不同粉體填料在粉末涂料中的應(yīng)用研究
涂料環(huán)保風(fēng)暴時(shí)代，發(fā)展環(huán)境友好型涂料是企業(yè)的必然選擇，但是環(huán)境友好型涂料不止水性涂料一種，如果企業(yè)一窩蜂的去發(fā)展水性涂料，難免為會(huì)出現(xiàn)產(chǎn)品同質(zhì)化。除了水性涂料，高固體分涂料、無(wú)溶劑涂料 、粉末涂料也是環(huán)境友好型涂料，理應(yīng)成為涂料行業(yè)重點(diǎn)發(fā)展方向。有研究報(bào)告稱(chēng)亞太地區(qū)預(yù)計(jì)2017年至2022年的粉末涂料市場(chǎng)的價(jià)值和數(shù)量將達(dá)到最高的增長(zhǎng)率。粉末涂料技術(shù)正在快速發(fā)展以適應(yīng)需求驅(qū)動(dòng)的市場(chǎng)。市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)之下，對(duì)于不同粉體材料在粉末涂料中的應(yīng)用研究就顯得尤為重要。
一、粉末涂料概況
粉末涂料始于上世紀(jì)50年代，是一種固含量為100%，且沒(méi)有有機(jī)揮發(fā)物(VOC) 產(chǎn)生的環(huán)保型涂料，具有節(jié)省能源，減少污染，工藝簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化，涂層性能優(yōu)異等特點(diǎn)。
粉末涂料[1]是由聚合物、顏填料和助劑組成的粉狀涂料。由于沒(méi)有液態(tài)介質(zhì)的揮發(fā)，具有良好的生態(tài)環(huán)保性；粉末涂料一次性就可形成較厚的涂層，具有極高的生產(chǎn)效率；粉末涂料的力學(xué)性能和抗化學(xué)腐蝕性能優(yōu)異，具有優(yōu)異的涂膜性能；粉末涂料的使用能夠節(jié)約能源，節(jié)約資源，利用率可達(dá)99%，使用安全，具有突出的經(jīng)濟(jì)性；因此，作為無(wú)溶劑涂料，粉末涂料符合國(guó)際上流行的經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、高效、性能卓越的“四E”原則。
電器和輕型汽車(chē)的需求不斷增長(zhǎng)，導(dǎo)致對(duì)粉末涂料的需求增加。發(fā)達(dá)國(guó)家和新興國(guó)家終端使用行業(yè)的需求不斷增長(zhǎng)，也引發(fā)了粉末涂料市場(chǎng)的增長(zhǎng)。市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)Markets and Markets發(fā)布的報(bào)告稱(chēng)，全球粉末涂料市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)到2022年將達(dá)到1349億美元，2017年到2022年的年復(fù)合增長(zhǎng)率為6.75%。
得益于多個(gè)因素的共同推動(dòng)，尤其是城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展以及房屋、建筑以及汽車(chē)等領(lǐng)域的聯(lián)合增長(zhǎng)，中國(guó)粉末涂料市場(chǎng)需求的增速位列全球之冠，2016年中國(guó)粉末涂料行業(yè)產(chǎn)量達(dá)到207萬(wàn)噸。
從產(chǎn)量來(lái)看，目前粉末涂料約占我國(guó)涂料總產(chǎn)量的11%，按照“十三五”規(guī)劃中“到2020年涂料行業(yè)總產(chǎn)量預(yù)計(jì)增長(zhǎng)到2200萬(wàn)噸左右，其中，性?xún)r(jià)比優(yōu)良、環(huán)境友好的涂料品種占涂料總產(chǎn)量的57%”，預(yù)計(jì)到2020年粉末涂料占比將上升至18%左右，產(chǎn)量將達(dá)400萬(wàn)噸。粉末涂料的快速發(fā)展必然帶動(dòng)粉體填料需求量的增長(zhǎng)[2]。
二、不同粉體材料在粉末涂料中的應(yīng)用分析
涂料中的填料不僅可以降低其成本，而且對(duì)提高涂料產(chǎn)品的性能也起到很大的作用。如提高涂膜的耐磨性和刮傷性，降低涂料熔融流平時(shí)的流掛，提高防腐蝕性能，改進(jìn)耐潮氣性等。
粉末涂料在選擇填料時(shí)需要考慮密度、分散性能、粒徑分布、純度等因素。通常而言，密度越大，粉末涂料的覆蓋率越低；大粒子的分散性好于小粒子的分散性；填料是化學(xué)惰性的，能避免與粉末配方的某些組分如顏料發(fā)生反應(yīng)；填料的顏色應(yīng)盡可能地白。粉末涂料通常使用的粉體材料主要有碳酸鈣、硫酸鋇、滑石粉、云母粉、高嶺土、二氧化硅、硅灰石等。
碳酸鈣分為輕質(zhì)碳酸鈣(沉淀碳酸鈣)和重質(zhì)碳酸鈣。無(wú)論哪種碳酸鈣、用何種方法生產(chǎn)，不同的粒徑大小都強(qiáng)烈地影響涂層的光澤。碳酸鈣通常不推薦用于戶(hù)外使用。
重鈣除用于增量外，主要用于部分取代鈦白粉和彩色顏料，取代輕鈣和沉淀硫酸鋇，防腐蝕以及部分取代防銹顏料。
重鈣用于室內(nèi)建筑漆時(shí)，可單獨(dú)使用或與滑石粉并用。與滑石粉相比，碳酸鈣可降低粉化速率，改善淺色漆的保色性和增加抗霉菌性。但由于耐酸性差，妨礙了它在外用涂料中的應(yīng)用[3]。
和重鈣相比，輕鈣具有小的粒徑和窄的粒徑分布范圍、高的吸油量和亮度，輕鈣可用在需求最大消光效果的地方。
用作涂料體質(zhì)顏料的硫酸鋇有天然和合成兩種，天然產(chǎn)品稱(chēng)重晶石粉，合成產(chǎn)品稱(chēng)沉淀硫酸鋇。
在粉末涂料方面，沉淀硫酸鋇能增強(qiáng)粉末涂料的流平性和保光性，并且與所有的色料有較好的兼容性。可使粉末涂料在噴涂工藝中達(dá)到理想的涂膜厚度，且上粉率高。
重晶石粉填料主要用于要求高涂膜強(qiáng)度、高填充力和高化學(xué)惰性的工業(yè)底漆和汽車(chē)中間涂料，也用于需要較高光澤的面漆中。在乳膠漆中，由于重晶石折射率高(1.637)，微細(xì)重晶石粉可具有半透明性白色顏料的功能，可在涂料中取代部分鈦白粉。
云母粉為復(fù)雜的硅酸鹽類(lèi)組成，粒子為鱗片狀，耐熱、耐酸堿性?xún)?yōu)良，對(duì)粉末涂料的熔融流動(dòng)性有影響，一般在耐溫和絕緣粉末涂料中使用，可作為紋理粉的填料用。
眾多類(lèi)云母中，絹云母的化學(xué)結(jié)構(gòu)與高嶺土相近，兼具了云母類(lèi)礦物和粘土類(lèi)礦物的多種特點(diǎn)。其應(yīng)用于涂料中，可大幅度提高涂膜的耐候性、抗透水性，增強(qiáng)涂膜的附著力和強(qiáng)度，改善涂膜的表觀(guān)。同時(shí)染料粒子易進(jìn)入絹云母粉的晶格層間，從而保持顏色長(zhǎng)久不褪色。此外絹云母粉還具有抗藻防霉的功能。因此，絹云母粉對(duì)涂料而言是一種價(jià)格性能比優(yōu)異的多功能填料。
滑石粉又稱(chēng)含水硅酸鎂，由滑石礦直接粉碎而成。粒子呈針狀結(jié)晶，有滑膩感，質(zhì)地柔軟和磨蝕性低，有良好的懸浮性和分散性及一定的觸變性，對(duì)粉末涂料的熔融流動(dòng)性有較大的影響，常用于紋理粉。目前在各種底漆、中間涂料、路標(biāo)漆、工業(yè)涂料以及內(nèi)外用建筑涂料中應(yīng)用。
滑石粉價(jià)格便宜，但是它存有缺點(diǎn)，因而用量有限。首先，吸油量較大。在需要低吸油量的場(chǎng)合，它必須與吸油量低的填料和重晶石粉配合；其次，耐磨性不高，在需要高耐磨性的場(chǎng)合，要加入其他的填料加以彌補(bǔ)；再者，含有其他非金屬礦物的滑石粉，因雜質(zhì)礦物易與酸(如酸雨)反應(yīng)，故不適用于要求高耐候性的外用涂料中；此外，滑石粉具有消光性，故它一般不用于高光澤涂料中。
多孔粉石英屬于二氧化硅體系一種，使用的安全性被認(rèn)可，已廣泛用于粉末涂料、防火涂料、防水涂料、防腐涂料等。廉價(jià)的多孔粉石英可以降低粉末涂料的成本，同時(shí)替代硫酸鋇以減少產(chǎn)品中可溶性鋇的含量，達(dá)到環(huán)保要求。
此外，粉末涂料常使用氣相白炭黑作為粉末涂料的松散和抗結(jié)塊助劑。氣相二氧化硅是一種多功能體質(zhì)顏料，又是性能優(yōu)良的涂料流變控制劑。在液體涂料中，它的流變控制功能包括：增稠、觸變、防流掛、覆蓋邊緣；在固體粉末涂料體系中，增進(jìn)粉末的自由流動(dòng)，防止結(jié)塊和流體化[4]。
高嶺土可以改善觸變性和抗沉淀性。煅燒黏土對(duì)流變性能沒(méi)有影響，但卻可以像沒(méi)有經(jīng)過(guò)處理的黏土一樣，具有消光作用、增加遮蓋性和增加白度，這些都類(lèi)似于滑石粉。
高嶺土一般吸水性較大，不適合提高涂料的觸變性，不適合于制備憎水性涂膜。高嶺土產(chǎn)品粒徑在0.2—1μm之間。粒徑大的高嶺土吸水性??；消光效果好，粒徑小的高嶺土(1μm以下)，可用于半光涂料和內(nèi)用涂料。
高嶺土可分為煅燒高嶺土和水洗高嶺土。一般來(lái)說(shuō)，煅燒高嶺土的吸油量、不透明性、孔隙率、硬度和百度都高于水洗高嶺土。
空心玻璃微珠是一種微小、中空的圓球狀粉末，具有重量輕、體積大、導(dǎo)熱系數(shù)低、抗壓強(qiáng)度高、絕緣、耐腐蝕、無(wú)毒以及分散性、流動(dòng)性、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。
在粉末涂料中應(yīng)用時(shí)，空心玻璃微珠可以起到以下作用[5]：
（1）隔熱、絕緣、吸水率低?？招牟Ａ⒅榈膬?nèi)部是真空或稀薄氣體，與環(huán)氧樹(shù)脂存在密度及導(dǎo)熱系數(shù)差，所以它具有隔熱的特性，是耐高溫粉末涂料的極佳填充劑。
（2）可改善粉末涂層的物理機(jī)械性能?？招牟Ａ⒅樘盍峡稍黾臃勰┩苛系挠捕群蛣偠取５箾_擊性能下降，下降多少與對(duì)中空玻璃微珠的表面處理有關(guān)。如選用正確的偶聯(lián)劑進(jìn)行預(yù)處理，可減少對(duì)材料抗沖擊性能的影響。
（3）吸油率低。不同型號(hào)空心玻璃微珠每100g的吸油率在7mg~50mg之間，這種低吸油率的填充材料在生產(chǎn)過(guò)程中變相地增加了填充量降低了綜合成本。
硅灰石主要成分為硅酸鈣，密度為2.9g/cm3，折射率為1.63，吸油量為30~50%，具有似針狀結(jié)構(gòu)，且有好的亮度。
粉末涂料一般采用天然硅灰石粉，由天然硅灰石加工制成。硅灰石在涂料中可作為體質(zhì)顏料和代替部分白色顏料，起遮蓋、增量作用，降低漆的成本。因具有良好的導(dǎo)電性，常用于環(huán)氧絕緣粉末涂料。硅灰石為白色針狀結(jié)構(gòu)，可以改善粉末涂料的彎曲和拉伸性能。
三、粉末涂料用粉體填料的發(fā)展趨勢(shì)
粉末涂料填料都具有極性，而粉末涂料樹(shù)脂極性極小，會(huì)造成兩者之間兼容性不好，對(duì)粉末涂料加工和涂料性能帶來(lái)不良影響。因此，通常需要對(duì)粉體填料進(jìn)行物理方法(表面包覆和表面吸附)或化學(xué)方法(表面取代、水解、聚合和接技等)處理，使聚集體的顆粒直徑明顯減少或使體系的流動(dòng)性得以改良，改進(jìn)涂料的加工性能、表觀(guān)質(zhì)量(如光澤，色澤鮮艷度等)和機(jī)械強(qiáng)度。
粉末涂料樹(shù)脂與填料比一定時(shí)，理論上填料粒徑越小，涂膜表面性能、機(jī)械性能越好。若填料粒徑降到與鈦白粉粒徑相近的水平(0.2~0.5μm)，能夠?qū)⑴浞街挟a(chǎn)生的附聚鈦隔離開(kāi)來(lái)，形成更多的有效分散中心，提高鈦白粉的遮蓋力，這就是微細(xì)化填料的空間位隔原理。同樣，微細(xì)化填料也可以降低顏料的用量。
最常用的納米材料是納米二氧化硅、納米二氧化鈦和納米碳酸鈣。據(jù)報(bào)道，納米二氧化鈦具有透明性，能提高涂料的機(jī)械性能和紫外線(xiàn)吸收性，應(yīng)用于汽車(chē)罩光清漆，能使粉末涂料耐候性有顯著的提高。由于納米材料是非常細(xì)小的顆粒，表面活性相當(dāng)高，很容易團(tuán)聚、絮凝，所以納米填料的表面處理、添加方法和分散設(shè)備的選擇、納米材料在粉末涂料中的添加量以及如何分散到基料樹(shù)脂之中，是納米材料在粉末涂料中應(yīng)用的關(guān)鍵。在粉末涂料配方設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)產(chǎn)品性能要求選擇不同填料，以達(dá)到最佳效果[6]。
功能化粉末涂料發(fā)展的方向是改進(jìn)粉末涂料某些方面的物理、化學(xué)、力學(xué)性能，或賦予粉末涂料全新的功能。例如高嶺土、硅灰石粉，用于生產(chǎn)電絕緣性粉末涂料，既可降低粉末涂料成本，又可以提高電絕緣性。氫氧化鋁和氫氧化鎂具有阻燃作用，可以制成阻燃性粉末涂料，還可以控制流變性、改進(jìn)附著力、控制光澤、提高遮蓋力等[7]。因此，粉末涂料用填料應(yīng)從單純降低成本轉(zhuǎn)向其它功能性研究，開(kāi)發(fā)出更多性能優(yōu)異，價(jià)格低廉的新型填料，滿(mǎn)足粉末涂料不斷發(fā)展的需要。
小結(jié)
粉末涂料是一種省能源、省資源、低污染的環(huán)保型涂料。由于世界各國(guó)對(duì)能源的需求越來(lái)越大，降低能源消耗，保護(hù)環(huán)境成為主要的發(fā)展方向。因此，開(kāi)發(fā)可低溫固化、高耐候性、裝飾性強(qiáng)及可薄涂的粉末涂料將是今后的主要發(fā)展方向。在粉末涂料需求帶動(dòng)下，碳酸鈣、石英、云母粉、滑石、高嶺土等粉體填料需求也必然隨之增長(zhǎng)。并且對(duì)粉體填料的微細(xì)化、功能化、表面改性處理等方面的要求也就越來(lái)越高。
