最火适用于不同底材的快速或低温固化粉末涂料新

适用于不同底材的快速或低温固化粉末涂料新进展

适用于不同底材的快速或低温固化粉末涂料新进展

2020年09月30日

引言

粉末涂料及涂装系统以生态、经济和适用性著称，可减少VOC 排放，满足各种法规要求。

粉末涂装现已从仅用于金属类耐高温底材的涂装，拓展到了更广泛的涂装领域，如热敏底材的涂装。

这些领域以前大多采用“生态兼容性”不良的技术（如液体涂料）涂装涂料。粉末涂料及涂装系统还将卷材涂装等快速固化技术领域作为潜在的应用市场。

近年来粉末涂料行业正在大力推进快速固化、低温烘烤、过氧化物固化、UV（辐照）固化等新型粉末涂料技术的研发，逐步形成了向相关领域进行技术拓展的发展态势。

新技术、新产品和新应用

针对新的应用市场，有多种粉末涂料涂装技术可供选择。

1.1 热固化

快速固化粉末涂料只需短时间高温烘烤便能固化，比如卷材涂装。反之，低温长时间固化的粉末涂料品种则适合热敏底材，如25 min×125 ℃，近红外加热固化则是一种非常快速有效的低温固化体系。

1.2 加聚反应

利用不同的聚合反应动力学可满足快速固化或低温固化的需要，如过氧化物（热引发）固化和UV 固化(辐照和光催化引发)。

1.3 需重点关注的问题

粉末涂料成膜物受熔体黏度和贮存稳定性的局限，各种固化体系均存在自身固有的特点与不足。

（1）热固化超低温烘烤体系

①挤出工艺不易控制（树脂体系胶化）；

②流动和流平性能不佳；

③适合中密度纤维板（MDF）类热敏底材的涂料品种有限，多为纹理型产品，难以达到液体涂膜的表面效果；

④固化周期较长；

⑤易于出现边缘开裂和脱气不良现象。

（2）近红外加热固化（750 nm 近红外波长 1 500 nm）体系

①能耗高（为普通红外固化的30～50 倍）；

②极性基团对能量的吸收有选择性；

③固化周期短（1～15 s），涂膜不易流平；

④需要填料(CaCO3)；

⑤水分挥发；

⑥不适用于木质复合材料。

（3）过氧化物固化体系

①固化反应程度偏低，可能存在未反应的双键；

②自由基形成过程是放热反应，无需热量；

③附着力普遍不足，比较适合内模粉末涂装；

④双键反应导致涂膜收缩；

⑤难以获得理想的机械性能。

（4）UV 固化体系

①难以固化厚涂膜（ 120μm）；

②深黄色涂料无法充分固化；

③复杂工件无法将所有需要固化的面朝向UV 辐照方向；

④难以设计适合不同尺寸和形状工件的多用途涂装线；

⑤最低固化温度目前至少在100 ℃以上；

⑥要求采用熔融黏度低的特殊聚合物材料，如晶态或半晶态聚合物；

⑦难以获得高光泽和极低光泽的涂膜。

热敏底材和非导电材料

热敏底材一般为非导电材料，如木材、中密度板、塑料、陶瓷等，故在静电涂装时应考虑以下几个问题：

①底材预热或预涂导电底漆；②提高塑料底材的导电性；③可能的情况下提高底材的水分含量。

热敏底材涂装时应尽可能降低固化温度，因此所用粉末涂料应该可低温固化或辐射固化，可供选择的固化技术包括：

①低温固化，125 ℃×25 min；

②近红这样外固化，数秒；③UV 固化；④过氧化物固化，内模粉末涂装。

超低温烘烤固化体系

低温热固化体系是粉末涂料市场上仍在增长的品种。通过调整促进剂混合物制成一系列新型聚酯。

采用环氧树脂或缩水甘油基化合物在125 ℃的低温下经较长时间的烘烤而固化成膜，主要用于热敏底材涂装。用于超低温烘烤体系的实验性聚酯和促进剂如表1 所列。

低温热固化体系主要应用于MDF 涂装。近年来MDF 行业发展迅速，对无溶剂涂料有很强的需求。MDF 本身具有某些特性，对其进行粉末涂料涂装有以下特殊的工艺条件要求。

（1）MDF 不同批次间的质量一致性

①密度分布稳定（约780 kg/m3）；

②水分分布的随机性，从导电性和脱气性要求来看，MDF 的水分应控制在6%～7%；

③尺寸的温度稳定性。

（2）预热要求（红外灯照射30 s）底材温度在70～80 ℃之间。

（3）静电喷涂（电晕带电/摩擦带电）控制静电喷涂控制，否则难以预估涂膜厚度。

采用实验室制备的聚酯树脂配制粉末涂料，表2～5给出了实验配方以及在金属底材和MDF 底材上涂装的试验结果。

粉末涂料制备采用的是实验型单螺杆挤出机，挤出温度80～90 ℃，螺杆转速200 r/min；电晕静电喷枪喷涂制板，底材为钢板、铝板和MDF 板。

表2、表4 分别为60/40 聚酯、50/50 聚酯/环氧混合型体系。并分别测试了不同固化条马来西亚民航总局总监爱资哈尔丁昨日表示件下的涂膜性能见(表3、表5)。

近红外固化技术

近红外固化是一种可大幅缩短工艺时间的固化技术，固化时间只需1～15 s，意味着能量密度极高，是中波红外光的30～50 倍。

近红外技术与常规热风/标准红外固化技术的对比结果如图1 所示。该体系的固化过程利用了极性基团的能量吸收特性，涂料配方中需添加CaCO3。

其固化机理特点赋予这一固化体系有别于其他体系的优势，即所涂工件并未整体受热，热敏底材在固化过程中所受到的热冲击较小。近红外固化设备的设计紧凑，可大大节省生产线所需的空间。

卷材涂装和金属预涂

日趋严重的温室效应迫使人们进一步减少VOC 排放和溶剂燃烧废气的排放，粉末涂料便是一种很好的解决方案。

当然，粉末涂料用于卷材涂装还存在很多不足，虽经多方努力，卷材粉末涂装的难题依然集中在涂装工艺和固化技术两方面，具体表现在：

①线速达不到溶剂型涂料涂装的水平（200 m/min），现在只能达到60～100 m/min；

②难以获得薄而均匀的涂膜；

③受制于粉末涂料的快速固化体系，目前采用诱导固化或近红外加热固化体系；

④机械性能的长期稳定性不甚理想。

欧洲目前有卷材涂装线50 多条，其中7～8 条采用粉末涂装。过去若干年中，很多公司试图研发可用于卷材的新型粉末涂装技术，研究方向主要包括以下几方面：

（1）澳大利亚BHP 公司开发了“实心块”涂装技术，即先制备粉末涂料预成型块，再将其压制在移动的预热金属带材上，从而将涂膜机械地转移至金属带材表面。主要缺点是速度偏慢，且金属带材的表面涂装效果不理想。

（2）电磁刷技术是帝斯曼公司开发的，工作原理与复印机和激光打印机相近。将粉末涂料与磁性载体颗粒相混合，磁性颗粒沿磁力线排列，故称磁力刷。

该法适合制备极薄的粉末涂膜，主要缺点是速度偏慢，且无法通过单次施工获得不同厚度的涂膜。

（3）厚膜“粉末刀”，涂覆速度可达50 m/min。

（4）粉末旋杯喷涂。

（5）“粉末云雾”是MSC（Material Sciences Corp.）和TDC(Terronics Development Corp.)两家公司几年前联合开发的涂装技术。

采用若干分散刷使粉末涂料雾化，并迫使粉末通过静电区，使之吸附到移动的金属表面，可实现高速涂装。

主要缺点在于设备造价过于昂贵，且工艺过程难以控制，目前还无法用于工业生产。利用该方法很容易获得55～60μm 的涂膜，但很难降低涂膜厚度。

（6）“粉末喷枪”在欧洲已成功用于20 m/min 的低速卷材涂装线。该系统将粉末喷涂于移动的钢板或铝板表面，主要缺点在于作业线速偏慢、容易过喷、涂膜厚度不均和系统换色很慢。

（7）“粉末喷射”系统完全没有可拆卸的部件，利用压缩空气直接将粉末涂到移动的金属带材表面。金属带材可单面或双面涂覆，涂膜厚度可按客户要求精确控制。据称，其成本和质量参数完全可与任何一种卷材液体涂装线媲美。

国内现已开发出用于金属板预涂和卷材涂装的羟基聚酯和促进剂，见表6。

利用实验室制备的聚酯树脂，按表7 配方制备了粉末涂料样品，制粉设备为单螺杆挤出机，挤出温度80～90 ℃，螺杆转速200 r/min。

将制成的粉末喷涂于A-36 铝板上，在卷材生产线上的试验固化条件为1 min×290 ℃或1.5 min×275 ℃，所有配方样板涂膜的机械性能和化学性能均达到合格。实验室试验结果列于表8。

内模粉末涂装

内模粉末涂装是在模塑工件之前于模内涂覆粉末涂层。就设备和控制参数的复杂程度而言，该涂装技术简单易行。所用涂料以不饱和聚酯为成膜物，固化反应为过氧化物催化的双键热聚合反应。

内模粉末涂料的配方及施工环境是获取良好涂装效果（外观好，次品少）必须考虑的因素。

将粉末涂料均匀地喷涂于预热的模具内表面，工件加压，固化过程中涂料与纤维复合材料发生反应，最终成为纤维复合材料表面坚固的面涂层。

这种内模粉末涂膜处于模具表面和高黏度复合材料之间，后者在成型过程中通过流动覆盖整个涂膜。许多纤维复合材料可用于制备纤维增强塑料，如表9 所示。

内模粉末涂膜的厚度在40～400 μm，弥补了复合材料的表面缺陷。粉末涂膜与复合材料之间存在化学键合作用，因此附着力极佳。新研发的内模粉末涂装不饱和聚酯用列于表10，内模粉末涂料配方见表11。

UV 固化粉末涂料

UV 固化技术在低温固化方面得到成功应用。但光固化粉末涂料在低温熔融条件下难以获得优异的涂膜外观，对底材的附着力也不及热固化体系。以目前的技术水平，UV 固化体系的涂膜外观可胜过超低温烘烤型的涂膜外观。

（1）UV 固化涂装线的主要性能为：

①实现热敏底材的粉末涂装（温度不超过120 ℃）,如木材或复合木材、塑料、预装配工件的粉末涂装等；

②快速固化（2～3min，常规粉末涂料需要20 min）；③低能耗；④流平阶段和固化阶段不重叠，涂膜流平效果可控。

（2）相较于超低温热固化粉末涂料，UV 固化粉末涂料具有以下优点（见图2）：

①反应速度快；②流平窗口可控，流平过程与固化过程独立进行；③涂膜表观效果较好；④涂装MDF 时所需要的烘烤条件较为温和，对脱气和开裂问题不敏感。

（3）相较于UV 固化液体涂料，UV 固化粉末涂料具有以下优势：

①因所用材料相对分子质量较高，不含活性单体，故对人体毒性小，不存在皮肤刺激问题；

②易于获得较高的涂膜厚度；

③材料利用率极高，过喷粉均可回收使用；

④涂膜均匀，边角覆盖良好；

⑤对刚性底材的附着力良好；

⑥不会渗透木材纹理。

UV 固化体系粉末涂料在熔融阶段不会发生固化反应，可改善流平性，以便形成高度流平的涂膜。这南京市政府提出也是其胜过热固化体系的优势之一。

粉末涂料熔融流平与固化的差异从DSC 图（见图3）即可看出，UV 固化体系的反应动力学与施加于体系的热流无关，这与热固化体系不同。

为了充分利用这一优势，有必要研发具有以下特性的新型不饱和树脂体系：

①与足量光引发剂相适应的树脂反应活性；

②树酯对UV透明，光吸收波长异于光引发剂；

③附着性能优异；

④有明确的分子结构，确保在低温下具有低黏度，同时不影响粉末涂料的贮存稳定性。

结语

粉末涂料应用技术在日益重视环保的形势下受到了积极的关注，国内外都开展了广泛深入的研究。

粉末涂料技术在热敏材料上的低温应用，在流水线作业方式的卷材涂装领域的应用以及采用UV 固化的方式实现快速固化，得到出色流平性，装饰性方面已有了明显的改善。

作为基础研究的树脂合成方面，研发的聚酯树脂配制的粉末涂料在MDF 的应用得到了理想的效果；配以研发的促进剂在金属板预涂和卷材涂装钱上的应用也取得了满意的效果。

UV 固化粉末因其流平和固化分立的技与目前国际航空市场上最为常见的空客320、波音737相当术特点，展示出了接近传统溶剂型涂料装饰性的能力，其快速低温固化、可连续涂装的特点使其应用范围有望进一步扩大。