復(fù)合無(wú)機(jī)粉體在粉末涂料中的應(yīng)用
分類：技術(shù)文檔 來(lái)源：江蘇蘭陵高分子材料有限公司 發(fā)布時(shí)間：2023-09-28
摘要：硅微粉是一種綜合性能極佳的粉末涂料用功能性填料，但因其莫氏硬度高、對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的磨損大而限制了其規(guī)?；瘧?yīng)用。通過(guò)選定提純后的礦粉復(fù)配、熔融等工藝制備出一種不損傷涂料加工設(shè)備、莫氏硬度較低的復(fù)合無(wú)機(jī)粉體。測(cè)試了復(fù)合無(wú)機(jī)粉體的理化性質(zhì)，并介紹了其在超耐候粉末涂料、透明粉末涂料和木紋轉(zhuǎn)印粉末涂料中的應(yīng)用情況。
粉末涂料作為因無(wú)污染、省資源和高效能特點(diǎn)而發(fā)展起來(lái)的新型環(huán)保產(chǎn)品，在我國(guó)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用已有50多年的歷史了。近年來(lái)隨著國(guó)家政策對(duì)環(huán)保涂料的驅(qū)動(dòng)，更加促進(jìn)了粉末涂料的快速發(fā)展，應(yīng)用端也對(duì)粉末涂料提出了更高的指標(biāo)要求：如提高木紋轉(zhuǎn)印的清晰度、提高涂層的硬度、提升涂層的耐腐蝕性、耐老化性、耐水煮性、耐沖擊性等等。
粉末涂料工程師在提升涂料性能時(shí)往往從調(diào)整樹(shù)脂和搭配助劑的方向去解決，而忽視了從填料的方向去輔助解決。研究表明，功能粉末涂料的配制過(guò)程中，特種體質(zhì)顏料的運(yùn)用也是必不可少的，如選用得當(dāng)能夠賦予粉末涂料特殊的功效。
對(duì)粉末涂料常用體質(zhì)填料的應(yīng)用研究表明，硅微粉的綜合性能最好，其次是云母粉，滑石粉、硫酸鋇的綜合性能依次降低，受試填料中，碳酸鈣的綜合性能最差。目前，硅微粉已在重防腐、耐高溫、絕緣和阻燃等功能性粉末涂料中得以廣泛應(yīng)用，但在占市場(chǎng)份額較大的建材粉末涂料中則鮮有規(guī)?；瘧?yīng)用。這主要是因?yàn)楣栉⒎郏⊿iO2）雖然是一種硬度高、導(dǎo)熱系數(shù)低、耐高溫、絕緣和化學(xué)性能穩(wěn)定的非金屬材料，但市場(chǎng)上大多數(shù)硅微粉是經(jīng)由成本較低的物理法得到的，其莫氏硬度為7。這對(duì)于粉末涂料擠出機(jī)、磨粉機(jī)等加工設(shè)備的磨損是不容忽視的，造成其大規(guī)模應(yīng)用于建材粉末涂料領(lǐng)域會(huì)增加綜合成本而得不償失。
復(fù)合無(wú)機(jī)粉體是一種用于覆銅板的填料，現(xiàn)已大面積替代普通硅微粉用于覆銅板的制作加工，復(fù)合無(wú)機(jī)粉體的應(yīng)用得益于其特種加工工藝而降低了莫氏硬度，從而避免了普通硅微粉導(dǎo)致的覆銅板硬度增加。在后道切削加工中出現(xiàn)刀具磨損加快，同時(shí)白邊的現(xiàn)象，以及生產(chǎn)成本大幅上升等問(wèn)題。產(chǎn)品具有白度高、超純、粒徑管控優(yōu)異、電導(dǎo)率低、強(qiáng)耐候、高抗性（酸、堿、鹽霧等）、低膨脹系數(shù)、高介電常數(shù)等優(yōu)異的理化性能。
鑒于硅微粉的功能性應(yīng)用和復(fù)合無(wú)機(jī)粉體在覆銅板領(lǐng)域的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，本研究根據(jù)自身現(xiàn)有的試驗(yàn)條件，對(duì)復(fù)合無(wú)機(jī)粉體用于粉末涂料作了初步的探索性試驗(yàn)。
原材料主要有端羧基聚酯樹(shù)脂、TGIC（異氰尿酸三縮水甘油酯）、金紅石型鈦白粉、沉淀硫酸鋇、流平劑、分散劑、除氣劑、消光劑和其他戶外粉末涂料常用材料。試驗(yàn)設(shè)備包括實(shí)驗(yàn)室用雙螺桿擠出機(jī)、粉碎機(jī)、靜電粉末噴涂設(shè)備、恒溫烘箱等。采用的儀器有激光粒度儀、電子天平、鉛筆硬度計(jì)、光澤儀、漆膜沖擊器等。
1.2 復(fù)合無(wú)機(jī)粉體的制備第一階段，按照質(zhì)量百分比組成稱取原料，原料優(yōu)先選擇石英石、礬土、方解石、螢石等提純后的礦粉，混合均勻后加入高溫池窯中熔化；池窯火焰溫度為1500~1560℃，熔融液體通過(guò)流料通道流出進(jìn)行水淬，瀝水烘干，工藝流程見(jiàn)圖1。
第二階段，將烘干后的塊狀物料采用干法研磨工藝進(jìn)行研磨，后精細(xì)分級(jí)至目標(biāo)粒徑的超細(xì)粉體。即將第一階段所得檢驗(yàn)合格的原料放進(jìn)球磨機(jī)中研磨，該研磨工藝可以連續(xù)進(jìn)料和出料，也可以一次投入若干質(zhì)量原料，連續(xù)研磨若干時(shí)間后出料；出料時(shí)要經(jīng)過(guò)微粉分級(jí)機(jī)控制粒度，粗的產(chǎn)物返回磨機(jī)再磨，細(xì)的則是產(chǎn)品。干法研磨要嚴(yán)格控制物料的含水量，產(chǎn)品不再干燥。工藝流程見(jiàn)圖2。
采用和常規(guī)粉末涂料相同的加工方法，按照試驗(yàn)配方，將復(fù)合無(wú)機(jī)粉體與樹(shù)脂、助劑、顏料和其它填料進(jìn)行物理混合，然后用雙螺桿擠出機(jī)擠出，I區(qū)溫度90℃，II區(qū)溫度110℃，片料用粉碎機(jī)粉碎后，過(guò)180目篩，即得成品。用靜電噴槍將粉末涂料成品噴涂于25mm×16mm的鋼板上，樣板放置在200℃的恒溫烘箱中烘烤10min。取出鋼板后在室溫下冷卻至常溫，測(cè)試涂膜的各項(xiàng)基本性能。2.1 復(fù)合無(wú)機(jī)粉體的技術(shù)指標(biāo)及其作為通用填料的可行性市面上常見(jiàn)的硅微粉主要成分是SiO2，為白色粉末狀固體。而本研究所述復(fù)合無(wú)機(jī)粉體是通過(guò)數(shù)種礦物提純后復(fù)配、高溫熔煉、水淬成非晶態(tài)物料后經(jīng)精細(xì)研磨分級(jí)工序加工而成的。就化學(xué)組成而言，普通硅微粉中SiO2的含量大于99.0%，而本研究所述復(fù)合無(wú)機(jī)粉體中SiO2的含量在60%~70%之間，SiO2含量的下降有效降低了粉體的莫氏硬度。復(fù)合無(wú)機(jī)粉體的理化指標(biāo)見(jiàn)表1。從表1中可以看出，該粉體具有白度高、純度高、粒徑管控優(yōu)異、電導(dǎo)率低、雜質(zhì)含量少、磁性雜質(zhì)管控好等特點(diǎn)。由上所述可知，復(fù)合無(wú)機(jī)粉體不同于市面上流通的硅微粉，其莫氏硬度介于5~6；而市面上常見(jiàn)的硅微粉是由天然石英（SiO2）或熔融石英（天然石英經(jīng)高溫熔融、冷卻后的非晶態(tài)SiO2）經(jīng)破碎、球磨（或振動(dòng)、氣流磨）、浮選、酸洗提純、高純水處理等多道工藝加工而成的微粉，莫氏硬度為7；粉末涂料常用硫酸鋇的莫氏硬度為3~4。從上述3種粉體的莫氏硬度對(duì)比來(lái)看，復(fù)合無(wú)機(jī)粉體的莫氏硬度介于硅微粉和硫酸鋇之間，故其對(duì)粉末涂料生產(chǎn)設(shè)備的磨損也介于二者之間。從涂層性能改善和設(shè)備損傷方面綜合性價(jià)比考慮，該粉體能夠作為通用性填料用于粉末涂料中。
2.2 復(fù)合無(wú)機(jī)粉體在粉末涂料中的應(yīng)用
在具體試驗(yàn)當(dāng)中，我們將復(fù)合無(wú)機(jī)粉體（下稱CM粉）和硫酸鋇作對(duì)比，初步測(cè)試了其在超耐候粉末涂料體系、透明粉末涂料體系、熱轉(zhuǎn)印粉末涂料體系3個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用特點(diǎn)，并對(duì)其它領(lǐng)域的應(yīng)用結(jié)果做了一簡(jiǎn)要介紹。
2.2.1 在超耐候消光領(lǐng)域的應(yīng)用因?yàn)镃M粉的加入降低了涂層光澤，所以硫酸鋇的方案中搭配了物理消光劑DT3329-1以DSM的P6600耐候樹(shù)脂為主體樹(shù)脂，按照表2配方配制戶外消光粉末涂料并噴板。表2列舉了涂料試驗(yàn)配方和常規(guī)檢測(cè)指標(biāo)。
由表2可知，在常規(guī)超耐候配方體系中，用CM粉替換20%的硫酸鋇能夠達(dá)到2H的漆膜硬度。而全部使用硫酸鋇的方案，漆膜硬度僅為F，即CM粉能夠顯著提升漆膜的鉛筆硬度，這主要得益于CM粉體自身莫氏硬度高，從而增加了漆膜的硬度；另一方面，有鑒于無(wú)機(jī)粉體粒徑對(duì)于漆膜光澤的影響，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)CM粉體粒徑D50控制在12μm，D99控制在34μm時(shí)，20%添加量的CM粉能夠顯著降低漆膜的光澤。試驗(yàn)結(jié)果表明，其消光性能能夠達(dá)到添加1.5%DT3329-1消光劑時(shí)的同等效果，消光特性來(lái)源于精密加工設(shè)備和嚴(yán)格的分級(jí)管控。
目前粉末涂料耐候性的評(píng)估方法主要有紫外光老化、氙燈老化以及天然曝曬試驗(yàn)。研究表明，聚酯粉末涂料的失光主要是由于紫外線引起的。為了節(jié)省測(cè)試時(shí)間，本研究選用了紫外C燈進(jìn)行加速老化試驗(yàn)，相較于UVA（315~400nm）和UVB（280~315nm），UVC的波長(zhǎng)更短（100~280nm）、光子能量更高，對(duì)樹(shù)脂的破壞性更大。試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。
由圖3可以看出，添加CM粉的樣板，QUVC老化25h后仍然有>95%的保光率；而未添加CM粉并用DT3329-1消光的樣板，當(dāng)照射10h時(shí)保光率<95%，照射15h時(shí)保光率<85%，而照射25h時(shí)保光率<80%。添加20%CM粉的涂層在紫外光試驗(yàn)中保光率更好，在整個(gè)測(cè)試周期中的失光率均低于5%，明顯好于硫酸鋇與消光劑搭配的方案。自制的復(fù)合無(wú)機(jī)粉體CM有助于戶外產(chǎn)品取得更好的耐候性，可以輔助超耐候樹(shù)脂體系粉末涂料達(dá)到更高的耐候性要求。
究其原因，主要是因?yàn)镃M粉純度更高，化學(xué)穩(wěn)定性好，紫外線作用下沒(méi)有變價(jià)的金屬元素，對(duì)紫外光更加穩(wěn)定，另外形成更加致密、均一微觀結(jié)構(gòu)的漆膜輔助提升耐候性。在上述對(duì)比測(cè)試中，耐候性提升明顯，還有一個(gè)原因是CM粉因其粒徑的精細(xì)管控對(duì)漆膜有一定的消光作用，添加20%CM粉可以消光到55°左右。而全部使用消光鋇的方案必須添加物理消光劑來(lái)達(dá)到此光澤，有機(jī)鋅鹽和蠟粉復(fù)配的物理消光劑的加入也造成了紫外光測(cè)試時(shí)涂層保光率的下降。
透明粉末涂料主要用于汽車、摩托車配件、金屬工藝品等的罩光保護(hù)，透明粉末涂料配方中通常不添加硫酸鋇等填料，因?yàn)槠浼尤霑?huì)影響涂膜的透明度。為保障涂膜的高透明性和穩(wěn)定性，配方中所用填料的折射率應(yīng)盡量與樹(shù)脂的折射率接近或一致，目前合成樹(shù)脂的折射率大部分為1.43~1.48。通常，一般的無(wú)機(jī)非金屬材料的折射率都在1.5以上，而要將其折射率控制在1.43~1.48，必須對(duì)無(wú)機(jī)非金屬材料進(jìn)行特別的配方設(shè)計(jì)，來(lái)降低其折射率。
表3為采用錦藝公司自制的CM復(fù)合無(wú)機(jī)粉體與硫酸鋇作為填料的對(duì)比測(cè)試，從板面透明度來(lái)講，添加20%CM粉的透明度最佳，金屬底板清晰可見(jiàn)，略偏藍(lán)相；20%硫酸鋇對(duì)應(yīng)的樣板透明度最差，金屬基板可見(jiàn)度差，涂層為黃色渾濁態(tài)；10%的CM和10%的硫酸鋇搭配使用時(shí)，對(duì)應(yīng)樣板的透明度居中。就光澤來(lái)講，添加20%CM粉的涂膜光澤最高，這主要是因?yàn)橥磕ね该鞫雀邔?duì)入射光減損影響小，金屬基板的反射光和涂膜表面反射光產(chǎn)生疊加所致；20%硫酸鋇對(duì)應(yīng)的樣板光澤最差，這主要是因?yàn)榱蛩徜^自身有一定的著色作用，漆膜呈微黃色，光線反射過(guò)程中沒(méi)有金屬底板反射光的疊加效應(yīng)。
從上面的討論可以看出，CM粉因其折射率和樹(shù)脂接近，可用其作為填料制備透明粉末涂料，添加量多少需要根據(jù)實(shí)際情況摸索。CM粉的透明度好得益于其生產(chǎn)時(shí)的特殊熔制過(guò)程及配方設(shè)計(jì)，二者之一選擇不合適，則制備的復(fù)合無(wú)機(jī)非金屬粉的折射率均會(huì)偏離目標(biāo)值很多。
2.2.3 在木紋轉(zhuǎn)印粉末涂料中的應(yīng)用
熱轉(zhuǎn)印也稱熱升華，是將各種圖案利用轉(zhuǎn)印油墨印制在高精度紙上，并采用熱轉(zhuǎn)印設(shè)備在短時(shí)間內(nèi)將其加熱到設(shè)定溫度，使轉(zhuǎn)印紙上的圖案轉(zhuǎn)印到鋁型材涂層等材質(zhì)上的一種特殊工藝。熱轉(zhuǎn)印粉末涂料不要求底粉有太好的遮蓋力，所以在表4的測(cè)試基礎(chǔ)配方中沒(méi)有添加顏料，填料分別選用了CM粉和常用的消光鋇。圖4為CM粉和硫酸鋇作為填料轉(zhuǎn)印后涂層表面的照片，由圖4可以看到，硫酸鋇作為填料時(shí)，由于硫酸鋇透明度差，硬度低，出現(xiàn)涂層表層與油墨的黏連，轉(zhuǎn)印線條雜亂，圖案清晰度差。而CM粉作為填料的轉(zhuǎn)印涂層硬度高，涂層表面無(wú)油墨殘留，轉(zhuǎn)印后易撕紙，清晰度高。
影響轉(zhuǎn)印效果的因素主要是涂層的硬度和致密性，這兩者是由聚酯樹(shù)脂的酸值、平均官能度以及固化程度帶來(lái)的交聯(lián)密度和填料自身的硬度決定的。在相同酸值的聚酯樹(shù)脂體系中，CM粉自身的硬度高，粉末涂料涂層的硬度也較高，這樣最終轉(zhuǎn)印效果也更好。從圖4中可以明顯看出，復(fù)合無(wú)機(jī)填料轉(zhuǎn)印的圖案更清晰。這說(shuō)明在高清晰度木紋轉(zhuǎn)印粉末涂料配方設(shè)計(jì)中，填料的選擇也不容忽視。本研究所述復(fù)合無(wú)機(jī)填料并不是多多益善，其加量到40%時(shí)會(huì)對(duì)流平帶來(lái)負(fù)面影響。具體添加量須依據(jù)實(shí)際產(chǎn)品來(lái)調(diào)整。
通過(guò)對(duì)多種無(wú)機(jī)非金屬材料進(jìn)行特別的配方設(shè)計(jì)及特定的熔制工藝，得到了莫氏硬度降低及折射率和樹(shù)脂接近的復(fù)合無(wú)機(jī)粉體材料。以此材料作為粉末涂料填料，測(cè)試結(jié)果表明，該復(fù)合無(wú)機(jī)粉制備的超耐候粉末涂層對(duì)紫外光更加穩(wěn)定，能夠形成更加致密、均一的微觀結(jié)構(gòu)，輔助提升涂層的耐候性；因其折射率和樹(shù)脂接近，可用其作為填料制備透明粉末涂料；用該系列粉體作為填料制備的轉(zhuǎn)印涂層硬度高，轉(zhuǎn)印后易撕紙，清晰度高。綜上，CM系列復(fù)合熔融無(wú)機(jī)粉體是一種綜合性能優(yōu)異的功能性填料。
回到頂部