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超细粉末涂料的研究进展

  • 发布时间: 2021-09-06 17:30:16

超细粉末涂料的研究进展

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摘要:超细粉末涂料为粉末涂料的应用开辟了全新的领域,本文综述了超细粉末涂料的特点、性能和研究进展。

1、前言

粉末涂料和涂装是以环保、经济、高效和节能为突出优点而得到快速发展的粉末涂料为百分之百的固体成分,不象液体油漆那样含有大量溶剂排放,是没有公害的环保涂料产品;粉末涂料喷涂未能利用的粉末可以回收再次使用,喷涂工艺简单稳定,能耗较低,相对液体涂料具有成本低,性能好的特点。粉末涂料的发展速度非常快,而在我国又远远快于其他国家,主要原因是我国的经济发展逮度很快,大量新建的涂装线首选使用粉末涂料。我国已成为粉末涂料的使用和生产大国,但在高档原材料的生产和高档产品的开发研制上,还与发达国家存在一定差距。如何瞄准具有巨大实际应用意义的尖端课题,利用国内外的高新技术进行课题攻关,并实现其工业化,是我国科学家和业内人士面临的重要决策。

粉末涂料在最近十几年的发展中呈现了非常强的竞争力,但也有其发展过程中亟待克服的缺点和限制。粉末涂装公认的四个缺点是涂层太厚、涂层表观效果较差、不能低温固化换色较难。针对这些限制和缺点,各国科学家和工程技术人员进行了大量的研究,在很多领域取得了可骞的成绩。如低温固化粉末涂料的开发研究已经有了可于1201C 烘烤固化的商业产品,用于木器和复合板的涂装;粉末涂料紫外光固化的研究也有了突破性的进展并有了工业化应用。我国粉体涂装设备的老厂上海新星静电喷涂设备有限公司与比利时UCB 公司合作,已成功研制出粉末涂料紫外光固化设备,使我国在这一新兴领域得到有益的发展,并

带来巨大潜力。在目前状况下,要使工业用户接受粉末涂料,可以认为其中高品质和经济性的作用相对于符合环保法规方面所做的贡献最大。粉末涂料的市场份额相对于其他类型涂料来说并不大。但是,在相对比较成熟的工业涂料领域,粉末涂料是其中少数几类中可以保持长年高增长率的产品。

2、超细粉末涂料技术简介

粉末涂装以其环保、经济高效和节能为突出优点而得到快速发展。但粉末涂装也存在亟待克服的缺点和限制粉末涂装公认的两大缺点是:涂层太厚和涂层表面平整度差。原因在于粉末涂料的粒径较大,远远超过普通油漆漆膜的厚度。不仅造成材料浪费,而且在很多情况下涂层太厚还会造成漆膜性能下降。如涂层容易脱落,漆膜硬度降低等。为克服上述缺陷,各国科学家进行了大量的研究,开发出超细粉末涂料。这种粉体粒径变细,涂层表面效果很好,可实现薄涂层涂装。

加拿大辉旭微粉技术公司的科学家采用特殊的技术,成功克服了超细粉体粒子间的分子引力。避免了抱团现象,得到粒径为10~20pm 流化性能很好的粉末涂枓。这种涂料既可以形成非常平整的涂层表面,又可以进行薄涂层涂。超细粉末涂层的表面效果大大改进,盐雾实验证明很薄的超细粉涂层具有极好的抗腐蚀性,主要原因在于涂层最薄的地方超细粉涂层的厚度高于粗粉涂层。

3、粉末涂料的细粉化及其发展

在粉末涂料的4个主要缺点中,涂层太厚和涂层表观效果较差是最主要的。粉末涂料的涂层厚度通常在60~100pm,远远超过普通油漆漆膜的厚度,这不仅带来不必要的浪费,而且在某些情况下涂层太厚还会造成涂膜性能下降,如涂层容易脱落等。

涂层表观性能差,降低了粉末涂层的装饰性,从而限制了粉末涂料的应用和发展,特别是对某些高档产品(如小轿车等),就无法使用粉末涂料进行涂装。粉末涂料的涂层太厚和表观效果不好,主要是由于粉末涂料的粒径较大引起的。普通粉末涂料的粒径通常为30~40mm,这样的粒径经静电喷涂后很难达到平整的表面和良好的表面效果。如果能将粉末涂料的粒径变细,就能得到表面效果很好的涂层,并能够实现薄涂层涂装.粉末涂料的细粉化,既能实现薄涂层大量节约成本,又能得到非常好的涂层表面,可以说是粉末涂料研究开发中最重要的课题之一,各国科学家和全球的各大粉末涂料公司都为该课题给予了巨大的投入,同时该课题还吸引了其他行业以及部分国家政府的关注。比如,1997年美国三大汽车公司联合投资在底特律成立研究所,专门研究粉末涂料的细粉化,试图用超细粉末涂料代替油漆用于汽车车体;1998年加拿大政府也拨专款进行粉末涂料细粉化的研究。由于市场的需求和人们的重视,粉末涂料细粉化的研究取得了很多突破。最常见的是在粉末涂料中加入一些润滑剂,使粉末涂料不容易抱团,从而达到适当降低粉末粒径的目的;也有的大公司采用生产粒径分布窄的产品,并选用高流平性的产品外加润滑剂调节,使粉末涂料的粒径进一步降低并初步实现薄涂层涂装;美国Ferro公司开发了采用超临界二氧化碳制备粉末涂料的新工艺,能够得到分敢均匀,粒度分布窄的粉末涂料产品在国内,很多公司生产高流平性的产品并宣称实现了薄涂层涂装,实际上粉末粒径并未降低,但由于能够得到较薄的涂层,也确实很受市场欢迎。

上述各种方法只是实现粉末涂料细粉化的一些途径,他们的确给粉末涂料工业带来了很多的利益,但并没有真正意义上的实现粉末涂料的细粉化。粉末涂料的细粉化是指粉末涂料的粒径达到20mm以下通常,涂层厚度为粉末粒径的2.5倍时表面效果较好而超细粉体有自身的特性,即气体流化性能差。这是由于随蓍粒径的降低,粉体的质量会成倍地降低,同时粉体的表面积成倍地增加,其结果是分子作用力大大增强,使超细粉抱团而无法进行正常流化,而正常流化是粉末涂料实现静电喷涂的前提,因此,常流化成为粉末涂料细粉化难以实现的主要技术原因。细粉抱团是超细粉体的自然特性,要实现细粉化,必需首先克服超细粉体间的分子作用力。

3.1 超细粉末制备技术的进展

3.1.1 机械法与化学法

超细粉末 的制备主要有机械粉碎和化学合成方法。机械粉碎是通过机械力将常规块状或粉末材料超细化。而化学合成法是通过物质的化学反应生成物质的基本粒子—分子、原子和离子等,经过成核生长和凝并而成长为超细粉末,这种方法具有三大优点:

第一,多功能性。能够制备多种组成、形貌和粒度的超细粉末。

第二,能够在分子或原子尺度上控制产品质量。

第三,工艺可实现精密的控制和调节,易于实现工业化生产。从超细粉末制备和应用来看,超细粉末的化学合成法代表了超细粉末制备技术发展方向,业已成为各国研究和开发重点。

3.2 超细粉末制备的工程问题

超细粉末材料的生产过程有其特规的工业反应过程相比较,主要差别中材料的原料费所占的比例相对减少材料的功能确定 了产品的高附加价值很大程度上取决于产物的形态(形态度分布、晶体组成及形状等等)。因此末生产过程的开发与研究中应将产主要控制指标通过对工艺参数的调制粉末材料的形态是工业生产的关键材料制备的工程问题的解决是对工控制及过程放大的前提,对超细粉末程规律的掌握是解决工程问题基础。

4 、超细化对粉末涂料的要求

超细粉末涂料可以实现平整的薄涂层,也就是说,以超细粉末薄涂层为特征的粉末涂料可能对涂料和涂装都有一些特殊的技术要求,通常情况下,粉末涂料要求树脂的熔融粘度低,但树脂的玻璃化温度又不能低;颜料的分散性要好,遮盖力要强;粉体粒径要小,分布要窄,

这就要求粉碎设备的粉碎和分级效果要好;粉末涂料还需具备较好的干粉流动性和带静电性能,要全面解决这些问题,需要原材料生产厂、制粉厂和设备制造厂、以及用户的共同努力。

本文研究了具有很好流动性的超细粉末涂料,研究的重点是用户不需改变任何设备而能够正常进行涂装,下面我们将列举实际开发应用过程中遇到的一系列技术问题。

4.1 速盖力

普通粉末很难进行薄涂层涂装,膜厚一般在60~90mm,通常没有遮盖力问题。应用中很快发现,采用普通配方得到的超细粉,涂层在50mm以下时不具备足够的遮盖力,特别是白色产品,在实际涂装中无法达到要求。为此,我们适当提髙了颜料的含量,使之具有象液体油漆那样的髙遮盖力,其中,白色产品比较特殊,我们必需选用遮盖力最强的金红石型钛白粉,并同时加大用量,否则无法达到要求。随膜厚的降低涂层对遮盖力的敏感性成倍增加。在开发过程中我们发现,必需考虑采取一系列措施来防止随着颜料含量的增加,产品出现的熔融不均匀的现象。一是采用熔融性能较好的树脂;二是采用熔融性能较好的钛白粉或经过包蔟处理的钛白粉,此外,在挤出时增强捏合效果也是必要的。因此,要实现非常好的遮盖力,在粉末配方上要作相应改进。

4.2 流平性

普通粉末涂料的流平性和流挂现象是一对矛盾,流平性较好时,容易流挂。超细粉末涂料因薄涂而不易出现流挂问题,所以可加大流平剂的用量以达到较好的流平性能。超细粉由于粒径细喷涂均勻,得到的涂层产品具有非常平整的涂层表面。

4.3 粉体带电性

超细粉体质量小,不易上粉,理论上应该加入一些增电剂,提高上粉率。但在实际应用中发现,一次上粉率较低其实是一种优点。由于上粉率较低,使得喷涂的选择性增强,即喷涂时很容易得到均匀的涂层厚度。因为超细粉解决了粉体流化这一根本问題,超细粉的回收使用没有任何问题。

4.4 成本

由于膜厚大大降低,超细粉涂装的成本将大大降低。但成本降低的百分率并不与粉体节省的百分率直接相关。由于选用很多高档的原材料增加了生产成本,通常超细粉比普通粉贵很多。而白色超细粉产品因大最使用高档的钛白粉,其成本増加比其他颜色产品多。深色超细粉的成本增加很少。总的说来,超细粉涂装在综合成本上还是有明显优势,而且,越是高档产品下降的成本越明显。近半年的市场经验是,由于对新产品的认知不够,率先使用超细粉的客户都不是看中涂装的成本降低因素,其驱动力都是为了得到平整的表观效果而提高产品档次。当然,即使现在节约的成本明显高于成本的增加。

5、超细粉末的涂装

5.1 喷涂设备和工艺

攻克超细粉末涂料课题的出发点是彻底解决超细粉体的流化问题,这样在理论上就不会改变任何涂装工艺。在实际应用过程中,超细粉的确能够象普通粗粉那样完全进行流化并没有堵枪等流化不好的问题。但超细粉的喷涂还是有其特殊性。超细粉的质置较小,表面积较大,虽然单个粒子的带电量较少,但总体带电量却增加很多。经过一年多的试验和应用,我们发现喷涂设备基本上都不用改变,不论是在简易喷房里的手工喷枪,还是现代化喷房里的最先进的自动化喷枪,都能够喷涂自如。但喷涂工艺需要根据具体情况作微小的变动,比如:距离可以稍近一些,而电压可以小一点超细粉的喷涂工艺参数与普通粗粉情况一样,每条生产线都有其适应自身要求的最佳涂装条件,需要技术人员现场进行一定的摸索试验。

5.2 上粉率和选择性

普通粗粉的回收粉中有较多的细粉,在重复使用时常常会出现抱团、吐粉等流化不好的问题,给粉体涂料的回收利用带来麻烦。因此必需将回收粉与粗粉按一定比例掺合再回收使用。超细粉由于质量小,不如粗粉那样容易上到工件表面,一次上粉率比粗粉差但这并不是件坏事,上粉率差使得选择性较好超细粉喷涂很容易得到很均匀且膜厚较薄的涂层,这是粗粉很难达到的。另一方面,由于超细粉解决了细粉流化问题,其回收粉不存在流动性不好的问题,只要设备具有回收装置,涂装是完全没有问题的。

5.3 回收性能和再涂性能

现在常用的回收系统有旋风回收和滤袋回收两种。这两种方法都能有效地回收全部未使用的粉体。不论粗粉还是超细粉,都含有大小不等的各种粒径的颗粒,只是含童比例不一样。超细粉的平均粒径虽然比粗粉小很多,但其粒径都是在现有回收设备设计回收的范围之内,应该说进行正常回收是没有问题的回收粉通常比首次使用的粉体具有更小的粒径。超细粉末涂料的技术关键是要彻底解决超细粉的流化问题,因此超细粉的回收粉具有超细粉末涂料的特点和应用。

5.4 涂居性能

超细粉的涂装实际上是通过解决细粉流化而成功实现喷涂的过程,由于下列原因超细粉涂层具有与普通粉不同的涂层性能。其一,颗粒细微,涂层致密,表面平整,因此表面抗刮伤性能和平整性能增强;其二,涂层薄,避免了厚涂层带来的涂层脱落等弊端。此外,粗粉涂装很难得到薄涂层,而过厚的涂层实际上带来很大的浪费,为节约成本,常规粉末涂料都必需加入大量的廉价填充料,而这些墒充料。虽然不影响涂层的遮盖力等,但在一定程度影响了涂层的化学性能和抗腐蚀性能。超细粉由于涂层薄,要求很高的遮盖力,不得不使用最好的原材料,而且由于涂层薄,也能够用得起最好的原材料。因此,超细粉涂层的性能,在很多方面比普通粉的涂层明显优越,如抗腐蚀、耐候性、柔软性、粘结力硬度等。当然,如需要很强的抗机械摩擦性能,那么薄涂层就没有厚涂层好了。

6、超细粉末涂料应用举例

6.1 黑色零部件

汽车内部零件大多可用粉末涂料涂装,主要功能是保护作用,但由于普通粉无法实现薄涂层涂装,涂膜厚度通常在60~100pn所以应用不多。而黑色超细粉没有遮盖力和表面平整度问题,我们在实际应用中膜厚降到平均20pm,节约了大量成本,涂层抗腐蚀性能与普通粉相当,而且硬度和粘结性都有所增加。

6.2 家具、货柜等室内产品

有部分客户因生产表面要求高的出口产品而选用超细粉。为达到最好的表观质量,膜厚降低很少,结果成本并没有降低。这说明在低价位的室内产品市场,超细粉的应用暂时还没有成本优势。

6.3 室外耐候产品

铝型材等的喷涂首先要求的是优异的耐候性,其次是较好的表观性能。超细粉采用高档的耐候聚酯和无机耐候颜料,能够得到两方面性能都非常好的涂层产品,更为重要的是节省成本比较显著。

6.4 汽车领域

多年以来,汽车罩光清漆一直被认为是粉末涂料难以进入的领域。但由于粉末涂料在经济性和环保性方面的优势,最近,底面合一粉末涂料在汽车涂装领域的成功应用以来,汽车制造商和涂料生产商都在此方面展开了广泛的研究。宝马公司是世界上第一家在其标准产品中使用粉末罩光清漆的汽车制造商,到2000年底为止,在宝马公司的德国工厂,粉末罩光清漆已投入商业化生产,共计生产了500000辆汽车。

6.5 其他应用市场

粉末涂料的其他市场还包括应用于管道方面和用于增强螺纹钢筋的防腐粉末涂料,该类粉末涂料主要以纯环氧体系(熔结型)为主。在欧洲,螺纹钢筋市场几乎被忽视,但从技术角度来看,这个领域被认为是具有很大的增长空间。由于在不同地区统计分类方法的不同,对不同领域粉末涂料的消耗量进行评估将是十分困难的。当用粉末涂料与一些符合选择原则的VOC(挥发性有机化合物)涂料进行经济对比时,必须重视包括涂装成本在内的总成本。相对于其它一些环保涂料,在实际涂装过程中,使用粉末涂料的优势是原材料利用率从95%提高到99%;能量损耗则降低30%(与传统低固含量的碳漆相比);劳动力花费将降低40%〜

50%;由于表面缺陷而丢弃的物料大约减少4〜6倍,因此几乎减少90%的废料。

7、超细粉末涂料在各领域的最新进展

在涂装设备方面的最新发展是制造了更容易被清洗、换色更快的涂装生产线;开发低温固化和高反应活性粉末涂料的趋势能提高生产线速度、节省能量使粉末涂料在经济方面的优势更具吸引力。

MDF采用粉末静电喷涂具有涂膜性能优良、施工效率高、能耗低等优点,固体分100%的粉末涂膜将木制品包封后可防止木材内部有害物质的挥发,使其成为名副其实的绿色产品。当然,这仍需要改善的,如粉末的化学贮存稳定性:潜催化剂或能阻止基料在贮存温度时反应而不影响固化条件的助剂;物理贮存稳定性:提高体系的玻璃温度,但不影响体系反应速度和体系黏度。

卷钢涂装是一种预涂装,与传统的“后涂装”工艺有所不同,由于具有简化生产工艺、高效施工、节省投资和运转费用、符合环保法规要求、涂膜性能优于传统方法等一系列优势,卷钢涂料成为当今涂料行业的发展方向之一。彩板生产技术1927年首创于美国,我国从20世纪80年代开始引进卷材涂料和涂装技术。20世纪90年代末,在中国开始兴起彩板的消费和生产,其增长势头异常迅猛,到2003年底,124家企业建成涂层机组169d,产能达874万t。粉涂装置处在一个强大的静电场下,粉末旋转刷产生涂料粉末云,粉末云的固体涂料颗粒带有很高的电荷,其飞向高速运行的基板,产生足够大的边界穿透力,粉末颗粒便均匀地沉积在带钢表面。目前,全世界有5条粉末涂料彩涂线,其涂装带钢宽度达1300mm,机组工艺速度100m/min。国内还没有真正意义上的粉末卷材涂装线,随着国家对环保要求的严格以及性 价比考虑,卷材涂装粉末化将逐渐为人们所认识,并成为卷材涂装的发展趋势。

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