谢品雄
佛山市欧镁亚有限公司
摘要：讨论了玻璃化温度与邦定工艺的关系，以及邦定设备、工艺控制、金属粉颜料、配方设计等因素对邦定效果的影响。
1、前言
金属效果粉末涂料的生产以往大多采用干混法(Dry-Blending），时常发生金属效果颜料与底粉分离，回收粉喷涂时颜色差异大，金属效果颜料堵枪头，静电喷涂施工困难等问题。用珠光颜料配制的粉末涂料上述问题更加明显。随着我国粉末涂料行业的飞速发展，通过技术创新和消化国外技术，我国已经拥有自主研发的邦定设备和邦定工艺技术。
聚合物在宏观上呈现玻璃态、高弹态和粘流态三种力学状态。玻璃化转变温度(Glass transition temperature)又称玻璃化温度，是指无定形或半结晶型聚合物从高弹态向玻璃态转变(或相反方向转变)的温度范围(近似中点温度)，通常以Tg表示，聚合物的温度-形态关系曲线如图1所示。
邦定(Bonding)技术是在专用的邦定设备中，将粉末涂料底粉加热到接近玻璃化温度的临界温度，在惰性气体保护和搅拌条件下加入金属效果颜料，使其粘结在软化的粉末涂料粒子表面，然后快速冷却，避免“粘接”有金属效果颜料的粉末涂料粒子结块，从而得到邦定粉末涂料。
粉末涂料的Tg与邦定工艺技术息息相关，若邦定工艺温度比粉末涂料的Tg高很多，粉末就会结块；若邦定工艺温度比粉末涂料Tg低很多，底粉就不能与金属效果颜料“粘接”。适合的邦定工艺以Tg等相关参数为基础，要制备高质量的邦定粉，先进的邦定设备以及工艺条件的控制均十分重要。
2、玻璃化温度的测试方法
测定聚合物玻璃化温度的方法主要有：膨胀计法、折光率法、动态热机分析(DMA)、静态热机分析(TMA)、核磁共振法(NMR)、差示扫描量热分析(DSC)等。DSC是粉末涂料行业广泛用于玻璃化温度测定的分析方法。
2.1 膨胀计法
在膨胀计内装入适量的待测聚合物，抽真空使对待测聚合物没有溶解作用的惰性液体充入膨胀计内，然后在油浴中以一定的升温速率对膨胀计加热，记录惰性液体柱高随温度的变化。高分子聚合物在玻璃化转变前后体积发生突变，对应在惰性液体柱高-温度曲线上产生折点。折点对应的温度即为待测聚合物的玻璃化温度Tg。
2.2 折光率法
利用高分子聚合物在玻璃化转变前后折光率发生突变的特点，通过测定折光率突变点确定高聚物的玻璃化转变温度Tg。
2.3 动态热机分析DMA
聚合物在周期性变化的外力作用下产生的形变，且材料形变与温度有关，DMA分析可以得到储能模量、损耗模量和阻尼因子tgδ随温度变化的曲线。曲线峰值标志着材料内部的结构变化，相应的温度即为材料的玻璃化转变温度Tg。
2.4 静态热机分析TMA
TMA技术用于分析聚合物材料在恒力作用下随温度或时间变化所产生的形变，形变值随温度或时间的变化曲线上之折点即为材料的玻璃化转变温度Tg。
2.5 核磁共振法NMR
随温度升高聚合物的分子运动加快，质子环境被平均化[处于高能量的带磁矩质子与处于低能量的带磁矩质子在数量上开始接近；N-/N+=exp(－E/kT)]，共振谱线变窄。当温度升高至玻璃化转变温度Tg时，谱线宽度发生很大改变。利用聚合物材料核磁共振谱的特性，通过分析谱线获得聚合物的玻璃化转变温度Tg。
2.6 DSC法
差示扫描量热法DSC可以看作是DTA分析的继续，即将试样和参比物在程序升温或降温的相同环境中，测量用补偿器使两者温度差保持为零所必须的热量对温度(或时间)的依赖关系。DSC热谱图的横坐标为温度T，纵坐标为热量变化率dH/dt，在(dH/dt)-T曲线中出现的热量变化峰值温度或基线突变温度与聚合物的形态转变温度相对应。DSC曲线上基线出现特征的台阶状突变，据此可确定材料的Tg。
聚合物材料的玻璃化温度Tg受热力学约束，玻璃化转变温度与测定时的冷却或加热速率有关。升温速率越快，测得的Tg值越高。所以在材料的Tg检验报告中应当注明在测试时的加热速率，粉末涂料通常采用的加热速率为5℃/min。
3、邦定机的结构
邦定(Bonding)工艺最初由奥地利Benda-Lutz公司推出，很多粉末涂料厂随后都应用了这项技术。邦定混合机(Bonding Mixer)有单缸和双缸两种机型。单缸型为第一代产品，邦定和冷却在同一个缸内进行，外观与翻转混合机类似，但搅拌桨的形状和搅拌桨的转速有所不同。现在的邦定机多为双缸结构，邦定和冷却在两个不同的缸内完成，从而保证邦定粉末涂料迅速冷却，结块机率大大下降，粉末利用率接近100%。
邦定混合机组由主(副)搅拌桨、料缸、机架、电控系统、温控系统、氮气通入系统组成。粉末与之接触的地方(主副搅拌桨、料缸)均为夹层结构，可通循环冷却水以便使粉末粒子快速冷却降温，防止粉体结团以及在桨叶和锅壁上粘结。
值得一提的是，邦定机的PLC智能控制系统可根据用户的需求编程。氮气不足或者循环水故障都可自动报警，且故障未排除前不能进行下一步操作；工艺各阶段均可实现编程控制，机器会遵照程序指令自动控制转速、邦定时间、邦定温度等，还可通过编程控制各工序的保护上限电流、保护上限温度，或者实现时间、电流、温度协同保护(协同保护是指当运行时间、上限电流或上限温度三者之一到达设定值设备均会停止该阶段运行，直接进入下一工序运行)，从而有效防止粉末结块。
4、邦定工艺
不同厂家提供的邦定设备其工艺特点各有不同，但均包括升温阶段、邦定阶段、冷却阶段三个工艺过程。三个工艺阶段的编程灵活性体现了邦定设备的先进性。下面我们将讨论邦定生产中的工艺条件控制。
— 按产品工艺要求编程：设定邦定缸内摩擦加温的搅拌桨转速(或电加热速率)、邦定温度、邦定时间、冷却周期，以及上限温度和上限电流(接近玻璃化温度时粉末粒子由粉状变为团状，电流明显升高)协同保护值；
— 以氮气作为惰性保护气体，确定氮气浓度，启动邦定机，将待邦定的粉末涂料底粉加入邦定缸内；
— 底粉通过摩擦生热(或者电加热)至一定温度。按程序提示加入金属效果颜料，达到邦定温度后机器自动按邦定工艺参数运行；
— 邦定工艺需稳定地维持一段时间，操作员在线取样，手动操作验证邦定温度；
— 若邦定温度漂移，在线微调程序参数，直到邦定工艺温度与实际相符，然后指示机器自动按程序运行；
— 邦定工艺完成后，按程序自动将粉末涂料送入冷却缸内快速冷却，以防止结块，保证产品质量；
— 设定的程序通过1~2釜的验证试验，该批金属效果粉末涂料就可直接按设定的程序自动运行。
5 、邦定粉末涂料质量
5.1设备本身对工艺的影响
主、副搅拌桨的形状和角度设计应使缸内每个位置的物料温度保持一致，即缸内温度均匀性要好。设备主、副搅拌桨轴承所能够承受的最大转速，以及设备能够调节的最高转速是摩擦加热型邦定机的关键技术数据，关系到物料升温的速率。如前所述可知，聚合物材料玻璃化转变受加热速率的影响，若升温速率快，邦定温度可适当调高；反之升温速率慢，邦定温度应适当调低，所控制的温度段是树脂开始软化、金属颜料被粘接到树脂粒子表面的温度。在该温度段树脂由粉状变为团状，此温度段维持的时间极其短暂。若缸内温度不均匀就会发生局部结块、或者局部邦定效果不好等问题。邦定温度高低对金属颜料粘接效果的影响是直接的，关系到颜料与底粉粘接的比例。
PLC控制系统的智能化程度是衡量设备先进性的又一指标。有的机器不能分阶段编程，先进的机器可以在升温、邦定、冷却各工序分别设定运行时间和转速，且能同时设定保护上限电流、保护上限温度。若工艺运行时间、保护上限温度和保护上限电流任一参数到达设定值，机器便会停止该阶段运行，进入下一阶段，从而有效防止粉末结团。在邦定闪光粉末涂料时，搅拌桨的转速要适当调慢，才能获得好的闪烁效果。如果没有搅拌速度控制功能，高速运行的浆叶会把闪光颜料打坏，闪烁效果被破坏。
冷却阶段的可编程控制也十分重要。有的邦定设备只是简单地用电磁阀通断来控制，往往出现冷却水温度低，缸壁表面发生凝霜；或冷却水温度偏高，冷却效果不佳。具备编程控制功能的邦定设备，其各工艺阶段的冷却方式都可按设定方式运行。物料邦定加热初期不通水，当物料温度达到设定值时开始间歇喷水冷却，使温度的波动范围控制在±0.5℃之间；进入冷却阶段时设备连续通水冷却，当温度降至设定温度后间歇喷水冷却，避免缸壁凝霜。
5.2 工艺操作的影响
玻璃化温度是邦定工艺控制的依据，操作员对邦定温度在线监控的准确性直接影响金属颜料的粘接效果。DSC测定仪比较昂贵，一般小粉末涂料不愿意购置，操作员可以用邦定试样机先取1kg底粉做邦定小样试验，直到粉末粒子粘接结块，由此确定粉末的结块温度。在大生产时，可以参考结块温度设定邦定温度(低于结块温度)，然后在线微调，借此确定生产运行程序。有经验的操作员也可在线直接微调，确定生产运行程序。
5.3 配方和原料的影响
电镀银、闪银、铜金粉、珠光粉的吸油量不同，所采用的底粉配方应当有所不同。对于吸油量小的金属颜料而言，底粉配方可按一般装饰性粉末配方设计填料用量。若采用吸油量大的金属颜料配制涂料，底粉配方中填料用量应适当减少，以保证满意的涂料流平性。应该注意的是：邦定了金属颜料的粉末粒子粒径要比邦定前粗一些，邦定用底粉配方中填料用量应比干混用底粉的填料量少一些，以免对涂膜表面平整性产生负面影响。
电镀银粉颜料、闪银颜料、铜金粉颜料、珠光粉颜料的分散性不同，邦定工艺参数设置也应不同。电镀银颜料适宜高速分散，闪银颜料适宜低速分散，珠光粉颜料适宜低速分散并适当延长邦定时间。
6、结语
在实际生产中，了解玻璃化温度与邦定工艺的内在联系十分必要，金属粉颜料和底粉配方的影响应当高度重视。只有综合考虑各因素影响，才能做出优质的邦定粉末涂料。
好的邦定设备再配合好的应用技术，就可生产出好的产品。电镜分析发现，无论采用进口邦定设备还是国产邦定设备，要想实现100%的邦定效果都是困难的，所以邦定粉末涂膜中金属颜料轻微擦落是难免的。
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