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          聚氨酯粉末涂料是由羥基聚酯、封閉型多異氰酸酯、顏填料及助劑等組成的熱固性粉末涂料,與其他粉末涂料相比具有更好的綜合性能,尤其是耐黃變、耐候性、耐光性突出,在粉末涂料中顯示出巨大的優勢。

          近年來,國家、地方、行業密集出臺了一系列涉及環境保護的法律、法規、政策、標準, 尤其是于 2021年 2月 1日起實施的《低揮發性有機化合物含量涂料產品技術要求》,明確了粉末涂料屬于低揮發性有機化合物含量涂料產品,使得“油轉粉”成為涂料行業的研究熱點,為聚氨酯粉末涂料的發展帶來了機遇。

          在此背景下,國家知識產權局專利局專利審查協作四川中心相關研究人員對外發布了《聚氨酯粉末涂料專利技術綜述》。為了解掌握聚氨酯粉末涂料的發展及專利技術狀況,研究從全球聚氨酯粉末涂料技術的專利申請入手,研究分析聚氨酯粉末涂料技術的專利申請趨勢、重要申請人、重點專利技術演進等相關信息,以期為相關領域人員提供一定的參考。

          1 聚氨酯粉末涂料專利分析

          本研究以智慧芽專利數據庫作為檢索平臺,采用關鍵詞與分類號相結合的方式進行檢索,獲取初步結果后將明顯噪聲去除獲得目標文獻。

          1.1全球專利申請趨勢分析

          國外粉末涂料行業起步較早,國外企業于20世紀30年代開始粉末涂料生產技術的研發,20 世紀50年代末粉末涂料進入高速發展階段,20世紀70年代后,粉末涂料品種逐漸豐富并開始在高端涂裝市場應用。圖1展示了全球聚氨酯粉末涂料專利申請量和授權量變化趨勢。由圖1可以看出,全球范圍內,聚氨酯粉末涂料的相關專利申請開始于1968年;1968—2001年,專利申請數量呈現迅速增長態勢,2001年達到峰值;2001—2008 年,專利申請數量保持高水平穩定,反映了聚氨酯粉末涂料行業進入技術成熟期;2008年后專利申請數量開始減少,并于2013年達到最低值,這反映了聚氨酯粉末涂料產品經過多年發展遇到技術瓶頸,科研主體的創新熱情降低;2013—2021年,專利申請量有所回升,反映了聚氨酯粉末涂料技術獲得突破,參與創新的主體數量增加。與此同時,專利授權率于1968—2018年穩定在40%~80%范圍內,2018年后授權率逐年下降,跌破40%,2021年下降至 4.26%, 這反映了科研主體間同質化競爭激烈,專利申請量大但創新不足。


          我國粉末涂料行業于20世紀70年代才開始起步,比國外晚了接近40年。圖2展示了中國聚氨酯粉末涂料專利申請量和授權量變化趨勢。由圖2可以看出,我國在該領域的專利申請始于1992年;1992—2017年,我國聚氨酯粉末涂料行業處于快速發展階段,專利申請數量總體呈現增長態勢,但期間出現兩次短暫波動;2017年后專利申請數量保持高水平穩定,反映了我國聚氨酯粉末涂料行業進入技術成熟期。雖然我國聚氨酯粉末涂料行業的起步較晚,但是專利申請量一直保持穩定,這側面反映了該行業在我國依然有較大市場前景和重要科研價值。


          1.2專利申請分布情況

          從技術來源國上看,德國、美國、歐洲和日本作 為聚氨酯粉末涂料的技術誕生國,其在研究成果的數量上仍保持世界領先地位,是主要技術輸出地。其中,德國專利申請數量居首位,占比35.6%,美國緊隨其后,占比32.2%,歐洲位居第三,占比12.2%,日本排列第四,占比 9.7%。我國在該領域的發展較晚,專利申請數量占比較低,僅占3.5%??梢钥闯?,聚氨酯粉末涂料的申請比例在不同國家/地區差距較大,這與各國的發展狀況、資源和技術水平 密切相關。德國、美國、歐洲和日本這些發達國家/地區有強大的技術支撐,長久以來對環境保護重視程度高,加之立法制度完善、專利保護意識強,因此專利研究成果豐碩。我國早期科研水平有限,法律法規不夠完善,專利保護意識弱,因此專利研究成果有限。但是,結合圖2的專利申請和授權情況可以看出,近年來我國在該領域發展迅速,這與我國對聚氨酯粉末涂料的技術研究開發的重視、環保能源材料的鼓勵政策密不可分

          從目標市場國來看,聚氨酯粉末涂料的專利技術布局主要集中在歐洲、日本、美國、中國和德國, 其中,專利申請數量歐洲排名第一,占比16.4%,日本次之,占比15.1%,美國排名第三,占比12.2%,中國排名第四,占比8.4%,德國排名第五,占比7.9%。從目標市場國專利申請數量的分布情況可以看出, 聚氨酯粉末涂料依然受到世界主要經濟大國的重視,并且,我國在該領域的市場需求較大,仍然具有良好的發展前景。

          聚氨酯粉末涂料在國外的重點申請人,主要集中在巴斯夫、PPG工業、拜耳、贏創、科思創等老牌化工企業,其專利申請數量所占的比重比較大。在我國范圍內的申請人中,外國申請人所占比重仍然較大,高校研究成果較少,研發力量以長三角、珠三角和環渤海地區的企業為主,如安徽科瑞達新材料有限公司、安徽華輝塑業科技有限公司、靖江勵創信息科技有限公司、蘇州洛特蘭新材料科技有限公司、榕珍新材料科技發展(上海)有限公司。從重點申請人的分布情況可以看出,外國企業在聚氨酯粉末涂料領域一直占據市場的主導地位,國產產品市場份額占比較低,研發技術水平落后,仍須加大科研創新力度。

          2 重點申請人專利技術分析


          2.1 封閉型聚氨酯粉末涂料

          封閉型聚氨酯粉末涂料通常采用含羥基聚酯樹脂的羥基組分與被封閉的多異氰酸酯預聚物組分配合,成為單罐裝的聚氨酯粉末涂料,該涂料經施工后,漆膜在高溫下,被封閉的異氰酸酯基解封閉,新生成的—NCO基與羥基聚酯樹脂組分反應,實現漆膜的交聯固化。拜耳公司(GB1465286A)通過多羥基化合物與用 ε-己內酰胺部分掩蔽的異佛爾酮二異氰酸酯的反應制備掩蔽的二異氰酸酯,再與多羥基化的化合物反應來制備聚氨酯粉末涂料,該粉末涂料具有良好的儲存穩定性(可以在 150~240 ℃的溫度下儲存)和優異耐化學性。美國公司 (US6028212A)提供了一種固體乙烯基醚氨基甲酸酯,其能夠與熱或輻射固化不飽和聚合物,并且驚奇地表現出改善的柔韌性和固化后對基材的黏合性。

          2.2 含其他功能團的聚氨酯粉末涂料

          封閉型聚氨酯粉末涂料在固化時會釋放出封閉劑,既損害涂膜外觀還會造成嚴重的環境污染, 因此,研究者致力于開發出帶有其他官能團的聚氨酯粉末涂料以克服上述缺陷。美國拜耳公司(DE59002375)研究出了一種可以在熱和/或高能輻射的存在下固化,并且含有(甲基)丙烯酰脲基團的聚氨酯粉末涂料,該組合物獲得的涂層具有良好的硬度、耐刮擦、耐水和溶劑性。德國希爾斯股份公司(US2003208026A1)提供了一種含羥基和二聚異氰酸酯基的加聚物,用于制備不含消去產物且交聯后形成耐光、耐候的高光澤涂膜的高反應活性聚氨酯(PUR)粉末涂料。德國公司(EP04104070A)開發出了一種基于具有脲二酮基團的環氧基封端的加聚化合物的聚氨酯粉末涂料組合物,其在低烘烤溫度下交聯以得到高光澤或無光澤、光穩定和氣候穩定的涂膜。

          2.3 含游離異氰酸酯基團的聚氨酯粉末涂料

          含游離異氰酸酯基團的聚氨酯粉末涂料由于具有相對高含量的非封端游離異氰酸酯基團,其固化的粉末涂料具有足夠的交聯密度,其在油漆和涂料中相當于良好的耐受性。美國拜耳公 司(US6297343B1)研究出了一種含有脲二酮基團和游離異氰酸酯的粉末涂料交聯劑,其在 40 ℃以下為固體,在125 ℃以上為液體,通過含有脲二酮基團的異氰酸酯組分與除羥基新戊酸新戊二醇酯之外的含有酯和/或碳酸酯基團的多元醇的反應制備,具有良好的耐溶劑性和耐化學性,并且以突出的流動性和非常高的光澤度為特征。德國公司(DE3173943A)開發了一種熱固性粉末涂料組合物,熱固性粉末涂料組合物通過使含有羧基并具有封端異氰酸酯基團的聚氨酯預聚物與至少一種含有羥基、環氧化物、羧基或酸酐的化合物反應獲得,具有優異的機械性能和非常好的耐化學性和耐候性的涂層。

          總結

          聚氨酯粉末涂料以其突出的耐黃變、耐候性、耐光和無毒害、綠色環保性能將持續地在全球涂料領域發揮至關重要的作用,在當今嚴抓環保、綠色轉型發展的背景下,聚氨酯粉末涂料必定會成為粉末涂料的主流。

          但與國外早在20世紀30 年代開始粉末涂料生產技術的研發相比,我國聚氨酯粉末涂料相關技術起步較晚,在很多技術布局上還存在空白,這在一定程度上阻礙了國產聚氨酯粉末涂料的發展。

          隨著我國對環保的重視以及國家的宏觀調控政策,可以預期的是,聚氨酯粉末涂料在各個行業的應用會越來越多,相關技術研究及專利申請也會逐漸增加,進而成為未來聚氨酯工業的重要發展方向。

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