超细粉末涂料涂装技术.doc

第五讲 超细粉末涂料涂装1市场背景粉末涂料和涂装是以其环保、经济、高效和节能为突出优点而得到非常快速地发展。粉末涂料含百分之百的固体成分，不象液体油漆那样含有大量溶剂需排放，是没有公害的环保涂料产品；粉末涂料一次喷涂未能利用的粉末可以回收再次使用，喷涂工艺简单稳定，能耗较低，相对液体涂料具有成本低，性能好的特点。粉末涂料的发展速度非常快，而在我国的发展速度又远远快于其他国家，主要原因是我国的经济发展速度很快，大量新建的涂装线首选使用粉末涂料。我国已成为粉末涂料的使用和生产的大国，但在高档原材料的生产和高档产品的开发研制上，还与发达国家存在一定差距。如何瞄准一些具有巨大实际应用意义的尖端课题，利用国内外的高新技术进行技术攻关，并实现其工业化，是我国科学家和业内人士面临的重要决策。粉末涂料在最近十几年的发展中呈现了非常强的竞争力，但也有其发展过程中亟待克服的缺点和限制。粉末涂装公认的四个缺点是涂层太厚，涂层表观效果较差，不能低温固化，换色较难。针对这些限制和缺点，各国科学家和工程技术员进行了大量的研究，在很多领域取得了可喜的成绩。如低温固化粉末涂料的开发研究已经有了可用于120度烘烤固化的商业产品，用于木器和复合板的生产；粉末涂料紫外光固化的研究也有了突破性的进展并有了工业化应用。我国粉体涂装设备的老厂上海新星静电喷涂设备有限厂与比利时UCB公司合作，已成果研制出粉末涂料紫外光固化设备，使我国在这一新兴领域得到很好发展，并带来巨大潜力。在粉末涂料的四个主要缺点中，涂层太厚和涂层表观效果较差是两个主要的缺点。粉末涂料的涂层厚度通常在60100微米，远远超过普通油漆漆膜的厚度，这不仅带来不必要的浪费，而且在很多情况下涂层太厚还会造成漆膜性能下降，如涂层变得容易脱落，漆膜硬度表现降低等。涂层表观性能差，降低了粉末涂层的装饰性，在很多地方限制了粉末涂料的应用和发展，特别是对某些高档产品，如小轿车等表面要求较高的产品，就无法使用粉末涂料。粉末涂料的涂层太厚和表观效果不好，主要是由于粉末涂料的粉末粒径较大引起的。普通粉末涂料的粉末粒径通常为3050 微米，这样的粉末粒径经静电喷涂后很难达到平整的表面和良好的表面效果。如果能将粉末涂料的粉体粒径变细，涂层就能得到很好的表面效果。并且，粉体粒径变细，就能够实现薄涂层涂装。粉末涂料的细粉化，既能实现薄涂层，大量节约成本，又能得到非常好的涂层表面，具有巨大的社会效益和经济效益，可以说粉末涂料的超细粉化是粉末涂料研究开发中最重要的课题。辉旭微粉技术公司的超细粉末涂料产品具有非常细的粒径，可以达到非常平整的表面，同时也能得到很薄的涂层厚度。2004年，中国的粉末涂料用量达到40万吨，价值80亿以上，如果能够将现有的膜厚从7080微米降低到3040微米，可以节约巨大的涂料成本；另一方面，如果粉末涂料达到了液体涂料的表面效果，就可以在很多领域全面替代液体涂料，从而更大范围内推大粉末涂料的使用量。因此，超细粉涂装的推广应用，对整个粉末涂装工业都是非常有意义的事情。2 粉末涂料的细粉化及其发展超细粉末涂料的研究开发，可以显著提高产品质量，大大降低涂装成本，从而在很多领域内扩大粉末涂料的使用范围，因此，各国科学家和全球的各大粉末涂料公司在过去很多年来对该课题的研究开发进行了巨大的投入。并且该课题还吸引了其他行业甚至部分国家政府的关注。比如，1997年，美国三大汽车公司联合投资在底特律成立研究所，专门研究粉末涂料的超细粉化，试图用超细粉末涂料代替油漆用于汽车车体；1998年，加拿大政府也拨专款对粉末涂料细粉化的研究进行专门资助。超细粉末涂料是指粉末涂料的粒径在20微米以下的粉末涂料产品。粉体的粒径越细，涂装出的涂层表面越平整。通常，涂层厚度为粉末粒径的2.5倍时，涂层表面效果较好。如果涂层厚度与粒径相差不大，涂层很容易出现麻点或大量漏涂现象。要得到涂层厚度为30微米而平整度较好的涂层，粉末涂料的粒径通常要大大低于20微米。粗粉 粗粉粒径大，烘烤前粉末喷涂量较多，粉体相对不均匀，烘烤后漆膜厚，表面效果较不平整。细粉 细粉粒径小，烘烤前粉末喷涂量较少，粉体相对均匀，烘烤后漆膜薄，表面效果较平整。粉体粒径低于20微米的粉体具有特别的性能。随着粒径的降低，粉体的质量会成倍地降低，同时粉体的表面积成倍地增加，其结果是分子间力大大增强，使得粉体抱团现象出现，抱团的粉体无法进行正常流化。而正常流化是粉末涂料实现静电喷涂的前提。这实际上就是粉末涂料细粉化难以实现的主要技术原因。将普通粉体从正常粉末涂料的3050微米粉粹成为粒径为1020微米的超细粉体时很容易的事，但要使之在空气流中能够单个地流化起来实现超细粉喷涂，必需首先克服超细粉粉体间的分子间力，但超细粉抱团是超细粉体的自然属性，要改变其属性或克服其粉体间的吸附力，是非常困难的事。由于市场的需求和人们的重视，粉末涂料细粉化的研究不断取得突破。最常见的是在粉末涂料中加入一些添加剂，如气相法二氧化硅、三氧化铝等润滑剂，使粉末涂料不容易抱团，从而达到适当降低粉末粒径的目的；也有的人采用生产非常窄的粒径分布的产品，并选用高流平的产品外加润滑剂调节，使粉末涂料的粒径进一步降低并初步实现薄涂层涂装；美国Ferro公司开发了采用超临界二氧化碳在液态下进行混合挤塑，并喷雾成粉的新工艺，能够得到分散均匀，粒度分布窄的粉末涂料产品。在国内，很多公司采用高流平的产品并宣称实现了薄涂层涂装，尽管实际上粉末粒径并未降低，但由于能够得到较薄的涂层，也确实很受市场欢迎。上述各种方法只是实现粉末涂料细粉化的众多的努力的一小部分，他们的确给粉末涂料工业带来了很多的利益，但实际上并没有真正意义上的实现粉末涂料的细粉化。加拿大辉旭微粉技术公司的科学家采用一种全新的纳米表面处理技术，根据各种不同的涂料产品进行特殊的表面处理，成功得到粒径为1020微米的流化很好的粉末涂料，即可以得到非常平整的涂层表面，又可以进行薄涂层涂装。其工业化超细粉末涂料产品已经上市，只是其技术原理仍未公布。另据报道，日本人制备了流平性能非常好的粉末涂料，依靠其特别优异的流平性，成功得到涂层厚度很薄，平整都很好的涂装产品，但生产控制比较困难，而且涂层较厚时反而会出现较严重的桔纹现象。3 超细粉涂装对粉末涂料的要求首先，超细粉涂装可以得到薄涂层，其膜厚可以从普通粉末涂料涂层的6080微米降到普通液体油漆的2030微米，从而大大降低涂料成本；其次，超细粉可以得到非常平整的只有液体涂料才能达到的高质量表面效果。对薄涂层和高平整度的要求，超细粉需要具有一系列与普通粉不同的性质，而在涂装过程中，也有一些特别注意的事情。下面，我们分别进行讨论。3.1 超细粉末涂料必须具备很好的粉体流化性能粉末涂装都需要粉末涂料的粉体在空气流中充分地流化起来，粉体只有在空气流中单颗粒悬浮，才能均匀地喷涂到工件表面。如果粉体抱团流化，达到工件上就成为大粉包，严重影响涂层表面。就是说，粉体流化是粉末喷涂的前提。超细粉的平均粉体直径为1020微米，大大低于常规粉末涂料的3050微米，由于质量大大降低而表面积成倍增加，粉体的分子间力大于其重力，超细粉都呈现强烈的抱团倾向。比如，一般的回收粉粒径小于正常粉，流动性能就大大降低，常常出现粉包。超细粉喷涂的首要条件就是粉体的流化。而超细粉的流化正是超细粉末涂料的技术关键。辉旭公司研制生产的超细粉末涂料，代表目前市场上最先进的技术，成功解决了超细粉的流动难题，从而奠定了出现超细喷涂的基础。辉旭公司的超细粉末涂料，具有与常规粉末涂料同样甚至更好的流动性能，完全可以在同样的喷涂设备上进行涂装。在使用时，按照正常的方法进行流化即可以进行喷涂。但超细粉的流动性能是通过涂料粉体表面改性达到的，通常在喷涂前需要一定的摇动和较长时间的流化。另一方面，超细粉完全解决了粉体抱团的问题，回收的粉体尽管粒径较小，但不存在常有的回收粉的流动问题。简单说，以超细粉、薄涂层为特征的粉末涂料可能对涂料和涂装都有一些特殊的技术要求，通常情况下，粉末涂料用树脂的熔融粘度低，但其玻璃化温度又不低；颜料的分散性要好，遮盖力要强；粉末涂料的粒度要小，分布要窄，这些需要粉碎设备对细粉末涂料的粉碎和分级效果好；再有，要求粉末涂料具备较好的干粉流动性和带静电性能。要全面解决这些问题，需要原材料生产厂、涂料和制造设备生产厂、以及用户的共同努力才能解决。在本文中研究的是具有很好流动性的超细粉末涂料，而研究的最重要的目标是用户不改变任何设备而能够正常进行涂装，为此，下面为实际开发应用过程中遇到的一系列技术问题。3.2 超细粉末涂料需要较强的遮盖力 涂层越厚，其表面越显平整。超细粉涂装在膜厚达到50微米的时候就呈现最好的涂层表面。但对降低成本有一定要求的客户，可以将膜厚控制在30微米左右。在30微米左右的涂层，必须具有非常好的遮盖力才能不产生色差。根据目前的技术，深色的涂层能够在30微米左右进行涂装，但对浅色如纯白、鲜黄等颜色，涂层必须在40微米以上才能达到满意的遮盖力。1） 超细粉末涂料的带电性能要求2） 超细粉末涂装对涂装设备的要求 喷枪，流化桶，回收设备3） 超细粉末涂装对工艺条件的要求 炉温，电压，气压，工件、预处理，4） 其他注意事项：清洁、 普通粉末由于很难进行薄涂层涂装，厚度在6080微米，涂层通常不需要很高的遮盖力，涂料的颜基比通常在30%50。但在超细粉末涂料涂装时，如果采用普通粉末涂料配方得到的超细粉，特别是白色、亮黄色等遮盖能力差的颜色，涂层在50微米以下时不具备足够的遮盖力，无法达到涂装要求。为此，超细粉末涂料的配方需要考虑适当提高了颜料的含量，使之具有象液体油漆那样的高遮盖力，其中，白色产品比较特殊，必需选用遮盖力最强的晶红石型钛白粉，并同时大量增加其含量，否则无法达到要求。由于喷涂的不均匀，如果要将平均膜厚控制在30微米，必需使20微米涂层具有很好的遮盖力，而涂层对遮盖力的要求，随膜厚变低而成倍增加。在超细粉末涂料开发过程中发现，遮盖力是一个非常重要且比较难解决的问题，有时必需考虑采取一系列措施来防止随着颜料含量的增加，产品出现的熔融不均匀的现象。最好采用熔融性能较好的树脂，另外，采用熔融性能较好的钛白粉或经过包裹处理的钛白粉，此外，在挤出时增强挤压混合效果也是必要的。要达到非常好的遮盖力，在配方上要作相应改进。3.3 流平性普通粉末涂料的流平性和流挂现象是一对矛盾，流平性较好时，容易流挂。在使用超细粉末涂料时，由于粉体薄涂时不易出现流挂问题，通常可以加入较大量的流平剂或采用流平较好的树脂等，从而可以达到较好的流平性能。总的说来，超细粉由于粒径细，喷涂均匀，得到的涂层产品具有非常平整的涂层表面。同普通粗粉一样，涂层的平整性也随着涂层厚度的增加而增加，通常在20微米能达到同样粗粉60微米以上的效果，厚度增加到50微米时，表面效果达到非常好的程度。3.4 粉体带电性超细粉体质量小，不易上粉，理论上应该加入一些导电剂，增加上粉率。但在实际应用中发现，一次上粉率较低其实是一种优点。由于上粉率较低，使得喷涂的选择性增强，即喷涂时很容易得到均匀的涂层厚度。上粉率差的特点是超细粉涂装的一个非常重要的优点，它确保涂装过程能够很容易地得到均匀平整的薄涂层。另一方面，超细粉通常解决了粉体流化这一根本问题，超细粉的回收使用没有任何问题。3.5 成本与质量的平衡超细粉可以得到非常薄的涂层，但涂层厚度实际上密切影响涂层的表面平整度。如粒径在18微米的超细粉，涂层厚度为40微米的表面比厚度在30微米的涂层表面明显平整。用户可以根据客户对产品质量的要求决定涂装厚度。尽管由于膜厚大大降低，超细粉涂装的成本将大大降低。但成本降低的百分率并不与粉体节省的百分率直接相关。由于选用很多高档的原材料并增加了生产成本，通常超细粉比普通粉贵很多。而白色超细粉产品，因大量使用最高档的钛白粉，其成本增加比其他颜色多。深色超细粉的成本增加很少。总的说来，超细粉涂装在综合成本上还是有明显下降的，而且，越是高档产品下降的成本越明显。目前，超细粉末涂料应用多半都是为了提高产品质量，满足市场的特殊质量要求。纯粹利用超细粉来节约成本还不是主要用途。希望能够找到熔融性能好，又有很好遮盖力的钛白粉和其他原材料，以进一步降低成本。4 超细粉末涂料的涂装超细粉末涂料就是具有很好流动性能的粒径为1020微米的粉末涂料，理所当然地应该能够使用常规的喷涂设备进行涂装。在实际应用过程中，超细粉的确能够象普通粗粉那样完全进行流化并没有堵枪等流化不好的问题。但超细粉的喷涂还是有其特殊性。超细粉的质量较小，表面积较大，虽然单体的带电较少，但总体带电却很多。在喷涂过程中，虽然喷涂设备基本上都不用改变，不论是在简易喷房里的手工喷枪，还是非常现代的喷房里的最先进的自动化喷枪，都能够喷涂自如，但喷涂工艺需要根据具体情况作微小的变动。比如：电压可以小一点，距离可以稍近一些。关于工艺参数，如普通粗粉情况一样，每条生产线都有其适应自身的最佳的涂装条件，需要现场的技术人员进行一定的摸索完善。 普通粗粉的回收粉有较多的细粉，在重复使用时常常会出现抱团、吐粉等流化不好的问题，给粉体涂料的回收利用带来麻烦。很多情况下是必需将回收粉与粗粉按一定比例掺合回收使用。 超细粉由于质量小，不如粗粉那样很容易上到工件上去，一次上粉率比粗粉差。但这并不是件坏事，上粉率差使得选择性较好。超细粉喷涂很容易得到很均匀而且膜厚较薄的涂层，这是粗粉很难达到的。另一方面，由于超细粉解决了细粉流化问题，其回收粉不存在流动性不好的问题，只要设备具有回收装置，涂装是完全没任何问题的。现在常用的回收系统有旋风回收和滤芯回收两种，两种方法都能够有效地回收未使用的超细粉。滤芯回收的设备和条件与普通粉一样，但旋风回收需要对设备进行必要的改进。普通粉中就含有很多10微米以下的颗粒，现在常规的粉体回收装置，完全具有回收大部分粉体颗粒的能力。超细粉的平均粒径比普通粉小很多，含有更多的超细粉，因而需要较强的风力，使所有超细粉也能顺利回收。回收粉通常具有比首次使用的粉体具有更小的粒径，但超细粉末涂料技术彻底解决了超细粉的流化问题，使回收粉具有与原粉同样的流动性能，再次使用时不会出现粗粉回收粉那样的流化不好的一系列弊病。5 超细粉末涂料的特点和应用5.1 超细粉末涂料的性能超细粉的涂装实际上是因为解决了细粉流化而成功实现的超细粉喷涂的过程，其涂层性能按理应该没有多大变化，但实际情况却不然。下列原因使得超细粉涂层具有稍微不同的涂层性能。其一，颗粒细微，使得涂层较为致密，涂层表面变得平整，表面抗刮伤性能和平整性能增强；其二，由于涂层薄，避免了很多情况下因涂层太厚而带来的涂层脱落等弊端。此外，粗粉涂装很难得到薄涂层，而过厚的涂层实际上带来很大的浪费，为节约成本，常规粉末涂料都必需加入很大量的各种廉价的填充料，而这些填充料虽然不影响涂层的遮盖力等，但却一定程度影响了涂层的化学性能和抗腐蚀性能。超细粉由于涂层薄，要求很高的遮盖力，不得不使用最好的原材料，而且由于涂层薄，也能够用得起最好的原材料。因此，超细粉涂层的性能，在很多方面比普通粉的涂层明显优越。如抗腐蚀耐候性，柔软性，联结力，硬度等。当然，如果需要很厚的涂层的情况，如需要很强的抗机械摩擦性能的情况，薄涂层就没有厚涂层好。总之，超细粉末涂料涂装通常能够得到较普通粉末涂料更好的通常产品。5.2 超细粉末涂料应用举例超细粉可以用于现在普通粉末涂料使用的所有情况，比如即可以使用环氧、聚酯环氧混合等的室内情况，也可以使用纯聚酯、丙烯酸或聚氨酯等的室外产品。并且，超细粉还可望能用于普通粉末涂料在膜厚和表观性能不能达到的高档产品的情况，如高档家电，家具，汽车车体等。达到真正在表观性能上能够代替油漆的作用。以下是一些成功的使用的案例。（1)高档家电 主要用于需要非常好的涂层表观效果的情况或需要大量节约成本的高档情况。根据实际使用情况，高档家电通常以达到最好表观涂层效果为首要目标，多数用户都没有将膜厚降到很低，而是保持在40微米以上，这样虽然没有进一步降低成本，但平整光滑的涂层表面明显提高了产品档次。（2) 汽车轮毂汽车轮毂表面需要一层非常光亮平整而硬度和抗刮伤性能都很好的涂层。由于粉末涂料达不到表观平整要求，大多使用液体油漆。很少客户使用高流平的粉末涂料，虽然硬度等性能比液体油漆较好，但即使涂装厚度到达90微米以上，仍难达到表观要求。采用超细粉高光透明粉，只须约50微米的涂层就能达到非常理想的表观性能，能够在集合液体油漆和粉末涂料两者优点的同时，大大降低涂装成本。（3) 黑色零部件汽车内部零部件等很多地方使用的粉末涂料，主要是需要保护作用，其实并不需要太厚的涂层，但由于粗粉粉末涂料无法实现薄涂层涂装，通常涂层的膜厚都在60 100 微米左右。使用超细粉，由于黑色粉体具有很强的遮盖力并可以得到非常均匀平整的涂层表面，在实际应用中涂层膜厚可以降到平均20微米，节约了大量成本，而且，实测的涂层抗腐蚀性能等并没有降低，相反，测量出的硬度和联结性都有所增加。 （ 4) 家具、货柜等室内产品有部分客户因生产表面平整度要求高的出口产品而使用了超细粉。为达到最好的表观质量，涂层膜厚降低很少，结果成本并没有降低。平整的涂层表面大大提高涂层产品的质量，增加了产品的附加值。（5) 室外耐候产品铝型材等的喷涂首先要求的是优异的耐候性，然后再希望较好的表观性能。超细粉采用高档的耐候聚酯和无机耐候颜料，能够得到两方面性能都非常好的涂层产品，更为重要的是，节省成本比较显著。（6）尼龙尼龙粉末涂料涂装的产品具有非常好的抗摩擦性能，用于汽车、家电和高档家具等多个行业。超细尼龙粉末涂料可以大大提高产品的表观质量，如在家电和高档家具的使用中，产品的档次得到明显提高。同时，尼龙粉的价格通常很高，超细粉可以得到很薄的涂层，大大降低涂装成本。超细尼龙粉的应用具有很大的社会和经济效益。（7）氟碳粉末涂料氟碳涂料是金属建筑罩面漆的极品，具有几十年的抗紫外光和抗腐蚀的耐侯性，是高档金属建筑物的必选。由于流平性能差，国内外的氟碳涂料主要还是液体。PVDF（聚偏二氟乙烯树脂）制成的氟碳粉末涂料已有十几年的历史，但由于涂层表面平整度差，而且涂层太厚，导致成本过高，使用量一直很少。提高PVDF粉末涂层平整度并降低涂层膜厚是一项很重要的工作。超细粉体粉末涂料一举将两个问题同时解决，使得粉末涂料替代液体涂料成为可能。实际应用的情况是，超细氟碳粉末涂料得到硬度很高的氟碳涂层，而其他优异性能完全保留或增强，特别是在涂装成本大大降低的同时，带来了很大的环保效益。氟碳粉末涂料是一个较新的产品，还需要进一步推广应用。应用超细粉技术，氟碳粉末涂料象其他粉末涂料一样，最终全部代替液体氟碳涂料只是迟早的问题了。（8）汽车车体粉末涂料汽车粉末涂料的开发是粉末涂料工业的一个重大课题，也是超细粉末涂料开发的重要驱动力。约10年前，美国的三大汽车公司就联合在底特律成立了专门研究超细粉末涂料用于汽车车体的研究所，投入了大力资金和精力。粉末涂料可以使用比比液体涂料更高分子量的聚合物树脂，从而得到更好的机械性能，如高抗划伤、高硬度等性能。但是，汽车车体用粉末涂料之所以受到汽车工业界的高度重视，不仅是粉末涂料具有较好的经济效益、更好的质量以及更高的涂装效率，最重要的是其环保效益。这些国际汽车大公司在环保方面的任何努力，都会在其销售和公司股票价格上得到快