong khi nóng chảy, điều này tạo ra tỷ lệ hoạt tính đồng đều xuyên suốt màng phủ. Tuy nhiên polyesters dùng cho nhựa bột phủ đang trong giai đoạn thử nghiệm, chưa thể sản xuất với chỉ số đa phân tán dưới 2 do cơ chế phản ứng hóa học.
CHẤT ĐÓNG RẮN
Cơ bản có 2 cơ chế phản ứng tạo liên kết ngang của nhựa nhiệt, quá trình polymer hóa từng bước hoặc polyme hóa từng dãy. Polyesters dùng trong bột phủ được liên kết ngang thông qua quá trình polyme hóa từng bước. Chất đóng rắn được sử dụng nhiều nhất cho ứng dụng ngoài trời là triglycidyl isocyanurate (TGIC), chất này là hợp chất polyepoxide tinh thể 3 nhóm chức được Ciba phát triển.
Tuy nhiên, TGIC là chất độc hại và gây khó chịu cho mắt. Năm 1998 chất này được liệt vào dạng độc hạ (ký hiệu là chữ T) tại châu Âu. Việc sử dụng chất TGIC vì thế đã giảm dần và có chất thay thế được đưa ra thị trường. Là một chất thay thế cho TGIC, chất trimellitic acid triglycidyl ester (thường được gọi là Araldite PT- 910) được Ciba phát triển. Nhưng giống như TGIC, PT-910 được dựa trên hoạt tính của các nhóm epoxy trong hợp chất và cũng là chất gây khó chịu cho da cũng như gây hiện tượng dị ứng. Do vậy, việc sử dụng PT-910 cũng không thay thế hẳn TGIC.
Chất β-hydroxyalkylamide là chất đóng rắn mới và là đối thủ của TGIC và PT-910, nó có tính thân thiện môi trường hơn, dựa trên cơ chế phản ứng hoàn toàn khác và được EMS-Chemie phát triển (tên thương mại là “Primid”). Bột phủ đóng rắn bằng β-hydroxyalkylamide không cần dán mác nguy hiểm (Sản phẩm “Primid XL- 552” thậm chí còn được FDA cấp phép sử dụng có sự tiếp xúc trực tiếp với thực phẩm vào năm 2004 theo quy định 21 CFR 175.300(b) (3)(VII)). Chất β- hydroxyalkylamide là hợp chất tinh thể rắn màu trắng có điểm tan chảy khoảng 100-120°C. Đây là chất có nhóm chức tetra và phản ứng với hỗn hợp nhóm chức carboxyl để tạo thành liên kết ester. Phản ứng đóng rắn là một phản ứng ngưng tụ tạo thành một sản phẩm trung gian (nước) cho từng liên kết ester được hình thành điều này có thể tạo ra một số khiếm khuyết bề mặt như rỗ trong quá trình đóng rắn.
So sánh với quá trình ét te hóa của rượu aliphatic thông thường tại nhiệt độ hơn 225°C hoặc cần đến chất xúc tác, β-hydroxyalkylamides phản ứng với các nhóm axít ở nhiệt độ tương đối thấp khoảng 150°C. Hoạt tính cao của β- hydroxyalkylamides với các nhóm carboxyl là do quá trình ét te hóa của β- hydroxyalkylamides được thực hiện thông qua một sản phẩm trung gian với một cấu trúc oxazolinium.
Cơ chế này được mô tả lần đầu tiên bởi Wicks và sau đó được xác nhận bởi Stanssens, sử dụng quang phổ học H-NMR. Wicks cũng phát hiện ra rằng so sánh với quá trình ét te hóa bằng rượu aliphatic nơi mà các axít carboxylic thơm phản ứng nhanh hơn rượu aliphatic, axít carboxylic thơm phản ứng với β- hydroxyalkylamides nhanh hơn với phản ứng với axít aliphatic.
Việc không tìm ra được chất tăng tốc nào có nghĩa là các loại bột màu, chất độn và phụ gia sử dụng trong sản xuất bột phủ không có ảnh hưởng nào lên hoạt tính. Sự khác nhau về hoạt tính của các loại polyester khác nhau (phản ứng với axít carboxylic thơm) có ít ảnh hưởng tới phản ứng của β-hydroxyalkylamides với các nhóm carboxyl so với loại bột phủ đóng rắn bằng TGIC hoặc PT-910. Bột phủ polyester đóng rắn bằng TGIC hoặc PT-910 có thể bị xúc tác bằng các thành phần khác trong sơn. Thời gian keo hóa của những bột phủ này bị ảnh hưởng bởi quá trình tạo màu, khối lượng titaniumdioxide (TiO2). Sử dụng β-hydroxyalkylamide làm chất đóng rắn làm cho bột phủ có hoạt tính cao hơn và tạo ra sự cải thiện về tính tương thích lô/lô trong sản xuất bột phủ. Một lợi thế quan trọng khác là hoạt tính duy trì ở mức độ không đổi đối với những màu sắc khác nhau. Kaplan kiểm tra thời gian keo hóa của những màu khác nhau sử dụng cùng hệ chất liên kết đóng rắn bằng β-hydroxyalkylamide "Primid XL-552" và chỉ ra rằng có rất ít thay đổi về hoạt tính giữa các công thức.
