摘要
摘 要：本文通過(guò)對(duì)比不同鈦白粉及其用量、不同聚酯樹(shù)脂、不同填料、不同顏料分散劑等對(duì)低溫固化高光粉末涂料涂膜外觀、白度和表面缺陷的影響及改善作用。通過(guò)調(diào)整和優(yōu)化配方，改善鈦白粉在低溫固化高光粉末涂料中的潤(rùn)濕分散性，旨在制備得到涂膜白度符合客戶要求、抗干擾性良好、表面無(wú)明顯缺陷(縮孔、針眼等)，耐沖擊、抗彎曲、耐老化、耐鹽霧等性能滿足GB/T 5237.4-2017鋁型材要求的低溫固化白色高光粉末涂料，從而為生產(chǎn)提供理論基礎(chǔ)和試驗(yàn)依據(jù)，以供借鑒。
0 引言
涂料是指涂布于物體表面在一定的條件下能形成薄膜而起保護(hù)、裝飾或其他特殊功能(絕緣、防銹、防霉、耐熱等)的一類液體或固體材料，在人們的日常生活、社會(huì)生產(chǎn)、國(guó)家工業(yè)化進(jìn)程中有廣泛且不可替代的應(yīng)用。粉末涂料不同于傳統(tǒng)油漆涂料，是一種100%固體分、不含VOC排放的涂料，具經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、高效、性能卓越等特點(diǎn)，而被公認(rèn)是綠色環(huán)保涂料，是涂料業(yè)發(fā)展和研究的四大方向之一[1]。據(jù)中國(guó)化工學(xué)會(huì)粉末涂料協(xié)會(huì)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年聚酯/TGIC型粉末涂料占粉末涂料的27.0%，占純聚酯體系粉末涂料的67.8%，在耐候型的純聚酯固化體系中占有絕對(duì)的支配地位。粉末涂料是烤漆涂料中的一種，需要在高溫下烘烤熔融流平和固化成膜，普通常規(guī)TGIC固化粉末涂料的成膜固化溫度均在200~220 ℃之間，烘烤時(shí)間約為10~30 min，這樣高溫長(zhǎng)時(shí)間的烘烤固化條件要求，導(dǎo)致粉末涂料固化時(shí)較高的能源消耗，并不節(jié)能，同時(shí)也限制了粉末涂料在熱敏底材中的應(yīng)用，因此，低溫TGIC固化粉末涂料既可降低能耗又能拓展粉末涂料的應(yīng)用領(lǐng)域，是粉末涂料的重點(diǎn)發(fā)展方向之一[2]。
白色粉末涂料是用量最大的品種，但由于其白度L值高，稍有一點(diǎn)色差或缺陷就很容易被肉眼發(fā)現(xiàn)，又因影響白色的因素很多，因此白色粉末涂層的色差及表面缺陷是許多粉末涂料生產(chǎn)廠及應(yīng)用廠共同面對(duì)的難題[3]。本文通過(guò)探索、調(diào)整和優(yōu)化配方，旨在改善鈦白粉在低溫固化高光粉末涂料中的分散性，制備得到涂膜白度符合客戶要求、抗干擾性性強(qiáng)、兼容性良好、表面無(wú)明顯缺陷(如縮孔、針眼等)，耐沖擊、抗彎曲、耐老化、耐鹽霧等性能滿足GB/T 5237.4-2017鋁型材要求的低溫固化白色高光粉末涂料，從而為生產(chǎn)提供理論基礎(chǔ)和試驗(yàn)依據(jù)，以謀發(fā)展，供同行借鑒。
1 試驗(yàn)部分
1.1 試驗(yàn)材料
聚酯樹(shù)脂A、B：擎天；聚酯樹(shù)脂C：光華；異氰脲酸三縮水甘油(TGIC)：潤(rùn)德；高光硫酸鋇：豐源；沉淀硫酸鋇：山西富平；無(wú)形晶須粉、硫酸鈣：市售；流平劑、光亮劑：寧波南海；聚四氟乙烯蠟：天詩(shī)蠟粉；安息香：寧波奉化；消泡劑：湖北萊斯；抗氧劑：華苑；附著力促進(jìn)劑：美宸；顏料分散劑A：挪邦；顏料分散劑B：祥順；顏料分散劑C：東莞蒂森；顏料分散劑D：億能；鈦白粉A~D：市售。以上原材料均為工業(yè)級(jí)。
1.2 試驗(yàn)設(shè)備及儀器
電子分析天平(BWS-n)：佰倫斯；雙螺桿擠出機(jī)(GSJ-30E)、ACM磨粉機(jī)(ACM-05F)：煙臺(tái)三立機(jī)械；激光粒度分析儀(BT-9300SE)：丹東百特儀器；靜電噴槍(OptiFlex 2)：廣東南海華美涂裝廠；恒溫干燥箱(101-3AS)：康恒儀器；涂層膜厚儀(QNIX 4500)：德國(guó)尼克斯；光澤儀(WGG60-Y4 MN60)：科仕佳；沖擊試驗(yàn)機(jī)(QJL)：天津市精科材料試驗(yàn)機(jī)廠；圓柱彎曲試驗(yàn)儀(BGD564)：標(biāo)格達(dá)精密儀器；色差儀(Ci62)：愛(ài)色麗；氙燈老化試驗(yàn)箱(Q-LAB Q-SUN Xe-1)、鹽霧腐蝕試驗(yàn)箱(Q-LAB SSP600)：翁開(kāi)爾。
1.3 粉末涂料及涂層制備
按照表1配方進(jìn)行配料。
按照表1配方各組分稱量原材料，將物料混合均勻后經(jīng)雙螺桿擠出機(jī)熔融混煉擠出，隨后冷卻、壓片、破碎，將其片料利用ACM磨粉機(jī)研磨、分級(jí)、篩選，獲得粒徑分布均勻的粉末涂料。利用靜電噴槍進(jìn)行噴涂，電壓控制在60 kV，氣壓控制在1.0×105~1.5×105pa之間為方便測(cè)試各項(xiàng)性能，噴涂時(shí)底材選用150×75×0.5 mm的標(biāo)準(zhǔn)鋁板，噴涂膜厚控制在80~100 μm。噴涂完成后將鋁板放置在電熱恒溫干燥箱內(nèi)進(jìn)行烘烤固化，條件為：15 min@170 ℃，固化完全后測(cè)試涂層膜厚、光澤，目視涂膜外觀，表面是否存在縮孔、針眼等缺陷，并對(duì)涂膜進(jìn)行耐沖擊性、抗彎曲性、色差等測(cè)試項(xiàng)目。
1.4 測(cè)試與表征
2 結(jié)果分析與討論
2.1 不同鈦白粉及其用量對(duì)涂膜外觀及性能的影響
鈦白粉又稱二氧化鈦，因其優(yōu)異的白度、穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)、較強(qiáng)的遮蓋力以及較高的折射率等性質(zhì)，成為認(rèn)可度最高的白色顏料，被廣泛應(yīng)用于涂料、油墨、塑料、造紙等行業(yè)中[4]。鈦白粉屬多晶型化合物，主要包括銳鈦型、金紅石型、板鈦型等。金紅石型相對(duì)于銳鈦型，其晶格由兩個(gè)二氧化鈦分子組成，而銳鈦型則是由四個(gè)二氧化鈦分子組成，因此金紅石型晶格較小且緊密，具有較好的穩(wěn)定性和相對(duì)密度。故本探索試驗(yàn)選擇金紅石型鈦白粉，并對(duì)不同廠家的鈦白粉及其用量進(jìn)行了篩選和優(yōu)化。
2.1.1 鈦白粉的選擇及優(yōu)化
影響鈦白粉著色力和遮蓋力的因素主要包括：粒度、包膜方式、包膜物質(zhì)、配方體系等，其表面改性處理可分為有機(jī)處理和無(wú)機(jī)處理。有機(jī)處理一般包括物理吸附和化學(xué)吸附，目的都是為了改進(jìn)鈦白粉的分散性和潤(rùn)濕性。不同廠家的鈦白粉對(duì)低溫固化白色高光粉末涂料涂膜外觀及性能的影響見(jiàn)表3。
由表3可知，不同廠家的鈦白粉所制備涂膜光澤分別為96.2、95.8、93.7、95.3，相差不大。鈦白粉A、C所制備涂膜流平、沖擊較差，色差較大。鈦白粉B、D所制備涂膜流平、沖擊較好，其中，鈦白粉D所制備涂膜縮孔較少，且色差最小。4組試驗(yàn)板共同點(diǎn)為脫氣不完全，導(dǎo)致涂膜表面針眼較多。因?yàn)榈蜏毓袒勰┩苛象w系，聚酯樹(shù)脂的反應(yīng)活性較高，在烘烤固化時(shí)反應(yīng)速度較快，體系內(nèi)含有的空氣、水分和一些小分子化合物來(lái)不及揮發(fā)逃逸，針孔未得到及時(shí)消除，因此極易出現(xiàn)類似豬毛孔的弊病[5]。綜合考慮，添加鈦白粉D所制備涂膜色差最小，縮孔較少，流平、沖擊、彎曲等性能較好，故選擇鈦白粉D基于配方繼續(xù)探索鈦白粉用量對(duì)低溫固化高光粉末涂料涂膜外觀、白度及表面缺陷的影響。
2.1.2 鈦白粉用量的探索及優(yōu)化
從上述數(shù)據(jù)可以看出，不同廠家的鈦白粉，其色相、遮蓋力和著色力均有所差別。許多廠家通過(guò)對(duì)二氧化鈦進(jìn)行表面包覆處理，這樣可以有效改善其自身的缺陷，提高產(chǎn)品的應(yīng)用性能[6]。在白色粉末涂料配方體系中，鈦白粉添加量一般為28%~30%，不同鈦白粉用量對(duì)低溫固化高光粉末涂料涂膜外觀及性能的影響見(jiàn)表4。
由表4可知，不同鈦白粉用量所制備涂膜光澤分別為96.9、96、95、93，隨著鈦白粉用量的增加，涂膜光澤略有下降，在同膜厚的情況下，涂膜表面遮蓋力變強(qiáng)，色差變小，沖擊、折彎性能有所提高，但表面縮孔變多，流平變差。當(dāng)鈦白粉用量為34%時(shí)，色差最小，但涂膜流平較差，且針眼較多，脫氣不完全，實(shí)測(cè)光澤雖為96.3，但目視無(wú)高光鏡面感，表面存在失光現(xiàn)象。鈦白粉用量為32%時(shí)，除色差稍大外，其所制備涂膜表面平整、無(wú)失光現(xiàn)象，且流平、沖擊、折彎等性能較好。本試驗(yàn)為實(shí)驗(yàn)室探索試驗(yàn)，因此鈦白粉可暫定34%用量，后續(xù)重點(diǎn)解決表面縮孔、針眼缺陷，進(jìn)一步改善沖擊、折彎等問(wèn)題。
2.2 聚酯樹(shù)脂的選型和優(yōu)化
聚酯樹(shù)脂是粉末涂料的主要成膜物質(zhì)，對(duì)粉末涂料的性能起著決定性作用，樹(shù)脂的酸值、分子量、官能度、黏度和玻璃化溫度等物性參數(shù)共同決定著聚酯及粉末涂層的性能以及加工性能和儲(chǔ)存穩(wěn)定性[7]。戶外耐候型低溫固化用聚酯樹(shù)脂多為端羧基聚酯樹(shù)脂，目前固化體系可分為聚酯/TGIC和聚酯/HAA兩大固化體系，而聚酯/HAA體系在交聯(lián)固化時(shí)會(huì)產(chǎn)生水分子，若脫氣效果不理想，厚涂時(shí)涂膜表面會(huì)出現(xiàn)豬毛孔等弊端，因此選擇聚酯/TGIC體系作為基礎(chǔ)配方體系。不同聚酯樹(shù)脂性能指標(biāo)以及所制備涂膜各對(duì)比數(shù)據(jù)如表5。
由表5可知，不同聚酯樹(shù)脂所制備涂膜光澤分別為94.9、95、96，差別不大，表面縮孔均較少。聚酯樹(shù)脂A、C所制備涂膜流平、沖擊較差，色差較大。聚酯樹(shù)脂B所制備涂膜色差較小，流平較好，因反應(yīng)速度相對(duì)較慢，故涂膜表面脫氣良好，針眼較少,樹(shù)脂抗干擾性良好，兼容性較強(qiáng)；并且，酸值較高，與固化劑反應(yīng)更充分，交聯(lián)密度更高，故沖擊、折彎等性能較好。綜合考慮，選擇聚酯樹(shù)脂B繼續(xù)進(jìn)行探索試驗(yàn)。
2.3 填料的選擇和對(duì)比
配方設(shè)計(jì)中，為加強(qiáng)涂料的顏色遮蓋力并進(jìn)一步提高涂料的性價(jià)比，會(huì)添加較多的顏填料，如在薄涂型白色粉末涂料中加人30%的二氧化鈦,在砂紋型粉末涂料中添加50%的填料等[8]。不同類型的填料，其結(jié)構(gòu)和物理性能也不同，對(duì)涂料性能的影響差別也很大；隨著填料加工、合成與應(yīng)用技術(shù)的進(jìn)步，誕生了各種功能性填料[9]。不同填料所制備涂膜各對(duì)比數(shù)據(jù)如表6。
由表6可知，不同填料所制備涂膜光澤分別為94.7、91、95、93.5，差異不大。在粉末涂料配方體系中，常用填料包括硫酸鋇、碳酸鈣、硅微粉、滑石粉、硅灰石等。硫酸鋇因優(yōu)越的光學(xué)性能、良好的分散性和較好的吸附性等優(yōu)點(diǎn),使其在催化、醫(yī)藥、非線性材料及新材料等方面具有廣闊的應(yīng)用前景[10]。上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，添加高光硫酸鋇和沉淀硫酸鋇所制備涂膜流平較好，表面縮孔和針眼均較少，沖擊、彎曲性能較好，且色差較小。添加無(wú)形晶須粉和硫酸鈣所制備涂膜光澤略低，有消光作用，流平較差，沖擊、彎曲等性能較差，縮孔和針眼較多，后者所制備涂膜色差雖較小，但表面有砂粒。綜合考慮，選擇沉淀硫酸鋇繼續(xù)進(jìn)行探索試驗(yàn)。
2.4 顏料分散劑的對(duì)比及優(yōu)化
顏料主要是以聚集體、凝聚體或絮凝體等形態(tài)存在,如果顏料顆粒粗且粒徑分布不均勻,將會(huì)導(dǎo)致顏料的顏色亮度和鮮艷度較差；顏料作為著色劑,只有均勻、穩(wěn)定地分散在介質(zhì)中,才能很好的發(fā)揮其著色作用[11]。鈦白粉在白色配方體系中添加量較大，分散不均會(huì)導(dǎo)致涂膜出現(xiàn)縮孔和針眼缺陷，添加顏料分散劑可以降低體系黏度，提高鈦白粉在混煉熔融時(shí)的潤(rùn)濕和分散性。表7為不同顏料分散劑對(duì)涂膜外觀及性能的影響。
由表7可知，顏料分散劑A、B、C、D所制備涂膜光澤分別為92.5、95、95.7、92.5，差異不大，表面縮孔和針眼缺陷均有所改善，且涂膜的L值均有所提高，說(shuō)明對(duì)鈦白粉起到很好的潤(rùn)濕和分散作用。分別添加顏料分散劑A、B所制備涂膜色差較大，沖擊、彎曲等性能較差。分別添加顏料分散劑C、D所制備涂膜色差較小，沖擊、彎曲等性能較好，尤其是添加顏料分散劑D所制備涂膜無(wú)明顯縮孔，脫氣良好，表面極少針眼，光澤透亮，鏡面感強(qiáng)。數(shù)據(jù)表明，顏料分散劑在此配方體系中發(fā)揮著非常重要的作用，分散體系的穩(wěn)定能避免諸多的涂料問(wèn)題及漆膜弊病，如果配方合理，適量地添加分散劑能夠有效降低成本，改善涂料性能[12]。因此綜合考慮，添加顏料分散劑D后所制備的涂膜綜合性能最佳。
2.5 涂膜綜合性能對(duì)比
通過(guò)上述優(yōu)化和篩選各組份原材料，所制備的鋁型材低溫固化白色高光粉末涂料與市面上的普通白色高光聚酯粉末涂料各項(xiàng)性能對(duì)比數(shù)據(jù)如表8所示。
由表8可知，本試驗(yàn)制備的低溫固化白色粉末涂料與普通聚酯粉末涂料相比，固化溫度更低，除表面輕微針眼外，其余性能如沖擊、彎曲、耐老化、耐鹽霧等性能無(wú)明顯差別，基本滿足GB/T 5237.4-2017鋁型材要求。
3 結(jié)語(yǔ)
本文通過(guò)探索、優(yōu)化及調(diào)整配方，所制備的低溫固化白色高光粉末涂料在15 min@170 ℃烘烤固化條件下，所制備的涂膜白度符合客戶要求，光澤透亮，鏡面感強(qiáng)，表面無(wú)縮孔、針眼等缺陷，抗干擾性較強(qiáng)，經(jīng)測(cè)試，耐沖擊、抗彎曲、耐老化、耐鹽霧等性能良好，滿足GB/T 5237.4-2017鋁型材要求。在白色粉末涂料配方中，主要顏料為鈦白粉，添加量較大，分散較為困難，極易出現(xiàn)縮孔和針眼弊病。不同廠家的鈦白粉，其色相、遮蓋力和著色力均有所差別。經(jīng)過(guò)篩選對(duì)比，添加34%鈦白粉D所制備涂膜白度符合客戶要求。聚酯樹(shù)脂是粉末涂料的主要成膜物質(zhì)，對(duì)粉末涂料的性能起著決定性作用，數(shù)據(jù)表明，聚酯樹(shù)脂B所制備涂膜白度符合客戶要求，綜合性能最佳。填料是粉末涂料配方組成中的重要部分，硫酸鋇是最常用的填料類型，粒徑較為均勻的特性賦予了沉淀硫酸鋇良好的細(xì)度、白度和分散性等優(yōu)秀性能[13]，所制備涂膜白度符合預(yù)期目標(biāo)，綜合性能佳。顏料的分散過(guò)程由潤(rùn)濕、分散、穩(wěn)定3個(gè)步驟組成，顏料分散劑可以加快潤(rùn)濕的過(guò)程，對(duì)顏料粒子的穩(wěn)定起到關(guān)鍵作用[12]。添加顏料分散劑D所制備涂膜白度符合客戶要求，表面脫氣良好，極少針眼，光澤透亮，鏡面感強(qiáng)，綜合性能最佳。
參考文獻(xiàn)：
[1] 應(yīng)明友,家用電器用低溫HAA固化粉末涂料用聚酯樹(shù)脂.浙江省,浙江傳化天松新材料有限公司,2022-09-23.
[2] 應(yīng)明友,工程機(jī)械用低溫TGIC固化粉末涂料用聚酯樹(shù)脂.浙江省,浙江傳化天松新材料有限公司,2022-09-23.
[3] 孫賢斌,湯維長(zhǎng).白色粉末涂層的色差淺析[J].涂料工業(yè),2003,(03):22-23.
[4] 劉祥海，孫永貴.我國(guó)鈦白粉生產(chǎn)現(xiàn)狀和發(fā)展探究[J].中國(guó)有色冶金，2018，47(3)：43-46，52.
[5] 南仁植，魏育福.粉末涂料與涂裝技術(shù)[M].第四版.北京.化學(xué)工業(yè)出版社.2022年1月
[6] 劉曉玉,李守陽(yáng),肖菲,等.聚酯樹(shù)脂涂料用金紅石型鈦白粉的表面改性及性能研究[J].涂料工業(yè),2024,54(01):44-49.
[7] 許國(guó)徽,潘建榮,王喜,等.超柔性后沖折環(huán)保體系用聚酯樹(shù)脂的研究[C]//中國(guó)化工學(xué)會(huì)涂料涂裝專業(yè)委員會(huì).2017中國(guó)粉末涂料與涂裝行業(yè)年會(huì)論文集.浙江光華材料科技有限公司.2017:4.
[8] 錢勇,吳君毅,魏建華.PVDF粉末涂料中顏填料分散的表征方法[J].涂料技術(shù)與文摘,2015,36(11):13-18.
[9] 楊金珠,劉際平,林琳藝.一種超高硬度粉末涂料的研究[J].2023中國(guó)粉末涂料與涂裝第一期.
[10] 曹澤眾.可控粒徑硫酸鋇顆粒的制備工藝研究[D].河北科技大學(xué),2017.DOI:10.27107/d.cnki.ghbku.2017.000012.
[11] 吳璧耀,AB嵌段型顏料分散劑及其制備方法.安徽省,安徽嘉智信諾化工股份有限公司,2016-06-08.
[12] 金逐中.顏料、分散劑的結(jié)構(gòu)及分散劑的作用[J].現(xiàn)代涂料與涂裝,2016,19(01):39-42.
[13] 王小康,鄺杰煒.重晶石和沉淀硫酸鋇的鑒別方法研究[J].廣東化工,2014,41(24):33-34.
來(lái)源：文 / 侯家樹(shù) 蔡勁樹(shù) ( 廣東華江粉末科技有限公司 )
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