粉末涂料及涂装技术新体系探讨

  【摘要】粉末涂料作为一种无溶剂涂料以其高效、优良涂膜性能、生态环保、经济型的优秀品质成为涂料界的新秀得以快速发展并被广泛应用。本文粉体涂装设备介绍了粉末涂料及涂装的新技术体系及未来发展趋势。

    粉末涂料和涂装技术是20世纪中期开发的一项新技术、新工艺，具有不含有机溶剂、无污染、低公害、工序简单、节约能源、涂装效率高、保护和装饰综合性能好、可一次成膜等特点,它是一种新型“绿色涂料”。进入21世纪以来，人类对环境的保护更加重视，对挥发性有机化合物（VOC）向大气排放量的限制日益严格，对有限资源如何节约使用等问题日益关注，致使涂料与涂装界对粉末涂料与涂装技术更加重视。

    1 发展历程

    1950年，聚乙烯粉末火焰喷涂试验的成功开始了粉末涂料的应用，1952年，德国的盖特梅尔发明了流化床涂装热塑性粉末工艺，保证了涂层的均匀性，从而使粉末涂料开始具备了实际应用价值。随后不久，聚氯乙烯和尼龙热塑性粉末涂料相继美国问世。60年代，美国壳牌公司开发了第一种热固性粉末涂料—环氧粉末涂料，同时，法国萨迈斯公司首先推出了粉末静电喷涂设备，并与1966年实现工业化生产。70年代，粉末涂料得到了快速的发展。各国不仅开发了聚酯环氧混合型、聚酯型、聚氨酯型等各类热固性粉末涂料，还有聚丙烯、聚氯乙烯、聚酰胺、乙烯-乙酸乙烯乙烯、聚苯硫醚、氟树脂等热塑性粉末涂料。半个多世纪以来，伴随着制造工艺和涂装技术的改进和发展，这项工业技术发展到现在如今应用领域已覆盖到家电、建筑、汽车、管道及防腐等领域。全球粉末涂料市场2013年的销售额约为77.7亿美元，预计2020年销售额将达到125.3亿美元，年均增长率为7.1%。

    2 粉末涂料新技术体系

    2.1 紫外光固化粉末涂料

    紫外光固化粉末涂料是通过紫外光激发生成自由基或活性阳离子进行交联聚合、固化的热固性粉末涂料。其优点包括：1）低温固化；2）一次施涂即可获得理想的涂膜厚度，且涂膜外观可与溶剂塑料涂膜外观想媲美，性能优于溶剂型涂膜的性能；3）设备体积小，涂装流水线更为紧凑，节省空间；4）固化速度快，能量消耗低。可以涂装热敏性底材塑料、木器、纸张以及电子元件等。紫外光固化粉末涂料已在欧美发达国家工业化，成功应用于中密度纤维板中。但是该种涂料价格昂贵，并且对结构复杂的工件和大型工件的涂装比较麻烦。

    2.2 粉末涂料的复合化

    复合粉末涂料技术是运用不相容原理将含有两种树脂成分的粉末涂料（环氧/丙烯酸）通过一次涂装和一次加热形成具有两面特性的复合涂层。其接触空气的一面是具优良耐候性的丙烯酸树脂体系，而与基材金属相接的是防腐性优良的环氧树脂体系，复合体系既可减少工艺过程，又赋予涂膜双重性能，是一种既适应环保要求，又可节省能源的新型粉末涂料。

    2.3 低温固化环氧粉末涂料包接技术

    包接技术指在分子水平上由能形成包接化合物的主晶化合物和被包接的黄体形成包接化合物的过程。包接化合物不是简单的混合物，而是有特定的结晶结构，在热稳定性、熔点、化学反应性、溶解性等等物化性能上与原来化合物有很大差别。包接化合物有两种类型：1）单分子包接；2）多分子包接。

    TEP（1,1,2,2—四（4-羟基苯）乙烷是一种实用主晶化合物，其包接的黄体化合物有很好的稳定性，对水的溶解度、蒸发速度、皮肤刺激性等都下降到百分之一到千分之一。在通常情况下数天内就分解的化合物经TEP包接后则能达到数年的稳定性；热稳定性也大幅提高，熔点、沸点能上升10~100℃。

    利用包接技术制造的低温固化环氧树脂粉末涂料具有优异的性能、涂装适用性和贮存稳定性，因此在管道、管道配件、汽车零件、钢制家具等方面有良好的应用前景。

    2.4 结晶聚酯树脂

    结晶聚酯树脂相对于传统的无定型热固性聚酯有如下优点：1）在相似分子量条件下，结晶聚酯比无定形聚酯的熔融黏度低，具有较好的熔融流动流平性。所得涂膜橘皮轻微，涂层平整、光滑，光泽更高；2）结晶聚酯与封闭异氰酸酯交联剂的反应更快速，使固化温度大大降低，所制得涂料具有极优的物理性能；3）结晶聚酯涂料在室温下具有优良抗粘连性。结晶聚酯有两种类型：液晶聚酯和半结晶聚酯。

    液晶聚酯具有分子取向度高，力学性能好，耐冲击性强，熔融黏度低及密度低等优点。半结晶聚酯的窄熔点和低熔融黏度有助于粉末涂料在固化反应开始前的流动，从而有利于得到平整的涂膜。聚酯的酸值、相对分子质量和玻璃化温度可通过所使用单体、催化剂和反应条件的选择来加以调控。

    3 粉末涂装新技术体系

    粉末涂装新技术包括电磁刷涂装技术、NIR（近红外）辐射固化粉末涂料技术及粉末涂料感应加热固化技术等。

    3.1 电磁刷涂装技术（EMB）

    电磁刷涂装技术（EMB）是一种模拟复印或激光打印的新技术，尤其适用于将粉末涂料高速涂覆于平板型的底材。该装置由磁刷台和可将被涂物贴附的磁鼓组成。粉末涂料可看做复印机的磁粉，平板型的被涂物可看做是待复印的纸张。当静电开通，随着被涂物通过，磁场将其涂上了粉末涂料。该技术可应用于金属、木器、纸张底材和纸板涂装等领域。

    3.2 NIR（近红外）固化技术

    NIR固化是以近红外高辐射能量去激发涂料分子的剧烈振动而使涂层在短时间内受热固化。其优点在于：不需要特殊配制的粉末涂料；可以使用形状略微复杂的工件；固化时间短；对底材热影响小应用领域广等特点。NIR固化粉末涂料可以用在木材、中密度纤维板、塑料、纸张、电子产品等热敏性产品的涂装上，并且基于辐射光源可移动、固化时间短的特点，还可以用在大型钢结构如桥梁、高层建筑、船舶、储槽和工业厂房的涂装。近红外光能的转化效率高达60%，是热风转化率15%的4倍，可以节电50%左右，是节能型产品；采用这种产品和技术可以大大提高生产效率，设备占地面积小，运行成本低。

    3.3 感应加热固化技术

    粉末涂料感应加热固化技术是通过将底材暴露于多变电磁场下来实现的。感应加热用于粉末固化的特殊优点在于：用这种形式加热时，工件只在表面上受热，对于笨重和厚壁的工件来说，大大节省了固化涂层所需的能量。同时感应加热工艺十分灵活，工件可在涂层施工过程中的任何时刻进行加热。由于涂漆部位保持一致的温度，使得涂层质量优异。

    4 粉末涂料及涂装发展趋势

    为了使粉末涂料更好地得到推广应用，粉末涂料品种的多样化、低温快速固化、薄涂层化、涂料制造设备的改进、粉末涂料制造新工艺的开发仍是粉末涂料今后发展的趋势。

    4.1 功能性粉末涂料

    随着粉末涂料技术的进一步发展，功能性粉末涂料的需求量将大大提升，包括紫外光固化粉末涂料、抗菌防霉粉末涂料、电气绝缘粉末涂料、耐高温粉末涂料、防涂鸦粉末涂料、美术型粉末涂料、热转印粉末涂料、电泳粉末涂料、水分散粉末涂料等新品种。

    4.2 优化树脂品种

    在粉末涂料配方中，决定粉末涂料与涂膜性能额最关键因素是成膜物质树脂和固化剂，其中树脂的研究和开发是增加粉末品种的最重要的途径。因此粉末涂料用树脂的品种月新年异。近几年来，树脂厂家已经开发出了紫外光粉末涂料用树脂系列产品、贮存稳定性好的干混合消光聚酯粉末涂料用聚酯树脂、超耐候性粉末涂料用聚酯树脂、环氧-聚酯粉末用树脂、聚酯粉末用羧基聚酯树脂、聚氨酯粉末涂料用羟基树脂等，但是这些树脂品种仍存在不足之处，尚待改进。

    4.3 新型固化剂

    粉末涂料用新型固化剂的开发喜忧参半。例如羟烷基酰胺与传统固化剂相比，有较低固化温度、贮存稳定性好、无毒等优点，但是存在不能厚涂及厚涂涂膜易出现粗毛孔的问题；多环氧化合物PT910价格偏高等。无封闭的聚氨酯粉末涂料固化剂脲二酮在烘烤过程中无封闭剂释放，具有环境友好特性，当前耐候性聚氨酯粉末在美国和日本的使用占相当比例，但由于该种粉末涂料的价格偏高，我国目前的推广应用还存在许多问题，因此开发出价格合理的环境友好型固化剂是今后粉末涂料的发展方向之一。

    4.4 薄膜型粉末涂料

    粉末涂料开发初期的优点是厚涂层，一次涂装可以达到溶剂型涂料几道涂装的厚度，节省涂装时间，生产效率高。然而有些产品的厚度不要求太厚，厚涂层属于质量过剩、浪费资源。一般粉末涂料的厚度要达到60~80μm是比较容易，而要达到30~40μm的薄涂层是比较困难的，需要粉末涂料的粒度分布、遮盖力、干粉流动性、带静电效率等多方面改进，才能达到薄涂层的目的，因此粉末涂料的薄层化是近年来的研究热点。

    4.5 超耐候超耐久性粉末涂料

    随着工业技术水平的发展，大型长久性、耐久性工程项目及超高层建筑越来越多，对粉末涂料的装饰性和防腐性能的要求也越来越高，同时对使用寿命也要求越来越长，因此对超耐候性和超耐久性粉末涂料的需求越来越多。在超耐候性粉末涂料方面，在一般耐候性粉末涂料基础上开发使用年限达到5-10年甚至更长的聚酯、聚氨酯、丙烯酸粉末涂料，特别是使用年限达到10-20年以上的氟树脂粉末涂料，满足超高层大楼和钢结构物的涂装要求，开发超久性环氧、聚苯硫醚等粉末涂料品种是未来发展方向。此外，改进粉末涂料制造设备、粉末涂料制造工艺及粉末涂料的快速配色等也是未来值得重视的方向。

    4.6 粉末涂装的发展趋势

    粉末涂装产品的质量不仅取决于粉末涂料的质量，也与粉末涂装工艺分不开。目前主要的涂装方法是采用静电粉末涂装法，如何提高静电粉末喷枪的带静电效率、保持喷枪供粉的均匀性和稳定性、提高供粉的精确度、涂装系统的快速换色和换粉末涂料树脂品种等方面是亟待解决的关键问题。