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      超細粉末涂料的研究進展

      • 發布時間: 2021-09-06 17:30:16

      超細粉末涂料的研究進展

      • 發布時間: 2021-09-06 17:30:16
      詳情

      摘要:超細粉末涂料為粉末涂料的應用開辟了全新的領域,本文綜述了超細粉末涂料的特點、性能和研究進展。

      1、前言

      粉末涂料和涂裝是以環保、經濟、高效和節能為突出優點而得到快速發展的粉末涂料為百分之百的固體成分,不象液體油漆那樣含有大量溶劑排放,是沒有公害的環保涂料產品;粉末涂料噴涂未能利用的粉末可以回收再次使用,噴涂工藝簡單穩定,能耗較低,相對液體涂料具有成本低,性能好的特點。粉末涂料的發展速度非???,而在我國又遠遠快于其他國家,主要原因是我國的經濟發展逮度很快,大量新建的涂裝線首選使用粉末涂料。我國已成為粉末涂料的使用和生產大國,但在高檔原材料的生產和高檔產品的開發研制上,還與發達國家存在一定差距。如何瞄準具有巨大實際應用意義的尖端課題,利用國內外的高新技術進行課題攻關,并實現其工業化,是我國科學家和業內人士面臨的重要決策。

      粉末涂料在最近十幾年的發展中呈現了非常強的競爭力,但也有其發展過程中亟待克服的缺點和限制。粉末涂裝公認的四個缺點是涂層太厚、涂層表觀效果較差、不能低溫固化換色較難。針對這些限制和缺點,各國科學家和工程技術人員進行了大量的研究,在很多領域取得了可騫的成績。如低溫固化粉末涂料的開發研究已經有了可于1201C 烘烤固化的商業產品,用于木器和復合板的涂裝;粉末涂料紫外光固化的研究也有了突破性的進展并有了工業化應用。我國粉體涂裝設備的老廠上海新星靜電噴涂設備有限公司與比利時UCB 公司合作,已成功研制出粉末涂料紫外光固化設備,使我國在這一新興領域得到有益的發展,并

      帶來巨大潛力。在目前狀況下,要使工業用戶接受粉末涂料,可以認為其中高品質和經濟性的作用相對于符合環保法規方面所做的貢獻最大。粉末涂料的市場份額相對于其他類型涂料來說并不大。但是,在相對比較成熟的工業涂料領域,粉末涂料是其中少數幾類中可以保持長年高增長率的產品。

      2、超細粉末涂料技術簡介

      粉末涂裝以其環保、經濟高效和節能為突出優點而得到快速發展。但粉末涂裝也存在亟待克服的缺點和限制粉末涂裝公認的兩大缺點是:涂層太厚和涂層表面平整度差。原因在于粉末涂料的粒徑較大,遠遠超過普通油漆漆膜的厚度。不僅造成材料浪費,而且在很多情況下涂層太厚還會造成漆膜性能下降。如涂層容易脫落,漆膜硬度降低等。為克服上述缺陷,各國科學家進行了大量的研究,開發出超細粉末涂料。這種粉體粒徑變細,涂層表面效果很好,可實現薄涂層涂裝。

      加拿大輝旭微粉技術公司的科學家采用特殊的技術,成功克服了超細粉體粒子間的分子引力。避免了抱團現象,得到粒徑為10~20pm 流化性能很好的粉末涂枓。這種涂料既可以形成非常平整的涂層表面,又可以進行薄涂層涂。超細粉末涂層的表面效果大大改進,鹽霧實驗證明很薄的超細粉涂層具有極好的抗腐蝕性,主要原因在于涂層最薄的地方超細粉涂層的厚度高于粗粉涂層。

      3、粉末涂料的細粉化及其發展

      在粉末涂料的4個主要缺點中,涂層太厚和涂層表觀效果較差是最主要的。粉末涂料的涂層厚度通常在60~100pm,遠遠超過普通油漆漆膜的厚度,這不僅帶來不必要的浪費,而且在某些情況下涂層太厚還會造成涂膜性能下降,如涂層容易脫落等。

      涂層表觀性能差,降低了粉末涂層的裝飾性,從而限制了粉末涂料的應用和發展,特別是對某些高檔產品(如小轎車等),就無法使用粉末涂料進行涂裝。粉末涂料的涂層太厚和表觀效果不好,主要是由于粉末涂料的粒徑較大引起的。普通粉末涂料的粒徑通常為30~40mm,這樣的粒徑經靜電噴涂后很難達到平整的表面和良好的表面效果。如果能將粉末涂料的粒徑變細,就能得到表面效果很好的涂層,并能夠實現薄涂層涂裝.粉末涂料的細粉化,既能實現薄涂層大量節約成本,又能得到非常好的涂層表面,可以說是粉末涂料研究開發中最重要的課題之一,各國科學家和全球的各大粉末涂料公司都為該課題給予了巨大的投入,同時該課題還吸引了其他行業以及部分國家政府的關注。比如,1997年美國三大汽車公司聯合投資在底特律成立研究所,專門研究粉末涂料的細粉化,試圖用超細粉末涂料代替油漆用于汽車車體;1998年加拿大政府也撥??钸M行粉末涂料細粉化的研究。由于市場的需求和人們的重視,粉末涂料細粉化的研究取得了很多突破。最常見的是在粉末涂料中加入一些潤滑劑,使粉末涂料不容易抱團,從而達到適當降低粉末粒徑的目的;也有的大公司采用生產粒徑分布窄的產品,并選用高流平性的產品外加潤滑劑調節,使粉末涂料的粒徑進一步降低并初步實現薄涂層涂裝;美國Ferro公司開發了采用超臨界二氧化碳制備粉末涂料的新工藝,能夠得到分敢均勻,粒度分布窄的粉末涂料產品在國內,很多公司生產高流平性的產品并宣稱實現了薄涂層涂裝,實際上粉末粒徑并未降低,但由于能夠得到較薄的涂層,也確實很受市場歡迎。

      上述各種方法只是實現粉末涂料細粉化的一些途徑,他們的確給粉末涂料工業帶來了很多的利益,但并沒有真正意義上的實現粉末涂料的細粉化。粉末涂料的細粉化是指粉末涂料的粒徑達到20mm以下通常,涂層厚度為粉末粒徑的2.5倍時表面效果較好而超細粉體有自身的特性,即氣體流化性能差。這是由于隨蓍粒徑的降低,粉體的質量會成倍地降低,同時粉體的表面積成倍地增加,其結果是分子作用力大大增強,使超細粉抱團而無法進行正常流化,而正常流化是粉末涂料實現靜電噴涂的前提,因此,常流化成為粉末涂料細粉化難以實現的主要技術原因。細粉抱團是超細粉體的自然特性,要實現細粉化,必需首先克服超細粉體間的分子作用力。

      3.1 超細粉末制備技術的進展

      3.1.1 機械法與化學法

      超細粉末 的制備主要有機械粉碎和化學合成方法。機械粉碎是通過機械力將常規塊狀或粉末材料超細化。而化學合成法是通過物質的化學反應生成物質的基本粒子—分子、原子和離子等,經過成核生長和凝并而成長為超細粉末,這種方法具有三大優點:

      第一,多功能性。能夠制備多種組成、形貌和粒度的超細粉末。

      第二,能夠在分子或原子尺度上控制產品質量。

      第三,工藝可實現精密的控制和調節,易于實現工業化生產。從超細粉末制備和應用來看,超細粉末的化學合成法代表了超細粉末制備技術發展方向,業已成為各國研究和開發重點。

      3.2 超細粉末制備的工程問題

      超細粉末材料的生產過程有其特規的工業反應過程相比較,主要差別中材料的原料費所占的比例相對減少材料的功能確定 了產品的高附加價值很大程度上取決于產物的形態(形態度分布、晶體組成及形狀等等)。因此末生產過程的開發與研究中應將產主要控制指標通過對工藝參數的調制粉末材料的形態是工業生產的關鍵材料制備的工程問題的解決是對工控制及過程放大的前提,對超細粉末程規律的掌握是解決工程問題基礎。

      4 、超細化對粉末涂料的要求

      超細粉末涂料可以實現平整的薄涂層,也就是說,以超細粉末薄涂層為特征的粉末涂料可能對涂料和涂裝都有一些特殊的技術要求,通常情況下,粉末涂料要求樹脂的熔融粘度低,但樹脂的玻璃化溫度又不能低;顏料的分散性要好,遮蓋力要強;粉體粒徑要小,分布要窄,

      這就要求粉碎設備的粉碎和分級效果要好;粉末涂料還需具備較好的干粉流動性和帶靜電性能,要全面解決這些問題,需要原材料生產廠、制粉廠和設備制造廠、以及用戶的共同努力。

      本文研究了具有很好流動性的超細粉末涂料,研究的重點是用戶不需改變任何設備而能夠正常進行涂裝,下面我們將列舉實際開發應用過程中遇到的一系列技術問題。

      4.1 速蓋力

      普通粉末很難進行薄涂層涂裝,膜厚一般在60~90mm,通常沒有遮蓋力問題。應用中很快發現,采用普通配方得到的超細粉,涂層在50mm以下時不具備足夠的遮蓋力,特別是白色產品,在實際涂裝中無法達到要求。為此,我們適當提髙了顏料的含量,使之具有象液體油漆那樣的髙遮蓋力,其中,白色產品比較特殊,我們必需選用遮蓋力最強的金紅石型鈦白粉,并同時加大用量,否則無法達到要求。隨膜厚的降低涂層對遮蓋力的敏感性成倍增加。在開發過程中我們發現,必需考慮采取一系列措施來防止隨著顏料含量的增加,產品出現的熔融不均勻的現象。一是采用熔融性能較好的樹脂;二是采用熔融性能較好的鈦白粉或經過包蔟處理的鈦白粉,此外,在擠出時增強捏合效果也是必要的。因此,要實現非常好的遮蓋力,在粉末配方上要作相應改進。

      4.2 流平性

      普通粉末涂料的流平性和流掛現象是一對矛盾,流平性較好時,容易流掛。超細粉末涂料因薄涂而不易出現流掛問題,所以可加大流平劑的用量以達到較好的流平性能。超細粉由于粒徑細噴涂均勻,得到的涂層產品具有非常平整的涂層表面。

      4.3 粉體帶電性

      超細粉體質量小,不易上粉,理論上應該加入一些增電劑,提高上粉率。但在實際應用中發現,一次上粉率較低其實是一種優點。由于上粉率較低,使得噴涂的選擇性增強,即噴涂時很容易得到均勻的涂層厚度。因為超細粉解決了粉體流化這一根本問題,超細粉的回收使用沒有任何問題。

      4.4 成本

      由于膜厚大大降低,超細粉涂裝的成本將大大降低。但成本降低的百分率并不與粉體節省的百分率直接相關。由于選用很多高檔的原材料增加了生產成本,通常超細粉比普通粉貴很多。而白色超細粉產品因大最使用高檔的鈦白粉,其成本増加比其他顏色產品多。深色超細粉的成本增加很少??偟恼f來,超細粉涂裝在綜合成本上還是有明顯優勢,而且,越是高檔產品下降的成本越明顯。近半年的市場經驗是,由于對新產品的認知不夠,率先使用超細粉的客戶都不是看中涂裝的成本降低因素,其驅動力都是為了得到平整的表觀效果而提高產品檔次。當然,即使現在節約的成本明顯高于成本的增加。

      5、超細粉末的涂裝

      5.1 噴涂設備和工藝

      攻克超細粉末涂料課題的出發點是徹底解決超細粉體的流化問題,這樣在理論上就不會改變任何涂裝工藝。在實際應用過程中,超細粉的確能夠象普通粗粉那樣完全進行流化并沒有堵槍等流化不好的問題。但超細粉的噴涂還是有其特殊性。超細粉的質置較小,表面積較大,雖然單個粒子的帶電量較少,但總體帶電量卻增加很多。經過一年多的試驗和應用,我們發現噴涂設備基本上都不用改變,不論是在簡易噴房里的手工噴槍,還是現代化噴房里的最先進的自動化噴槍,都能夠噴涂自如。但噴涂工藝需要根據具體情況作微小的變動,比如:距離可以稍近一些,而電壓可以小一點超細粉的噴涂工藝參數與普通粗粉情況一樣,每條生產線都有其適應自身要求的最佳涂裝條件,需要技術人員現場進行一定的摸索試驗。

      5.2 上粉率和選擇性

      普通粗粉的回收粉中有較多的細粉,在重復使用時常常會出現抱團、吐粉等流化不好的問題,給粉體涂料的回收利用帶來麻煩。因此必需將回收粉與粗粉按一定比例摻合再回收使用。超細粉由于質量小,不如粗粉那樣容易上到工件表面,一次上粉率比粗粉差但這并不是件壞事,上粉率差使得選擇性較好超細粉噴涂很容易得到很均勻且膜厚較薄的涂層,這是粗粉很難達到的。另一方面,由于超細粉解決了細粉流化問題,其回收粉不存在流動性不好的問題,只要設備具有回收裝置,涂裝是完全沒有問題的。

      5.3 回收性能和再涂性能

      現在常用的回收系統有旋風回收和濾袋回收兩種。這兩種方法都能有效地回收全部未使用的粉體。不論粗粉還是超細粉,都含有大小不等的各種粒徑的顆粒,只是含童比例不一樣。超細粉的平均粒徑雖然比粗粉小很多,但其粒徑都是在現有回收設備設計回收的范圍之內,應該說進行正?;厥帐菦]有問題的回收粉通常比首次使用的粉體具有更小的粒徑。超細粉末涂料的技術關鍵是要徹底解決超細粉的流化問題,因此超細粉的回收粉具有超細粉末涂料的特點和應用。

      5.4 涂居性能

      超細粉的涂裝實際上是通過解決細粉流化而成功實現噴涂的過程,由于下列原因超細粉涂層具有與普通粉不同的涂層性能。其一,顆粒細微,涂層致密,表面平整,因此表面抗刮傷性能和平整性能增強;其二,涂層薄,避免了厚涂層帶來的涂層脫落等弊端。此外,粗粉涂裝很難得到薄涂層,而過厚的涂層實際上帶來很大的浪費,為節約成本,常規粉末涂料都必需加入大量的廉價填充料,而這些墑充料。雖然不影響涂層的遮蓋力等,但在一定程度影響了涂層的化學性能和抗腐蝕性能。超細粉由于涂層薄,要求很高的遮蓋力,不得不使用最好的原材料,而且由于涂層薄,也能夠用得起最好的原材料。因此,超細粉涂層的性能,在很多方面比普通粉的涂層明顯優越,如抗腐蝕、耐候性、柔軟性、粘結力硬度等。當然,如需要很強的抗機械摩擦性能,那么薄涂層就沒有厚涂層好了。

      6、超細粉末涂料應用舉例

      6.1 黑色零部件

      汽車內部零件大多可用粉末涂料涂裝,主要功能是保護作用,但由于普通粉無法實現薄涂層涂裝,涂膜厚度通常在60~100pn所以應用不多。而黑色超細粉沒有遮蓋力和表面平整度問題,我們在實際應用中膜厚降到平均20pm,節約了大量成本,涂層抗腐蝕性能與普通粉相當,而且硬度和粘結性都有所增加。

      6.2 家具、貨柜等室內產品

      有部分客戶因生產表面要求高的出口產品而選用超細粉。為達到最好的表觀質量,膜厚降低很少,結果成本并沒有降低。這說明在低價位的室內產品市場,超細粉的應用暫時還沒有成本優勢。

      6.3 室外耐候產品

      鋁型材等的噴涂首先要求的是優異的耐候性,其次是較好的表觀性能。超細粉采用高檔的耐候聚酯和無機耐候顏料,能夠得到兩方面性能都非常好的涂層產品,更為重要的是節省成本比較顯著。

      6.4 汽車領域

      多年以來,汽車罩光清漆一直被認為是粉末涂料難以進入的領域。但由于粉末涂料在經濟性和環保性方面的優勢,最近,底面合一粉末涂料在汽車涂裝領域的成功應用以來,汽車制造商和涂料生產商都在此方面展開了廣泛的研究。寶馬公司是世界上第一家在其標準產品中使用粉末罩光清漆的汽車制造商,到2000年底為止,在寶馬公司的德國工廠,粉末罩光清漆已投入商業化生產,共計生產了500000輛汽車。

      6.5 其他應用市場

      粉末涂料的其他市場還包括應用于管道方面和用于增強螺紋鋼筋的防腐粉末涂料,該類粉末涂料主要以純環氧體系(熔結型)為主。在歐洲,螺紋鋼筋市場幾乎被忽視,但從技術角度來看,這個領域被認為是具有很大的增長空間。由于在不同地區統計分類方法的不同,對不同領域粉末涂料的消耗量進行評估將是十分困難的。當用粉末涂料與一些符合選擇原則的VOC(揮發性有機化合物)涂料進行經濟對比時,必須重視包括涂裝成本在內的總成本。相對于其它一些環保涂料,在實際涂裝過程中,使用粉末涂料的優勢是原材料利用率從95%提高到99%;能量損耗則降低30%(與傳統低固含量的碳漆相比);勞動力花費將降低40%?

      50%;由于表面缺陷而丟棄的物料大約減少4?6倍,因此幾乎減少90%的廢料。

      7、超細粉末涂料在各領域的最新進展

      在涂裝設備方面的最新發展是制造了更容易被清洗、換色更快的涂裝生產線;開發低溫固化和高反應活性粉末涂料的趨勢能提高生產線速度、節省能量使粉末涂料在經濟方面的優勢更具吸引力。

      MDF采用粉末靜電噴涂具有涂膜性能優良、施工效率高、能耗低等優點,固體分100%的粉末涂膜將木制品包封后可防止木材內部有害物質的揮發,使其成為名副其實的綠色產品。當然,這仍需要改善的,如粉末的化學貯存穩定性:潛催化劑或能阻止基料在貯存溫度時反應而不影響固化條件的助劑;物理貯存穩定性:提高體系的玻璃溫度,但不影響體系反應速度和體系黏度。

      卷鋼涂裝是一種預涂裝,與傳統的“后涂裝”工藝有所不同,由于具有簡化生產工藝、高效施工、節省投資和運轉費用、符合環保法規要求、涂膜性能優于傳統方法等一系列優勢,卷鋼涂料成為當今涂料行業的發展方向之一。彩板生產技術1927年首創于美國,我國從20世紀80年代開始引進卷材涂料和涂裝技術。20世紀90年代末,在中國開始興起彩板的消費和生產,其增長勢頭異常迅猛,到2003年底,124家企業建成涂層機組169d,產能達874萬t。粉涂裝置處在一個強大的靜電場下,粉末旋轉刷產生涂料粉末云,粉末云的固體涂料顆粒帶有很高的電荷,其飛向高速運行的基板,產生足夠大的邊界穿透力,粉末顆粒便均勻地沉積在帶鋼表面。目前,全世界有5條粉末涂料彩涂線,其涂裝帶鋼寬度達1300mm,機組工藝速度100m/min。國內還沒有真正意義上的粉末卷材涂裝線,隨著國家對環保要求的嚴格以及性 價比考慮,卷材涂裝粉末化將逐漸為人們所認識,并成為卷材涂裝的發展趨勢。

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