کاهش سمیت رنگ های پودری: ساخت رزین‌ پلی‌استر جامد عاری از تری ملیتیک انیدرید دوستدار محیط‌زیست

نوع مقاله : پژوهشی

نویسنده

تهران، پژوهشگاه رنگ، گروه محیط زیست و رنگ

10.22063/jipst.2025.35745.2410

چکیده

فرضیه: مونومر تری‌ملیتیک انیدرید (TMA) به‌عنوان ماده‌ سمی به وفور در فرمول‌بندی پوشش‌های پودری استفاده می‌شود که اثرهای مخربی روی دستگاه تنفسی افراد شاغل در این حوزه دارد. هدف از این مطالعه، حذف مونومر TMA در فرمول‌بندی رزین پلی‌استر اشباع جامد برای سامانه‌های پوششی هیبریدی 60/40 است، به‌طوری که مقاومت‌های فیزیکی-مکانیکی پوشش نسبت به سامانه‌های مرسوم افت نکند.
روش‌ها: از مونومر تری‌متیلول پروپان (TMP) برای شاخه‌دارکردن و از آدپیک اسید برای کربوکسیل‌دارکردن شاخه‌ها استفاده شد. متغیر مقدار شاخه‌ای‌شدن (میزان عاملیت) متناسب با مقدار TMP 0-2 مول به ازای هر زنجیر پلی‌استر با جرم مولکولی (g/mol) 4000 بود. سنتز این رزین با روش‌های طیف‌سنجی زیرقرمز و طیف‌سنجی رزونانس مغناطیسی هسته‌ای پروتون تایید و خواص آن‌ها با استفاده از آزمون‌های گرماسنجی پویشی تفاضلی، آزمون سوانگای ژل‌تراوایی، آزمون عدد اسیدی و گران‌روی بررسی شد.
یافته‌ها: رزین‌های پلی‌استری با جرم مولکولی 3900-4400، Tg برابر 44-63، عدد اسیدی (mg KOH/g) 32-56 و گران‌رویps15-38  حاصل شدند. سپس پوشش پودری در ضخامت‌های مختلف 50-200 میکرون با استفاده از ‌رزین‌ها تهیه شدند (دمای پخت: ºC 200/ 10 دقیقه) و عملکرد آن ها در سامانه‌ پوششی بررسی شد. مطابق با نتایج، با افزایش مقدار TMP، براقیت پوشش کاهش، سختی ابتدا افزایش و بعد کاهش، ضربه مستقیم-غیرمستقیم و همچنین کسر ژلی ابتدا افزایش و سپس کاهش داشته‌اند؛ این درحالی است که تمام نمونه‌ها چسبندگی و مقاومت به خمش مندرل بسیار عالی از خود نشان دادند. بدین ترتیب، رزین پلی‌استر جامد کربوکسیل‌دار با مقدار TMP 1.5 مول و جرم مولکولی معادل (g/mol) 4210، گران‌روی معادل 5/34 پویز، عدد اسیدی معادل (mg KOH/g) 52 و Tg  حدود ℃ 5/56 منجر به پوششی با خواص بهینه شامل براقیت 94%، سختی 132 ثانیه، ضربه مستقیم و غیر مستقیم 160 و 95 میکرون، کسر ژلی 98%، مقاومت به خمش مندرل بدون ترک و چسبندگی به فلز 5B شد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Toxicity Reduction in Powder Coatings: Designing an environmentally friendly Trimellitic Anhydride-Free Solid Polyester Resin

نویسنده [English]

  • Sahar Abdollahi Baghban
Institute for Color Science and Technology Environment and Color Vafamanesh St., Lavizan Exit, Sayad Shirazi North HWY, Tehran, Iran
چکیده [English]

Hypothesis: Trimellitic anhydride (TMA) monomer, a toxic substance, is widely used in powder coating formulations, posing severe respiratory risks to workers in this industry. This study aims to eliminate TMA monomer in saturated polyester resin formulations for hybrid coating systems while maintaining physical-mechanical resistance comparable to conventional systems.
Methods: To achieve this, trimethylolpropane (TMP) was employed for branching, and adipic acid was used to carboxylate the branches. The degree of branching (functionality) was varied by adjusting the TMP content from 0 to 2 moles per polyester chain with a molecular weight of 4000 (g/mol). The synthesized resin was characterized using Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) and proton nuclear magnetic resonance (¹H-NMR) spectroscopy. Its properties were evaluated through differential scanning calorimetry (DSC), gel permeation chromatography (GPC), acid value, and viscosity measurements.
Findings: The resulting polyester resins exhibited molecular weights of 3900–4400 g/mol, glass transition temperatures (Tg) of 44–63°C, acid values of 32–56 mg KOH/g, and viscosities of 15–38 poise. Powder coatings with thicknesses of 50–200 μm were prepared (curing conditions: 200°C for 10 minutes), and their performance was assessed. Findings revealed that increasing TMP content led to reduced gloss, an initial increase followed by a decrease in hardness, direct/indirect impact resistance, and gel fraction. However, all samples demonstrated excellent adhesion (5 B) and mandrel bending resistance. Consequently, the optimal formulation contained 1.5 moles of TMP, yielding a carboxylated solid polyester resin with a molecular weight of 4210 (g/mol), viscosity of 34.5 poise, acid value of 52 (mg KOH/g), and Tg of 56.5 °C. The resulting coating exhibited superior properties: gloss of 94%, pendulum hardness of 132 s, direct and indirect impact resistance of 160 μm and 95 μm, gel fraction of 98%, crack-free mandrel bend resistance, and 5B metal adhesion.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Hybrid powder coating
  • carboxylated polyester powder resin
  • toxicity
  • trimellitic anhydride
  • branched structure