摘要
摘要：生產(chǎn)啞光粉末涂料的方法多樣，在常見的單組分啞光粉末涂料中，通常是通過添消光劑進行制備，而消光劑的加入又會對粉末涂料產(chǎn)生一定的影響。在粉末涂料中添加蠟型消光劑制備啞光粉末涂料，淺析了蠟型消光劑對涂層表面效果、沖擊性能、粉末反應(yīng)速率、上粉率及儲存穩(wěn)定性的影響。
0 引言
粉末涂料相較于傳統(tǒng)的溶劑型涂料，是一種環(huán)保無毒且無溶劑揮性涂料。在國家的“十四五”規(guī)劃中就明確指出節(jié)能減排，早日實現(xiàn)“碳中和”、“碳達峰”，隨著國家對環(huán)保監(jiān)管力度的加大，粉末涂料的發(fā)展趨勢也將日趨明顯。粉末涂料應(yīng)用廣泛，在工程機械、5G設(shè)備、家電領(lǐng)域、汽車領(lǐng)域等均有看到其身影，而啞光粉末涂料形成的涂層因其可將照射到涂層表面的光源散射出去，廣泛應(yīng)用于學(xué)校、醫(yī)院、賓館等需要光線柔和、安靜、舒適和幽雅的環(huán)境里，在門窗、天花吊頂及鐵制或鋁制家具等均有應(yīng)用。
1 消光劑種類及消光原理
粉末涂料的消光原理，是通過化學(xué)或者物理的方法破壞涂膜的均一性和連續(xù)性，使得涂膜微觀上呈現(xiàn)出粗糙效果，當(dāng)光照射到涂層表面上時則會產(chǎn)生漫反射和散射，從而使涂層表現(xiàn)出較低的光澤。一般而言，物理消光主要是通過添加無機填料、硬脂酸鹽、蠟粉、合成樹脂類等來增加涂膜表面微觀的粗糙度，從而達到消光目的。而在粉末涂料中常用的蠟型消光劑有聚乙烯蠟、聚丙烯蠟、聚乙烯/丙烯共聚物蠟、改性聚乙烯蠟、改性脂肪族酰胺蠟等[1]。通過化學(xué)消光主要是添加IPN(兩種或兩種以上的共混聚合物)消光劑、消光固化劑、混合反應(yīng)速度差異較大的樹脂或固化劑(比如高低羥值共擠消光)、不同固化速度的粉末干混等方法，使得涂膜表面產(chǎn)生微觀的粗糙達到消光。其中不同反應(yīng)速度的粉末干混得到消光涂層是近些年逐漸發(fā)展起來的技術(shù)，由于該方法得到的粉末涂層消光效果穩(wěn)定、重現(xiàn)性好、戶外耐候性優(yōu)異以及價格適中而備受下游市場和消費者的青睞。但是，干混消光也有一定的缺陷，即較難達到消光劑的消光效果，比如光澤、流平和細膩度，這三者也很難同時達到令人滿意的效果。而通過消光劑生產(chǎn)出的啞光粉末涂料也有一定的不足，如消光劑的加入對沖擊性能、儲存穩(wěn)定性等有一定的降低作用，消光劑的加入烘烤時冒煙等。
2 實驗部分
2.1 原材料
羧基聚酯樹脂：神劍；TGIC固化劑：黃山錦峰；沉淀硫酸鋇：富平；高光鋇：鴻匯；低光鋇：貴祥；流平劑：寧波南海；光亮劑：寧波南海；蠟粉：天詩蠟粉；脫氣劑：揚凡化工；抗氧劑：圣萊科特；消光劑：捷通達；顏料：卡博特。以上材料均為工業(yè)級。
2.2 設(shè)備
雙螺桿擠出機，煙臺三立機械GSJ-30E；ACM磨粉機，煙臺三立機械A(chǔ)CM-05F；激光粒度分析儀，珠海歐美克儀器LS-POP(6)；靜電噴槍，廣東南海華美涂裝廠KCF-201；恒溫干燥箱，康恒儀器101-9245A；膜厚儀，德國尼克斯QNIX4500；光澤儀，科仕佳WGG60-Y4 MN60；恒溫恒濕箱，東莞偉煌試驗設(shè)備公司W(wǎng)HTH-150L-20-880；凝膠測試儀，三豐精密量儀(廣東)公司QT-110。
2.3 實驗基礎(chǔ)配方
單組分啞光粉末涂料基礎(chǔ)配方見表1。
2.4 單組分啞光粉末涂料制備步驟
按配方將羧基聚酯樹脂、填料、助劑、顏料等稱好，將稱好的原材料進行預(yù)混，預(yù)混好的原材料用雙螺桿擠出機以105~120 ℃的溫度進行混煉擠出，后經(jīng)壓片輥壓片，經(jīng)風(fēng)冷冷卻后用磨粉機磨成粉末，將磨好的粉末涂料用靜電噴槍(氣壓1~1.5 bar，電壓60~70 kV)噴涂于150 mm × 75 mm× 0.5 mm的鋁板，置于200 ℃的恒溫烘箱中固化10 min，之后將完全固化的涂層進行性能測試。
3 實驗結(jié)果與討論
3.1 蠟型消光劑對涂層表面效果的影響
不同的消光劑消光能力各有不同，眾所周知，在單組分啞光粉末涂料中，消光劑的加入對涂層較為顯著的影響為涂層的光澤，其次直觀的表現(xiàn)是對流平的影響，印證實驗方案及結(jié)果如下：
由實驗結(jié)果可知，隨著消光劑用量的增加，光澤變化呈先降低后升高的趨勢。蠟型消光劑的消光機理是通過與成膜物質(zhì)相容性不好的物理作用，粉末涂料在熔融固化過程中消光劑熔融析出于涂層表面，以及蠟型消光劑自身的快速反應(yīng)，其反應(yīng)不影響樹脂和固化劑的反應(yīng)，使得涂層微觀上形成粗糙效果，當(dāng)有光線照向涂層時則會形成漫反射，涂層由此形成啞光效果[1]。隨著消光劑用量的增加，平整的涂層變得粗糙，且粗糙面積隨著消光劑用量增加而增大，涂層的光澤也隨之降低。在消光劑加到一定量后繼續(xù)添加消光劑，涂層的光澤不再繼續(xù)降低，反而出現(xiàn)變高現(xiàn)象，過多的消光劑加入，粉末在熔融固化過程中消光劑析出布滿涂層，相對于添加適量消光劑的涂層而言，其粗糙度相對差一些，光澤也就高一些。因此在使用蠟型消光劑消光時應(yīng)注意其用量，不宜用量過大，否則將達不到理想效果。
消光劑的加入對涂層的流平有一定的影響，當(dāng)加入的消光劑較少時對涂層的流平影響較小，此時涂層的變化較難用肉眼區(qū)分出差異；當(dāng)加入較多的消光劑時，由于消光劑與粉末熔融后表面張力的不同，以及消光劑對粉末涂料熔融流平過程的阻滯作用，反映到涂層宏觀效果上常常表現(xiàn)出橘皮現(xiàn)象。如下圖所示，圖2為正常消光劑用量得到的涂層，表面平整細膩，在正常用量的基礎(chǔ)上稍微再增加消光劑用量，涂層則表現(xiàn)出了輕微橘皮現(xiàn)象(如圖3)，再過多的增加消光劑用量，涂層出現(xiàn)了明顯的橘皮(如圖4)，與正常涂層相比，其平整度明顯降低。通過測試熔融斜流長也再次印證了隨著蠟型消光劑用量的增加，粉末的流平受到了阻滯，涂層表面會變差。因此在使用蠟型消光劑進行生產(chǎn)時應(yīng)注意其用量，避免造成涂膜流平差的問題。
由實驗結(jié)果可知，消光劑的加入對涂層的沖擊性能呈負相關(guān)。粉末在熔融固化過程中，消光劑沒能及時完全析出，樹脂與固化劑就已經(jīng)固化，這使得部分消光劑嵌于涂層之間。另一方面，在熔融的過程中消光劑部分包覆、阻隔樹脂或固化劑，對交聯(lián)固化有一定的阻礙作用，微觀上分子交聯(lián)的鏈不能連續(xù)，反映到宏觀上涂層間斷，在進行耐沖擊測試時，常表現(xiàn)出開裂現(xiàn)象，隨著消光劑的量不斷增多，這種現(xiàn)象愈加明顯。
3.3 蠟型消光劑對反應(yīng)速率的影響
反應(yīng)速率即樹脂與固化劑反應(yīng)的快慢。為了較為直觀的反映樹脂與固化劑反應(yīng)的快慢，本實驗測試了凝膠膠化時間這一變量，測試方法為：凝膠膠化儀溫度設(shè)180 ℃，將粉末涂料置于膠化儀中攪拌至完全熔融開始計時，熔融后不斷攪拌并拉絲，直至不可拉絲，記下此刻時間即為膠化時間。實驗結(jié)果如下：
實驗結(jié)果表明，蠟型消光劑的加入對樹脂的交聯(lián)固化反應(yīng)時間影響較小，隨著消光劑的加入膠化時間沒有出現(xiàn)明顯的波動，且隨著消光劑用量的增加，膠化時間依舊波動較小。
3.4 蠟型消光劑對上粉率的影響
上粉率對于一款合格的粉末涂料來說是一項重要的指標之一，良好的上粉率保證了粉末涂料能夠均勻地噴涂在工件上，同時也降低了客戶回收粉的量。本實驗測試上粉率的方法為：將50 g粉噴于150 mm×75 mm×0.5 mm的鋁板上，之后用電子分析天平稱量出鋁板上粉的質(zhì)量，再計算出上粉率(鋁板與噴槍之間的距離為15 cm，噴槍氣壓為1 bar，電壓60 kV)。實驗結(jié)果如下：
實驗結(jié)果表明，隨著消光劑用量的增加上粉率變化沒有出現(xiàn)較大的波動，這表明蠟型消光劑的加入對粉末的帶電以及靜電噴涂影響較小。一般來說，一次上粉率正常在60%以下，當(dāng)工件存在凹槽或畸形等情況時上粉率通常在30%以下。由實驗結(jié)果可知消光劑的加入對上粉率影響較小，且加入消光劑后粉末的上粉率仍處于正常水平。
3.5 蠟型消光劑對儲存穩(wěn)定性的影響
儲存穩(wěn)定性對于粉末涂料來說至關(guān)重要，良好的儲存穩(wěn)定性保證了粉末涂料在夏日運輸或存放期間不發(fā)生結(jié)團，避免造成噴粉時堵槍，影響上粉率。粉末的結(jié)團狀態(tài)能夠較為直觀、快速地反映其儲存穩(wěn)定性。稱取120 g粉末涂料密封好放入恒溫恒濕箱中，在相對濕度90%、溫度40 ℃環(huán)境中放置2 h，之后取出查看結(jié)團情況。實驗結(jié)果如下：
由實驗結(jié)果可知，蠟型消光劑的加入降低了粉末涂料的儲存穩(wěn)定性，且隨著用量的增加儲存穩(wěn)定性越差。如圖5所示，在消光劑用量正常的范圍內(nèi)，通過儲存穩(wěn)定性的測試，粉末涂料在相對濕度90%、溫度40 ℃環(huán)境中放置2 h后只是出現(xiàn)了微微結(jié)團的現(xiàn)象，消光劑用量稍多的情況下，則出現(xiàn)了較為明顯的大結(jié)團(如圖6所示)，當(dāng)消光劑用量過多時，粉末涂料結(jié)團變得更大甚至完全結(jié)團(如圖7所示)，由此可以看出，蠟型消光劑的加入對粉末涂料儲存穩(wěn)定性影響極大。朔其原因，消光劑的加入使得粉末涂料中某些物質(zhì)的熱運動加速，親和力和凝聚力增強，從而使粉末涂料出現(xiàn)結(jié)團的現(xiàn)象。因此，為了防止粉末涂料結(jié)團，通常是通過外加氣相二氧化硅的方法解決。
4 結(jié)語
使用蠟型消光劑制備聚酯啞光粉末涂料，隨著消光劑用量的增加，涂膜光澤降低，過多消光劑的加入會使得涂膜流平變差。蠟型消光劑的加入對涂層的沖擊性能有一定的影響，隨著加入量的增大，沖擊性能變差，蠟型消光劑對粉末涂料的反應(yīng)速率和上粉率影響較小，對儲存穩(wěn)定性影響較大。
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