粉末涂料常识.doc

粉末涂料使用中的几点质疑 材料、能源、信息作为现代人类文明的三大支柱，推动着社会高速发展。近几十年来，新技术、新材料层出不穷，使得各行业发生了许多革命性的变化，粉末涂料作为最近几十年才发展起来的新型涂装材料，以其优异的性能和环保性，引发了涂装行业的一次革命，自粉末涂料诞生到现在一直处于高速发展阶段。粉末涂料理论是建立在高分子物理、高分子化学、静电理论等基础上的新学科，在很多方面还不成熟，现有的理论对有些现象还不能充分解释，有些概念还处在不断更新和发展阶段，有的问题还只限于定性讨论。而在生产和使用领域人们虽然积累了很多经验和技巧，喷涂工艺日趋成熟，但很多方面还存在误区，如何合理选择粉末、正确使用粉末已成为涂装行业的重要课题，本文质在提出一些存在争议或多数人感到模糊的论题，并愿与业界人士共同探讨。 1. 粉末涂料的带电机理 静电理论是粉末涂料喷涂的基本理论，按静电产生方式分为电晕枪和摩擦枪。电晕带电是电晕喷枪喷涂的理论基础，其原理是：利用电极电离空气，然后使附近通过的粉末粒子带电，具体方法是在喷枪的枪管末端设置电极，并加以高压，电极的作用在于使位于枪头附近的空气分子电离成带电离子云，粉末涂料在供粉器内经流化与空气形成混合气粉，通过软管送往喷枪均匀喷出，粉体在经过喷枪头离子云时变会吸取负离子，因而带负电，喷枪与工件之间形成电场和电力线，在库仑力的作用下，带有负电的粉体粒子会被基材（已接地）上的正电所吸引，在压缩空气推力和库仑力作用下，飞向工件，而使粉末粒子附着在基材表面上。 还有一部分学者认为，粉末在喷枪头部并没有带电，而是被极化，变成偶极子，在电场中运动并到达工件表面，偶极子在表面首位相接，致密地吸附在工件上，这种说法的根据是：把喷枪喷出的粉末收集在绝缘的容器内，检测其带电程度，发现粉末并不带电荷。这种理论对工件接地不能很好地解释。 虽然静电喷涂理论还有很多争议，但是静电喷涂毕竟已经在粉末涂装行业应用了几十年，并且是目前使用最广的喷涂方法，随着人们认识的不断提高，静电理论的不断完善，很多现象可以得到完美的解释。 2. 内在质量与外观 涂料涂装的主要目的有两个：装饰和保护，装饰是外在质量，保护是内在质量，内在质量决定外在质量，如果涂层的保护功能都失去了，也就谈不上装饰了。同时，对不同的工件侧重不一样，如：管道防腐粉末涂料主要强调防腐性，对流平、颜色、光泽要求不严格，而家电、家具等用品则较侧重于装饰性，力求有一个比较漂亮的外观。而对大部分喷涂的工件，对装饰和保护都同等重要，因为粉末涂料的各种指标之间有着密切关联，如硬度与韧性、附着力与抗冲击性、流平与边角覆盖、施工性与涂装效果等，如果过分强调某一指针，而忽视总体性能指标，则会造成顾此失彼，得不偿失。 1）流平与边角覆盖 国内很多生产和使用粉末涂料的厂家往往只注重流平，而忽视边角覆盖，但是据笔者观察，粉末涂层一般的损坏都是从涂装较薄的边角处损坏并开始破坏的，如：冰箱、洗衣机、空调器等家电产品和灯杆、护拦等公用设施，而这种损坏的危险性和对装饰效果的破坏最为严重。一般来说，边角部位喷涂时虽然能够很好的上粉，但在烘烤过程中随着粉末的熔化，在表面张力的作用下，在边角处产生回缩，致使这个锋利的边角部位厚度非常薄。水汽很容易从最薄弱边角渗透进去，然后沿着涂膜与基材之间长驱直入，在化学和电化学作用下使基材逐渐锈蚀，形成带有结晶水的铁氧化物，体积膨胀，使涂膜剥离，同时继续往基材深处腐蚀，造成基材断裂。如果用于高层建筑，将来锈蚀到一定程度，则可能发生断裂和坠落，危害人身安全。 笔者曾经观察户外粉末涂装的器具，如：空调器、钢窗、交通护拦等，发现由于观察者距离较远，涂膜的桔皮、颗粒等基本察觉不到，而由于边角覆盖不好而造成的黄锈则会在表面形成明显的锈迹流痕，非常显眼而且不美观，一般情况下，整个体系粘度越小，流平越好，边角覆盖越差。我们可以观察国外的粉末涂料一般流平并不见得很好，但是边角覆盖往往非常好，有些人认为外国人喜欢大桔皮表面，其实这是他们根据多年经验总结出的牺牲外在质量提高内在质量的一种做法。 而在其它一些领域，工件没有大的平面，边角较多，如：道路护网、自行车筐、鸡笼鸟笼等制品则须要用热塑性PE粉末涂料涂覆，这种材料具有非常高的分子量，熔融流动性差，所以不会产生边角回缩现象，虽然这种材料热固性粉末涂料附着力比较差，但是由于涂覆后，涂膜是包裹在丝状的工件上，不存在剥离现象，可以得以良好的保护。 2） 施工性与涂装效果 粉末涂料涂装后的效果很重要，但如果施工性能不好，其涂装后的效果也难以保证，施工性也就是粉末涂料是否好使，包括：上粉率、流化性能、带电均匀性，储存稳定性、对烘烤温度和时间的敏感程度等，这也是粉末涂料内在质量的一个体现，在粉末涂料竞争非常激烈的今天，提高施工性能也是质量竞争的一个方面，片面强调涂装效果而忽视施工性能是不可取的。 3） 粉末涂料毒性与表 有关专家指出，中国已加入，国内化工企业要融入全球经济，参与国际竞争，必须熟悉、掌握与国际接轨的法律化、规范化的化学品安全说明书（Material Safety Dara Sheet即）、化学品安全注意事项商标警语（Warning Label）。 MSDS和Warning Label涉及有关法律、法规、标准（包括书写内容、格式等）条文，是一门规范、系统、严谨，集法规、技术知识（化学、生物、环境、毒理、危险化学评估、审核、职业健康等）为一体的重要规范程序。 国内粉末涂料行业很少编制安全说明书，有出口需要的，由于不了国外相关的法律和技术规范，或缺乏有关的化学品毒性信息，在编制或Warning Label时，往往可能提供谬误的信息。这样，如出口到北美市场，由于不符合所在国的法律、规范要求，往往延误商机甚至可能遭到法律的诉讼，从而造成无法弥补的损失。搞好MSDS和Warning Label，将有利于国内产品进入国外市场。 粉末涂料不仅出口需附有，在国内销售同样也应附有。据了解，中国境内众多外资企业也在国内购买粉末涂料，但由于国内产品没有而不予采购，只得舍近求远从境外进口。 毒性大小是粉末涂料的一个内在指标，粉末涂料的选材遵循低毒的原则，但是有些多年习惯使用的材料，如：TGIC、铅铬黄等，它们有刺激性或含重金属，对人体可能造成伤害或潜在危险。发达国家比较规范，利用法律来限制有毒有害物质的使用，例如对于涂料中重金属铅的含量，北美、欧洲、澳大利亚、新西兰、日本、韩国已经有立法限制，我国、俄罗斯等国家正趋向立法限制，对含铅没有立法限制的只有非洲大部分和南亚小部分地区。高标准的MSDS和Warning Label编制与应用，无疑可显示出企业先进的经营理念、高水准的生产和管理水平，从而有助于提升企业在国际市场上的品牌形象。 3 纳米材料的使用 “纳米” “纳米材料”是当今材料界很时髦的名词，其实纳米只是一个长度单位，相当于十亿分之一米，纳米技术就是把材料制成1100个纳米，使之具有非常神奇特性的技术。经过科学家近二三十年的研究发现，当物质的尺寸变的非常非常小的时候，比如几十个纳米、十几个纳米，甚至几个纳米，由于纳米粒子较小的尺寸、大的比表面积产生的量子效应和表面效应，它会发生并表现出一系列奇特的力学、光、电、磁以及催化、灭菌抑菌等物理化学性质，实际上一个纳米粒子里面只能排三五个原子左右，纳米技术的精髓就是从对原子、分子的精确操纵出发构建具有全新分子全新排列形式的人造结构。 纳米材料有着神奇的功效，例如：提高强度、增强耐热性、抗菌性、耐候性等，纳米材料的有效使用可以彻底改变人们传统的衣、食、住、行习惯。但是其应用必须是科学和严肃的。近一段时间国内出现了很多纳米材料生产厂家，推出了所谓“纳米”材料，如填料、颜料、助剂等等，据笔者通过分析测试，大部分市售的所谓“纳米”材料粒子直径多在几微米或几十微米，也就是说几千或几万纳米，根本算不上纳米材料，而厂家宣传的神奇功能根本就不具备，涂层的机械强度、耐候性、耐热性等指标没有明显变化。所以我们在使用所谓“纳米”材料时一定要认清是不是纳米材料，是不是合理应用，是不是经得起时间的考验。 4 上粉率与喷涂面积 有人认为上粉率高，则喷涂面积必然大，这种观点未必全面。因为上粉率与粉末带电性和粉末粒度有关，指在同样的静电电压、气压、喷涂设备的情况下，粉末吸附在工件上的多少。而喷涂面积是指单位重量的粉末涂料涂覆的面积，与涂层厚度，粉末比重和利用率有关。有时由于喷涂人员经验不足，喷涂上粉率高的粉末涂料时，往往喷的较厚，反而觉得喷涂面积小。 5 固化温度、时间与涂装效果 粉末涂料本身只是一个半成品，只有经过喷涂、固化后才真正成为最终产品，消费者注重的只是涂料涂装后的效果和质量，也就是说使用粉末涂料与生产粉末涂料同等重要，低质量的粉末，喷涂设备再好、前处理再细致、涂装工艺再严格，也不会生产出高质量的产品；粉末质量再好，喷涂设备、工艺、前处理有问题，同样不会有高质量的产品，而现实情况是国内涂装企业的注意力大多集中在粉末涂料产品本身，有了质量问题只往粉末上找问题，而对涂装施工工艺重视及研究不够，致使大量涂装产品无法达到应有的效果。 每一种粉末涂料都有自己的固化特性曲线，在一定温度和时间范围内可以达到完全固化，为了提高效率、降低成本而违反规律，缩短固化时间的做法是不可取的，如果固化温度或时间不够，则会造成固化不完全，应有的性能发挥不出来，其物理特性会大大下降，耐化学品性也不会好，装饰性、防腐性、耐候性都达不到预期效果。有的低温固化后的涂层即使完全固化，也没有高温固化后的涂层性能好，特别是固化后成型的一些工件，在冲压、折弯处会形成细小的裂纹，水分会沿着裂纹渗透，并很快使基材腐蚀，我们可以看见户外使用的交通隔栅，在投入使用不久就会在路口的圆弧转弯处出现锈的痕迹，这跟烘烤温度和时间及喷涂后折弯有直接的关系。 有人认为加热温度低一些，反应速度降低，流平可以好一些，其实正好相反，因为粉末喷涂后，其熔化和固化几乎是同时进行的，加热迅速、温度升得快，体系粘度迅速降低，在胶化前已经完成流平过程，这样的板面流平性好，且桔皮物少。同时涂料对表面可以很好湿润，可改进其附着力，耐久性较好。由于迅速地固化，膜层内部应力会多些，但由于涂膜较薄，物理特性影响很小。相反如果加热缓慢，体系粘度总是保持一个较高的水平，这时固化已经开始，随着反应的进行，粘度又在不断升高，流平效果就不会好。 总之，要想很快进行加热以较短时间到达固化温度，可以得到理想的涂装效果和长期保护功能，加热温度低、时间过长的话，则在粉末涂料熔化、流平及湿润被涂物以前就会发生固化作用，则物理性质就不理想。同时挥发物很难跑掉，从而导致在有腐蚀性条件下，涂层会提前损坏，装饰性和保护性得不到体现。 6 三合一磷化和带锈防锈 涂料涂装的前处理过程是一个非常重要的阶段，喷涂的内在质量以及表面效果与前处理有直接关系，特别是用在潮湿、酸、碱、高温等环境下的工件，如果前处理不好，则直接影响使用寿命，导致涂膜很快脱落、返锈。国内很多前处理材料厂家推出所谓三合一、四合一前处理液，集除油、除锈、表调、磷化于一身，事实证明这些东西的处理效果并不好。因为磷化液的磷化作用，是在一定的温度、酸度、磷化物质浓度的条件下进行的，三合一磷化液不可能同时满足除油、除锈、磷化的酸碱指标。并且磷化膜较薄，形不成对基材的长期保护。 带锈防锈是油漆涂装的一种说法，对粉末涂装是不适用的，铁锈含有较多与铁锈形成化合态的水，即结晶水，如果清理不净，粉末涂层不能很好地润湿底材，加热过程中还会有气泡产生，不管是涂装效果还是耐久性都达不到预期的要求。 图一 低光泽表面光线漫反射示意图 图二 高光泽表面光线全反射示意图 图三 20 60 85表头测量光泽对应值 7 光泽测量 光泽是评估一个表面时得到的视觉印象，主要是光线与物品表面的物理性能相互作用的结果，光线照射到板面，要产生反射，但是如果表面不平滑，反射不会朝一个方向，而是朝各个方向漫射，成像质量低，给人的感觉不再是明亮，而是模糊，光泽就低（如图一所示）。直接反射的光越多，光泽的感觉越明显。光滑的表面能清晰地反射影像，入射光只在主反射方向上反射，入射角与反射角相等，散射少人眼对光泽特别敏感，光泽就高（如图二所示）。人们常说一个工件的光泽为80%或80，其实都是不确切的，正确的表达方法是光泽为80或80光泽单位（GU）。对于粉末涂料涂层表面，入射角度增加，则反射光数量增多，这就是我们观察一个表面光泽时一般不是直视而是侧视的原因，光线的入射角对结果的影响较大，为了清楚地区分从高光泽到低光泽的整个测量范围，国际标准化组织定义了涂层的3个不同的角度，即用20 60 85三种不同角度的表头测量不同的表面。 目前，国内各用粉单位的企业标准都是采用60表头测量光泽，这对于测量较高和较低光泽，不是很准确。BYK公司在研究中取了13个样品，用人眼区分为高中低三个光泽级别，用20 60 85三种表头测量（如图三所示），在曲线上陡直的斜线部分，可清楚地测量样品间的差异，而在平坦部分测量结果与人眼观察不相一致，从图上我们可以看出，在低光泽区域，即60表头测量值10光学单位以下，用85表头呈陡直的斜线关系，在中光泽区域，即60表头测量呈陡直的斜线关系，在高光泽区域，即60表头测量值70光学单位以上，用20表头呈陡直的斜线关系，所以测量高光泽表面（60表头测量值70以上），20用表头比较准确，测量中等光泽表面（60表头测量值1070之间），用20表头比较准确，测量低光泽表面（60表头测量值10以下），用85表头比较准确，不管光泽高低，统统用60表头测量的做法是不确切的。 8 薄涂层和低温固化 目前粉末涂料的标准膜厚为60-80微米，对于一些只需要20-30微米膜厚的产品，厚涂膜是性能过剩，同时又增加了成本，这就要求向薄膜化方向发展。粉末涂料技术方面已取得新的进展，涂层厚度从76微米降至51微米，使汽车和家电两个领域用户从中受益匪浅。但是薄涂化在中国已经推行缓慢，国内生产粉末涂料的设备也满足不了需要，国内的喷涂设备满足不了薄涂层需要，实现薄涂化，必须使粉末粒度微细且粒度分布窄，国内推行的薄涂层粉末流平性、带电性、储存稳定性、喷涂效率、回收效率和覆盖保护性能均达不到要求，这也是薄涂层再国内推行几年没有推广的主要原因。任何事物的发展都要适合一定时间内当地的情况，并要区别对待，空调器室内机可以薄涂，但条件苛刻的室外机就应当适当厚涂。 低温固化室粉末涂料追求的一个目标，通常的粉末涂料固化温度在180以上，固化温度在15分钟以上，能耗高，效率低，低温快速固化是粉末涂料一个重要的研究课题，低温固化的实现可以节约能源、提高工作效率，扩大应用领域。但是任何事物都有其规律性，有些特殊工件采用特殊的粉末可采取低温固化，但是有些工件不能采取低温固化，例如管道粉末，如果降低固化温度，对阴极剥离和附着力有负面影响，使管道的使用耐久性降低。如果以牺牲性能的方式达到节约能源的目的，应当说是得不偿失。 当然，任何新生事物的发展有一定的曲折性，不管是纳米材料、薄涂层还是低温固化，都有其强大的生命力，新技术的应用肯定会给涂料行业带来勃勃生机，但任何事物发展都有其规律性，违背科学，滥用和误导则可能使新生事物被扼杀。 9 使用低质低价的粉末是否合算 粉末涂料的价格并不代表其经济性，粉末涂料平均覆盖率可以用以下经验公式计算： 平均覆盖率（m2/kg）=1000 利用率(%) / 比重 膜厚（m） 从中我们可以看出每粉末涂料喷涂的平米数有关的参数有：利用率、粉末比重和涂膜厚度，在涂膜厚度一定的前提下，影响喷涂面积的因素只有比重和利用率，有些粉末涂料生产厂家为了降低成本，加入大量比重较大的填料，一般情况环氧树脂和聚脂树脂的比重在1.2左右，而硫酸钡的比重在4.0以上，所以，随着填料量的增加粉末的比重也随着上升，购买这种粉末涂料，虽然单位价格较低，但同等重量的粉末涂料的喷涂面积却下降了。喷涂同等面积花的钱有时还会高于填料少的粉末。并且随着填料的增加，涂层的装饰性能和防护性能还会下降，如：光泽降低、流平下降、抗冲击和弯曲等机械性能变差、耐候性降低、表面质点增多等。 有些低质低价的粉末有的是粉末生产厂家的过期报废产品，有的是喷涂厂家的落地回收粉或者回收粉末稍稍加工改造的粉末涂料，如果超过储存期，其各种性能都会发生变化，分子链断裂，固化剂凝聚，端基分离，致使物理和化学性能下降，涂装后起不到应有的装饰性和保护性。回收粉往往是喷涂厂家不能再利用的工业垃圾，含有大量的不熔不溶的杂质和水分，并且是多种粉末涂料的混合体，即使经过加工，喷涂厚度增加很多也掩盖不住表面缺陷。这种粉末只能涂覆对表面装饰性、保护性和耐久性要求不严格工件。 10 是否选择合适的粉末品种 有些施工厂家为了谋求短期利益，把户内粉当作户外粉使用，用在灯杆、交通护拦、空调器室外机壳等，把混合型粉末用于石油、天然气、饮用水管道上，因为有些工程缺乏严格的设计和监理制度，而且短时期内这类涂层不会发生大的变化，但是经过一段时间的考验，这种冒充产品就会现出原形。 我们可以看到许多公路护拦在使用之初具有很好的光泽、鲜艳的颜色、平滑的表面