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粉末涂料研究進(jìn)展及建筑鋁型材涂裝分析

發(fā)布時(shí)間:2021-10-26 17:29:33      點(diǎn)擊次數:589

粉末噴涂在建筑鋁型材表面處理中的優(yōu)勢

目前鋁型材的表面處理主要包括陽(yáng)極氧化、電泳涂裝和粉末噴涂3種。通常完整的陽(yáng)極氧化工藝流程需要經(jīng)過(guò)機械預處理、化學(xué)前處理、陽(yáng)極氧化、著(zhù)色和封閉5道工序。電泳涂裝工藝與陽(yáng)極氧化工藝大體一致,區別在于電泳涂裝在陽(yáng)極氧化著(zhù)色工序之后用電泳涂裝工序取代了封閉工序,所以經(jīng)過(guò)電泳涂裝的鋁型材表面其實(shí)是陽(yáng)極氧化膜和電泳涂層的復合膜,又稱(chēng)陽(yáng)極氧化復合膜。粉末噴涂也需要化學(xué)前處理,之后進(jìn)行靜電噴涂粉末涂料。

鋁型材的3種表面處理得到的涂膜性能上各有特點(diǎn)。陽(yáng)極氧化在早期是我國建筑鋁型材表面處理的最主要方式,陽(yáng)極氧化膜具有高的耐磨性、良好的絕熱絕緣性能和抗蝕性能,現在仍是鋁型材表面處理的主要方式之一。電泳涂裝成熟于日本,日本是個(gè)海洋氣候國家,四面環(huán)海,海鹽微?;蛘呋煊泻I车幕夷嘁鸬匿X型材腐蝕問(wèn)題比較突出,陽(yáng)極氧化處理工藝難以實(shí)現種高腐蝕環(huán)境下的有效保護。電泳涂裝具有優(yōu)異的耐候性和抗腐蝕性,同時(shí)外觀(guān)亮麗,易于清掃,因此得到了迅速發(fā)展。美國佛羅里達暴曬試驗數據顯示,電泳涂裝得到的陽(yáng)極氧化復合膜(5a的保光率)與氟碳涂層相當,色差還小于氟碳涂層。然而電泳涂裝也存在漆膜易劃傷的缺陷,此外作為基層的陽(yáng)極氧化膜韌性差,在機械應力或熱應力下容易發(fā)生開(kāi)裂, 有報道顯示冷封孔的陽(yáng)極氧化膜只能承受66℃烘烤,在82℃下烘烤只有一半的試樣合格。

20世紀90年代初,粉末噴涂開(kāi)始在我國鋁型材的表面處理中規?;瘧?,近10a來(lái)發(fā)展迅速。粉末噴涂的性能優(yōu)勢并不明顯。如在外觀(guān)平整度和涂膜均勻性上不如陽(yáng)極氧化和電泳涂裝、耐候性能介于陽(yáng)極氧化和電泳涂裝之間,但耐磨性、耐酸性和柔韌性明顯優(yōu)于陽(yáng)極氧化和電泳涂裝。建筑鋁型材作為一種半永久性結構,耐久性至關(guān)重要, 因而抵抗機械作用與抗老化保持涂膜的完整性和功能性尤為重要。通常使用的電泳漆是丙烯酸涂料,具有非常優(yōu)異的耐候性,GB 5237―2008 加速耐候性最低級別也要求1000h氙燈老化保光率>80%,最高級別甚至要求4000h氙燈老化保光率>80%;建筑鋁型材通用型粉末涂料主體結構是聚酯樹(shù)脂,其耐候性比丙烯酸略差,GB 5237―2008 加速耐候性最高級別也僅要求1000h氙燈老化保光率>90%。

這表明電泳涂裝耐候性平均值明顯高于粉末噴涂,建筑鋁型材的粉末涂裝耐候性已經(jīng)落后于實(shí)際需求。在應用上粉末噴涂?jì)?yōu)勢較大。粉末噴涂可以實(shí)現多達幾千種色彩和各式各樣的紋理裝飾效果,這是陽(yáng)極氧化和電泳涂裝所難以達到的。另外,粉末噴涂環(huán)保優(yōu)勢明顯。陽(yáng)極氧和電泳涂裝工藝中,水和電的消耗是相當大的,在氧化工序中,整流機的輸出電流可達到8~11kA,電壓在15~17.5 V(硫酸直流陽(yáng)極氧化工藝氧化電壓一般為12~18 V),噸電耗可達1000度左右。此外,陽(yáng)極氧化、著(zhù)色和封閉工序需使用大量的酸、堿和鎳鹽等,廢水和廢氣后處理壓力大。粉末噴涂前處理工序比陽(yáng)極氧化前處理工序簡(jiǎn)便,主要為脫脂與鉻化,無(wú)需陽(yáng)極氧化和電泳工序,能耗較低。粉末涂料不含溶劑,VOC排放幾乎為0,環(huán)保壓力小。鋁型材粉末涂裝相比陽(yáng)極氧化和電泳涂裝耗電量要少很多,但是目前主流粉末涂料的固化溫度高達180~200 ℃,其能源消耗仍然不可忽視,降低粉末涂料固化條件是長(cháng)期發(fā)展的趨勢。


建筑鋁型材粉末涂料研究進(jìn)展

近幾年來(lái), 國家和社會(huì )對環(huán)保的要求越來(lái)越高,政策導向逐漸限制和減少高能耗高污染的生產(chǎn)工藝使用的趨勢十分明顯, 粉末涂裝迎來(lái)了發(fā)展的良機。然而,要擴大粉末涂裝在建筑鋁型材表面處理中的應用,粉末涂裝在保持自身應用優(yōu)勢的基礎上,提高耐候性彌補性能上的不足同時(shí)降低粉末涂料固化溫度減少能耗是必經(jīng)的過(guò)程。


2.1 粉末涂料的耐候性改進(jìn)

國內外對粉末涂料耐候性有較多研究。在粉末涂料用聚酯樹(shù)脂合成中,適當加大間苯二甲酸的比例減少對苯二甲酸的用量,以及盡量使用新戊二醇、減少使用或不用乙二醇以保證耐候性,已經(jīng)得到了行業(yè)內的廣泛認同。然而常規的間苯二甲酸替代法存在機械性能變差的問(wèn)題,目前國內商品化的超耐候聚酯樹(shù)脂絕大部分采用全間苯二甲酸方案,而這一類(lèi)型的超耐候聚酯樹(shù)脂制備得到的粉末涂層,通常其反沖只能達到20cm,機械性能差是這些超耐候樹(shù)脂面臨的共同問(wèn)題。

在各種類(lèi)型的粉末涂料中,氟碳粉末涂料的耐候性能最佳,可達到超耐候的要求。鞏永忠等對氟碳粉末涂料及其關(guān)鍵原材料氟碳樹(shù)脂進(jìn)行了長(cháng)期研究,目前PEVE氟碳粉末的加工性能已經(jīng)大大改善,使用與常規粉末涂料相同的設備和工藝制備得到的FEVE氟碳粉末涂料通過(guò)了QUALICOAT―2009Ⅲ和AAMA 2605―2005 認證, 固化溫度也降低到了180~200℃,機械性能和附著(zhù)力都不存在應用問(wèn)題。然而FEVE氟碳樹(shù)脂加工工藝復雜,價(jià)格昂貴限制了其的應用。為降低成本, 國內粉末涂料廠(chǎng)家在常規粉末涂料中引入部分氟碳樹(shù)脂, 通過(guò)拼用或層分離的技術(shù)制得耐候性?xún)?yōu)異的粉末涂料, 在降低成本的同時(shí)提高了氟碳樹(shù)脂的潤濕性能和機械性能。魏育福等在TGIC固化粉末涂料中引入6%~17%的FEVE氟碳樹(shù)脂, 制備得到的粉末涂料仍具有非常優(yōu)異的耐候性,其1000h氙燈老化保光率在90%以上。張云偉通過(guò)環(huán)氧粉末涂料與氟碳粉末涂料干混, 通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂與氟碳樹(shù)脂表面能差異實(shí)現1次涂裝之后的分層,實(shí)現了重防腐和超耐候,制備的涂層2000h氙燈加速老化后保光率仍有90%以上。高慶福等將TGIC固化聚酯樹(shù)脂與異氰酸酯固化氟碳樹(shù)脂拼用制得復合型超耐候粉末涂料, 研究表明當聚酯樹(shù)脂與氟碳樹(shù)脂的質(zhì)量比為1∶1時(shí)其QUV-B 1000h人工加速老化保光率還有60%以上,可很好地實(shí)現耐候性和成本的均衡, 而同等試驗條件下聚酯樹(shù)脂粉末涂料的保光率只有19.1%。

通過(guò)引入新的耐候性單體,改善聚酯樹(shù)脂主體結構的耐候性也是可行的方案。Chang 等發(fā)現,使用不含苯環(huán)的單體1,2-環(huán)己烷二甲酸或1,3-環(huán)己烷二甲酸、1,4-環(huán)己烷二甲酸和2,2,4,4-四甲基-1,3-環(huán)丁烷二醇為主體合成的聚酯樹(shù)脂, 與羥烷基酰胺在約177℃/20 min 下固化制得的涂膜具有非常優(yōu)異的耐候性。

其50%保光率的QUV-B老化時(shí)間均在1500h以上;二元酸采用1,2 -環(huán)己烷二甲酸的50%保光率的QUV-B老化時(shí)間甚至達到了5000h,而常規聚酯樹(shù)脂制備的涂膜50%保光率的QUV-B 老化時(shí)間在300h以下。楊小青等也發(fā)現使用不含苯環(huán)單體制備得到的聚酯樹(shù)脂具有優(yōu)異的耐候性。鄭榮輝等在聚酯樹(shù)脂合成過(guò)程中引入含氟單體1H,1H,10H,10H-全氟-1,10-癸二醇、四氟間苯二甲酸、六氟戊二酸,將制備得到的含氟聚酯樹(shù)脂與β-羥烷基酰胺固化可制得耐候型優(yōu)異的涂層。然而這些耐候性單體價(jià)格遠高于常規單體,上述無(wú)苯環(huán)單體制備得到的涂層還存在Tg較低的缺陷。

除了改進(jìn)成膜物耐候性之外, 使用改性填料和助劑來(lái)提高粉末涂料的耐候性也有見(jiàn)報道。郭剛和施奇武分別發(fā)現,將經(jīng)過(guò)表面改性的金紅石(R)型納米TiO2作為紫外光吸收劑加入粉末涂料中,2%的添加量就可以大幅改善涂層的耐候性。涂清華等研究表明,粉末涂料在高溫高濕的環(huán)境中涂膜表面易出現發(fā)白斑塊,這些發(fā)白斑塊是由于涂層吸水導致的,通過(guò)使用10%~40%的經(jīng)過(guò)表面處理的BaSO4和Al2O3疏水填料,白斑基本消失,通過(guò)提高疏水性來(lái)提高涂層的耐候性。


2.2 低溫固化粉末涂料的研究

目前行業(yè)內將固化條件<160℃的粉末涂料稱(chēng)為低溫固化粉末涂料。要實(shí)現低溫固化需要成膜物具有高的反應活性和低的熔融黏度,同時(shí)為保證涂膜必要的機械性能和粉末貯存穩定性,成膜物固化前的相對分子質(zhì)量不能太低。

不同類(lèi)型粉末涂料里面,能夠滿(mǎn)足建筑鋁型材耐候要求的有TGIC固化體系、羥烷基酰胺固化體系、封閉異氰酸酯固化體系以及丙烯酸粉末涂料等。其中封閉異氰酸酯固化體系由于常用己內酰胺封閉固化劑的解封閉溫度高達160℃, 難以滿(mǎn)足低溫固化的要求。丙烯酸樹(shù)脂具有高活性和優(yōu)異的耐候性能,在低溫固化方面應用較多。L·莫恩斯制備了一種可在150℃以下固化得到優(yōu)良涂膜性能的粉末涂料,該粉末涂料由無(wú)定形端羧基聚酯樹(shù)脂A、無(wú)定形或半結晶形端羧基端羥基雙官能團聚酯樹(shù)脂B1和/或結晶性多元酸B2、縮水甘油基丙烯酸共聚物C、可與羧基反應的其他化合物D組成。該粉末涂料在140℃/15 min固化后得到的涂膜機械性能與常溫固化粉末涂料相當,QUVA人工加速老化50%保光率時(shí)間在2200~2500h,具有優(yōu)異的耐候性。Bin Wu公開(kāi)了一種半結晶聚酯樹(shù)脂及其制備方法, 以半結晶樹(shù)脂與常規無(wú)定形樹(shù)脂和縮水甘油基丙烯酸樹(shù)脂共擠, 制備得到的粉末涂料可在130℃/25min條件下充分固化, 具有很好的機械性能和外觀(guān)流平。李光等通過(guò)選用高環(huán)氧當量丙烯酸樹(shù)脂、低環(huán)氧當量丙烯酸樹(shù)脂、十二烷二酸以及其他助劑制備了低溫固化丙烯酸粉末涂料, 在150℃條件下烘烤20min實(shí)現充分固化,涂膜經(jīng)過(guò)QUV-A 1400h人工加速老化后保光率在90%以上,并應用在鋁輪轂罩光漆上。張劍等通過(guò)聚酯樹(shù)脂和丙烯酸樹(shù)脂共混,在聚酯樹(shù)脂低溫固化劑的作用下,制備了戶(hù)外MDF用粉末涂料, 可實(shí)現中波紅外脈沖輻射加熱下130~150℃快速固化。

目前耐候性粉末涂料用量最大的TGIC固化體系和羥烷基酰胺固化體系,在低溫固化方面,羥烷基酰胺體系更有優(yōu)勢。由于TGIC的加入對粉末涂料Tg影響非常大,TGIC固化樹(shù)脂需要較高的Tg,通常要求在60℃以上,TGIC反應活性高,通常都需要添加固化促進(jìn)劑才能保證在200℃/10min充分固化,而通過(guò)固化促進(jìn)劑能夠實(shí)現的最低固化溫度也都在160℃以上,因此開(kāi)發(fā)TGIC低溫固化聚酯難度非常大。鄭榮輝等通過(guò)增加支化度高的三元醇的種類(lèi)和用量,同時(shí)在多元酸組分中增加間苯二甲酸的用量并引入馬來(lái)酸酐和己二酸, 以高活性的均苯四甲酸二酐封端,制備了可實(shí)現TGIC體系在140~160℃固化的聚酯樹(shù)脂,不過(guò)聚酯樹(shù)脂的Tg只有53~57℃。常用羥烷基酰胺T-105具有4個(gè)官能度,用量少,對粉末涂料Tg的影響比TGIC小得多,反應活性高,通常180℃/10 min就可完全固化。馬洪英通過(guò)配方優(yōu)化,優(yōu)選三羥甲基丙烷、新戊二醇、2-乙基,2-丁基-1,3 丙二醇組合,調整配方中對苯二甲酸、間苯二甲酸和己二酸的比例,并以偏苯三酸酐作為封端劑量,合成了酸值50mgKOH/g 左右,Tg為57 ℃的聚酯樹(shù)脂。該聚酯樹(shù)脂以羥烷基酰胺作為固化劑,可實(shí)現120℃/40 min、130℃/30 min、140℃/20 min 和150℃/15 min 條件下的完全固化。在上述固化條件下,涂膜均實(shí)現了50cm的正反沖,并且QUV-B 240h老化保光率均在80%以上。鄧慕強等通過(guò)引入脂肪族1,6-己二醇和脂環(huán)族多元醇1,4-環(huán)己烷二甲醇以及甲基丙烯酸,制備了可實(shí)現130~140℃固化的羥烷基酰胺固化聚酯樹(shù)脂,Tg在55℃以上。馬志平等引入氫化二聚脂肪酸實(shí)現了聚酯樹(shù)脂柔韌性和Tg的平衡,采用后加入1,4-環(huán)己烷二甲醇的方式降低了聚酯樹(shù)脂的黏度,制備得到的羥烷基酰胺固化樹(shù)脂酸值為50~55mgKOH/g,可實(shí)現140℃條件下的充分固化。張劍等選用酸值在42~56mgKOH/g 的高酸值超耐候聚酯樹(shù)脂,以羥烷基酰胺為固化劑,在固化促進(jìn)劑的作用下,在玻璃鋼表面涂裝實(shí)現了150~160℃的快速固化,制備得到的涂膜耐候型優(yōu)異,附著(zhù)力良好。


總 結

我國建筑鋁型材的3種涂裝工藝在性能上各有特點(diǎn),在應用性能上,粉末涂裝在選擇多樣化和個(gè)性化方面具有較大的優(yōu)勢。但是我國粉末涂料在提高耐候性和降低固化溫度減少能耗方面,尚未取得突破性進(jìn)展。目前氟碳粉末涂料價(jià)格昂貴、應用受限,成本可接受的耐候改進(jìn)方案又存在其他性能上的不足;低溫固化粉末涂料商品化產(chǎn)品極少,上游原材料供應和下游應用市場(chǎng)都有許多困難需要解決。隨著(zhù)我國人民群眾對環(huán)保問(wèn)題關(guān)注的不斷提高,政策導向有利于粉末涂裝擴大應用比例,但是仍需要行業(yè)內加強技術(shù)研發(fā)解決面臨的各種問(wèn)題。


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