0引言
粉末涂料的成膜依靠熔融狀態(tài)下樹脂的流動(dòng)并相互粘連而成，熔體黏度高，限制了其自由流動(dòng)，流平效果稍差，有輕微橘皮產(chǎn)生。改善粉末涂料流平性，形成外觀良好的涂膜，一直是粉末涂料界所關(guān)注的重點(diǎn)。因此，探討影響粉末涂料流平性因素，優(yōu)化配方設(shè)計(jì)，改進(jìn)設(shè)備和施工工藝，改善粉末涂料涂膜的外觀，具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。
1流平機(jī)理
粉末涂料是一無溶劑的均勻體系，必須熔融后才能附著在被涂物上面，流平后固化成膜，一般需要經(jīng)過三個(gè)過程[1]：
(1)從單獨(dú)的粉末顆粒，聚集成為一層連續(xù)的、不平整的膜，此過程稱為聚集過程；
(2)從連續(xù)不平整的表面流淌形成較為光滑與平整的表面，即流平過程；
(3)熔融的涂液通過交聯(lián)反應(yīng)，黏度不斷提高，最后固化為堅(jiān)硬的涂膜，稱為固化過程。
流平過程所需要的時(shí)間描述可采用Nix方程和Orchand關(guān)系式來表示[2]：
A、融結(jié)階段：t=f(η×Re/r)(1)
式中：t?時(shí)間；η?涂料的熔融黏度；Re?涂料顆粒平均曲率半徑；r?表面張力；
B、流平階段：
式中：△t?流平時(shí)間；λ?兩峰間距離；η?熔融黏度；an/at?流平前后峰高之比；r?表面張力；x?涂層厚度。
從式(1)、(2)中可以看出：影響粉末涂料流平的因素主要是樹脂的熔融黏度、表面張力、顆粒粒徑、涂層厚度、固化溫度與時(shí)間等，下面就這些因素進(jìn)行討論。
2影響粉末涂料流平性因素
2.1涂料樹脂
粉末涂料樹脂的玻璃化溫度、熔融溫度決定了粉末涂料的流動(dòng)性能與貯存穩(wěn)定性，這與相對分子質(zhì)量及其分布有關(guān)。要獲得較好的涂膜，樹脂的相對分子質(zhì)量分布越窄越好。相對分子質(zhì)量分布過寬意味著存在相對分子質(zhì)量過小或過大的樹脂，不能與涂料的其他組分很好地相融，在這樣的條件下高溫烘烤時(shí)，涂層間的混融性不好，涂層的表面張力就達(dá)不到平衡，微粒間的作用力將產(chǎn)生排斥或收縮的運(yùn)動(dòng)，而熔融流動(dòng)時(shí)間是有限的，它們之間不可能有充分的流平時(shí)間，隨著涂層的固化，涂膜表面會(huì)出現(xiàn)縮孔、橘皮等缺陷。因此，應(yīng)選擇熔融黏度低、粉末涂料膠化時(shí)間長、熔融水平流動(dòng)性大的樹脂；但是從涂膜物理機(jī)械性能來說，流平時(shí)間短而交聯(lián)固化時(shí)間長的機(jī)械性能較好，二者應(yīng)兼顧。另外聚酯粉末產(chǎn)品在貯存過程中容易結(jié)塊，噴涂時(shí)易出現(xiàn)流掛、橘皮、針孔等現(xiàn)象，這是由于聚酯樹脂玻璃化溫度(Tg)不適合所致。生產(chǎn)實(shí)踐檢驗(yàn)，聚酯樹脂Tg控制在50～65℃范圍內(nèi)，既能保證涂層豐滿，有良好的流平性，也能使粉末涂料在40℃以下貯存4～6個(gè)月不結(jié)塊，具有一定的穩(wěn)定性。
2.2流平劑
流平劑是對于得到平整涂膜外觀不可缺少的成分。流平劑均勻地分散到粉末涂料中，粉末靜電噴涂到工件烘烤固化時(shí)，它能降低涂料系的黏度及表面張力，使熔融涂料在未固化前增加流動(dòng)性，并在涂料熔融流動(dòng)過程中經(jīng)表面遷移，逐漸由分子內(nèi)部部分地遷移到涂膜表面而形成一單分子層，使整個(gè)表面增加了定向分子結(jié)構(gòu)的密度，使涂膜表面平整、光滑，避免成膜過程中形成縮孔。丙烯酸酯流平劑的用量對A90162SF75粉末涂料外觀的影響如表1所示。
表1流平劑的用量對涂膜流平性的影響(目測法)
從表1可知，當(dāng)配方中沒有流平劑或流平劑用量少時(shí)，涂膜流平性很差，涂膜全板縮孔或者個(gè)別縮孔，而用量在樹脂的110%以上時(shí)，可以得到無縮孔的平整涂膜。但過多加入流平劑會(huì)降低粉末涂料的貯存穩(wěn)定性，且流平劑容易浮到涂膜表面，降低涂膜的耐污染性和光澤，流平劑用量為樹脂和固化劑總質(zhì)量的1.0%～1.3%較適宜。
2.3脫氣劑
在粉末涂料中常用的脫氣劑是安息香，其在熔融狀態(tài)下具有很低的表面張力，能有效地消除粉末涂料在固化反應(yīng)時(shí)生成的小分子化合物，以及粉末中含有水分或被涂工件表面吸附的揮發(fā)物在烘烤過程中逸出形成的針孔、氣孔等缺陷。消泡機(jī)理可簡述如下[3]：首先是消泡劑和氣泡的接觸，再是消泡劑在氣泡界面上的展布，然后是消泡劑進(jìn)入氣泡或置換氣泡膜，最后是氣泡破滅。但是安息香在高溫下會(huì)變色或分解，將影響涂膜顏色，同時(shí)消泡劑用量較大雖然有良好的消泡效果，但涂膜表面會(huì)出現(xiàn)大量的魚眼紋和光澤下降等缺陷。表2為A9016SF75中安息香加入量對涂膜質(zhì)量的影響，從表中可知安息香的用量為樹脂用量的0.5%左右較理想。
表2安息香用量對涂膜的影響
注：鋁型材用A9016SF75I涂料配方，樣板涂膜厚度60～70μm。
2.4顏料
不同顏料對聚酯粉末涂料膠化時(shí)間、熔融水平流動(dòng)性的影響有明顯差別。其主要原因是不同顏料在粉末涂料體系中的分散性不同，而且由于顏料吸油量、化學(xué)結(jié)構(gòu)的差異，使得它們對粉末涂料的熔融黏度和化學(xué)反應(yīng)活性也有不同的影響，使粉末涂料膠化時(shí)間和熔融水平流動(dòng)性產(chǎn)生差別。顏料用量對粉末涂料和涂膜性能也有影響。炭黑和有機(jī)顏料的吸油量大，在滿足著色力和遮蓋力的前提下，應(yīng)該盡量減少使用量，以利于涂膜外觀的改進(jìn)和產(chǎn)品成本的降低。一般情況下，顏料用量過多，粉末涂料的熔融黏度將增加，熔融水平流動(dòng)性降低，涂膜流平性變差，對涂膜耐沖擊性產(chǎn)生負(fù)面影響。但如果顏料用量不足，將使涂膜遮蓋力達(dá)不到要求。對于一些著色力強(qiáng)、遮蓋力差的有機(jī)顏料而言，必須與遮蓋力強(qiáng)的無機(jī)顏料配合使用才能得到平整性和遮蓋力均好的粉末涂膜。
2.5粉末粒徑
涂膜的表面外觀還受粉末粒子的大小及分布所影響。粒子越小，其熱容量越低，熔融所需時(shí)間也就越少，從而可較快聚結(jié)成膜進(jìn)而流平，產(chǎn)生較好的外觀；而大的粒子熔融所需時(shí)間較小粒子要長，產(chǎn)生橘皮的機(jī)率也就越大。粉末粒徑也是粉末涂料極其重要的一個(gè)質(zhì)量指標(biāo)，它影響著產(chǎn)品的外觀質(zhì)量、粉末上粉率[4]、穩(wěn)定性及機(jī)械性能等。圖1為A9016SF75鋁型材專用粉末涂料的粒徑分布圖。
圖1純聚酯A9016SF75鋁型材專用粉末涂料粒徑分布圖
從圖1可知，粉末粒徑小于10μm粉末涂料(超細(xì)粉)<10%，超細(xì)的粉末流動(dòng)性、帶電性差；粒徑大于90μm的粉末顆粒3%，粒徑太大，涂膜的外觀質(zhì)量下降，橘皮嚴(yán)重，粉末涂料的粒徑控制在20～80μm較適合靜電噴涂的要求。
2.6烘烤固化
粉末固化成膜工藝，是指因靜電而吸附在工件表面的粉末，通過固化處理而轉(zhuǎn)變成符合質(zhì)量要求的涂膜工藝。工件在固化過程中需經(jīng)過升溫、保溫、冷卻三個(gè)階段，在烘烤固化溫度條件下，控制熔融流平的時(shí)間應(yīng)長些，熔融水平流動(dòng)性大的較好，有利于粉末涂層的流平，烘烤升溫過快，固化時(shí)間太短，流平差都會(huì)導(dǎo)致橘皮明顯。但是就涂膜物理機(jī)械性能而論，膠化時(shí)間短的性能較好，不過涂膜流平性相應(yīng)要差一些。圖2為安塑材料有限公司(鋁型材)的生產(chǎn)爐溫控制曲線(采用Data爐溫檢測儀檢測)，使用A9016SF75鋁型材專用粉末涂料，多年實(shí)踐證明在該條件下固化的鋁型材產(chǎn)品外觀效果良好，機(jī)械性能也好。從圖2可以看出，型材從進(jìn)爐開始8min時(shí)間預(yù)熱升溫后達(dá)到固化溫度(200℃)，保持20min固化，27min后出爐，整個(gè)加溫過程30min，保證了預(yù)熱溫度和時(shí)間及固化溫度和時(shí)間，確保鋁型材涂膜外觀及機(jī)械性能。
圖2爐溫曲線分布圖
圖2爐溫曲線分布
3結(jié)語
粉末涂料的流平性受流平助劑、成膜樹脂的結(jié)構(gòu)和固化機(jī)理影響。提高粉末涂料的流平效果，生產(chǎn)應(yīng)用中常采用添加適當(dāng)?shù)牧髌街鷦x用低熔融黏度的樹脂體系，增大涂層的表面張力，提高涂膜固化溫度，延長固化時(shí)間，增加涂層的厚度，減小粉末顆粒粒徑等措施。但粉末涂料流平性的機(jī)理比較復(fù)雜，影響涂料流平性的因素也較多，有些因素是相互矛盾相互制約的，需要綜合考慮，在保證涂膜的機(jī)械性能的基礎(chǔ)上，盡可能獲得流平性能優(yōu)異的涂膜。
獲獎(jiǎng)鋼結(jié)構(gòu)企業(yè)個(gè)人專訪錄
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