作者：洪贤波 / 刘飞 / 蔡劲树 （广东华江粉末科技有限公司）
摘 要：本文介绍了丙烯酸树脂利用其组份与聚酯树脂组份间的相容性差异制得无光粉末涂料，主要研究了聚酯树脂的选择、丙烯酸树脂的选择、挤出机不同的转速、不同的挤出温度、不同方式的预混合、粉末不同的粒径、不同的烘烤工艺以及不同方式的返挤对涂膜表面和机械性能的影响。
关键词：聚酯树脂；丙烯酸树脂；涂膜表面；机械性能
0 引言
铝合金建筑型材是当今门窗和幕墙主要的结构材料，在世界范围内广泛应用，未经表面处理的铝合金型材外观单一，并且在大气中容易被腐蚀，因而很难满足建筑高装饰性和耐候性的要求，为了提高装饰效果，增强抗腐蚀性及延长使用寿命，铝型材一般都要进行表面处理，而粉末喷涂是现阶段铝型材表面处理的主要方式。粉末涂料是一种不含溶剂的固体粉末状涂料，具有节省能源和资源、减轻劳动强度和涂膜机械性能好等特点，尤其是不含有机溶剂、无污染，受到涂料行业广大环保爱好者的青睐。近几年，粉末涂料得到了快速的发展和应用。
粉末涂料按固化类型可分为热塑性粉末涂料和热固性粉末涂料，建筑用粉末涂层通常是热固性粉末涂料，它是热固性树脂的反应性基团与固化剂的反应性基团之间相互进行化学反应，最终固化成为高分子化合物的涂膜[1]。热固性粉末涂料按光泽一般可分为高光、平光、半光、哑光和无光。现在市场上比较受欢迎的一款肌肤粉就是无光粉，它光泽非常低且表面细腻光滑，深受广大客户的青睐。常做的无光粉有纯环氧体系、聚酯环氧体系、聚酯-丙烯酸体系和聚氨酯体系，但纯环氧体系和聚酯环氧体系由于成膜物质的结构，耐候性很差，只能用于户内；聚酯-丙烯酸体系和聚氨酯体系由于耐候性比较好，既能用于户内也能用于户外，且表面也比较光滑。本文主要介绍了聚酯-丙烯酸体系的无光粉，研究了聚酯树脂的选择、丙烯酸树脂的选择、挤出机不同的转速、不同的挤出温度、不同方式的预混合、粉末不同的粒径、不同的烘烤工艺以及不同方式的返挤对涂膜表面和机械性能的影响。
1实验部分
1.1 实验原材料和实验设备
1.1.1 实验原材料
聚酯树脂：市售，工业级，丙烯酸树脂：市售，工业级，填料：贵祥矿业，流平剂、光亮剂：华惠，蜡粉：天诗，安息香：奉化，抗氧剂：索是，炭黑：科莱恩，其它助剂：市售，工业级。
1.1.2 实验设备
电子秤：厦门佰伦斯电子科技有限公司；CSJ-30E挤出机、ACM-05F磨粉机：烟台市三立机械设备有限公司；CN型喷涂设备：佛山市南海华美涂装机械设备厂；11-3A型数显式电热恒温干燥箱：绍兴市沪越科学实验仪器厂；WGG60-Y4光泽仪：广州市怡华新电子仪器有限公司；QCJ-120A冲击试验仪：天津市精科联材料试验机有限公司。
1.2 实验过程
按照实验设计的配方，将各原材料均匀混合，然后通过挤出机熔融挤出并冷却破碎成片料，再将片料经过ACM磨粉机粉碎，制得粉末涂料。使用表面经无铬钝化处理的标准铝板，经静电喷涂后置于烘箱中烘烤后取出冷却至室温，制得一次性喷涂膜厚为60-80μm的样板。
1.3 检测方法
按GB/T9754-1988标准测其光泽；按GB/T1732-1993标准测其机械性能；目视样板表面状况。
2 结果与分析
2.1 不同聚酯树脂对涂膜表面和机械性能的影响
聚酯树脂作为聚酯-丙烯酸无光粉末涂料主要的成膜物质之一，是决定涂料性质和涂膜性能的最主要的成分。聚酯树脂由于其厂家、制造工艺、酸值、粘度等有差异，所表现出的性能也略有差异，现选取不同厂家的聚酯树脂进行筛选，具体的实验配方和结果见表1。
从表1可以看出，不同聚酯树脂与丙烯酸树脂制得的无光粉末有较大差异。配方1和4表面细腻、机械性能好，但难消光、有橘皮；配方2好消光，但表面粗糙、机械性能差；配方3光泽7%，表面细腻，机械性能也较好，综合性能优。现选用聚酯树脂3做下面实验来选取丙烯酸树脂。
2.2不同丙烯酸树脂对涂膜表面和机械性能的影响
聚酯-丙烯酸无光粉末涂料是聚酯树脂和丙烯酸树脂通过固化反应形成的交联网状结构，其成膜物质是聚酯树脂和丙烯酸树脂，它们决定了粉末涂料的性质和涂膜的性能。其中所选丙烯酸树脂是带有环氧基的，可作为低酸价饱和羧基聚酯的固化剂，利用其组份与聚酯树脂的相容性差异而达到消光的目的，从而制得无光粉末涂料。下面选取不同厂家丙烯酸树脂做实验，具体的实验配方和结果见表2。
从表2可以看出，不同的丙烯酸树脂与聚酯树脂反应所制得的无光粉末有较大差异。配方8中的丙烯酸树脂D制得的涂膜虽然表面细腻，机械性能好，但光泽太高，难消光，要制得光泽5%左右的粉就比较困难；配方7中的丙烯酸树脂C制得的涂膜虽然好消光，但表面太粗糙且有看的见的小纹，机械性能差；配方5中的丙烯酸树脂A制得的涂膜虽然机械性能好，但难消光，且表面异常，有看的见的小纹；配方6中的丙烯酸树脂B制得的涂膜机械性能较好、表面细腻光滑、光泽也能消下去，综合性能优。说明不同的丙烯酸树脂表现出不同的性能，和聚酯树脂的匹配也不一样，这主要和丙烯酸树脂不同的结构导致的。现选聚酯树脂3和丙烯酸树脂B用配方6继续做实验来探究其它因素对聚酯-丙烯酸无光粉末涂膜表面和机械性能的影响。
2.3 挤出机不同的螺杆转速对涂膜表面和机械性能的影响
粉末涂料是通过挤出机熔融挤出的，挤出机产生的高剪切力使配方中的各组份充分均匀分散，因此挤出机的分散好坏会影响粉末的质量。下面调整了挤出机螺杆的转速，具体的实验结果见表3。
表3 不同螺杆转速对涂膜表面和机械性能的影响
从表3可以看出，当挤出机转速为10Hz时，光泽只有2%，表面明显变粗糙，能明显看到起纹现象，机械性能也差；当挤出机转速为30 Hz时，表面变正常，机械性能也提高；当挤出机转速为40Hz或50Hz时，表面细腻光滑，机械性能较30Hz时也稍好。说明挤出机的螺杆转速对涂膜的表面和机械性能都有一定影响，挤出机螺杆转速过低时，涂膜的光泽、表面细腻度和机械性能都会有所下降。挤出机的转速越快，产生的剪切力越大，各组份分散的越好，混炼效果也越好，所制得涂膜的表面也越细腻，机械性能也越好。为制得较好的聚酯-丙烯酸无光粉末，挤出机螺杆的转速应控制在40Hz-50Hz之间。
2.4不同的挤出温度对涂膜表面和机械性能的影响
粉末涂料主要是靠挤出机达到一定温度使各组份呈熔融状态在高剪切力作用下充分分散的，所以不同的挤出温度会对涂膜产生影响。下面设置了不同的挤出温度，具体实验结果见表4。
表4 不同的挤出温度对涂膜表面和机械性能的影响
从表4可以看出，涂膜的表面和机械性能与挤出温度没有绝对的线性关系，但挤出温度会对涂膜表面和机械性能有一定影响。挤出温度相对较低时，光泽会偏低，表面会较差，机械性能也稍差；当挤出温度过高时，光泽会显著偏高，表面微观的小纹也较多。只有当挤出温度控制在合适范围，物料混炼效果才会更好，这样才会做出较好的聚酯-丙烯酸无光粉末。
2.5 不同方式的预混合对涂膜表面和机械性能的影响
制作粉末涂料挤出之前各组份都要先进行预混合，下面探究了不同的预混合方式对涂膜表面和性能的影响，具体预混合方式和实验结果见表5。
表5 不同方式的预混合对涂膜表面和机械性能的影响
从表5可以看出，不同预混合方式对涂膜表面和机械性能均有影响，预混合越充分，混合时间越长，涂膜光泽相对就会越高，涂膜表面的小纹相对就会越少，机械性能也会稍好，所以要想制得稳定且合格的聚酯-丙烯酸无光粉末，预混合的方式及时间的控制很重要。
2.6 不同的粒径对涂膜表面和机械性能的影响
粒径是粉末涂料一个重要的参数，粒径会影响粉末的上粉率、储存稳定性、表面流平和表面细腻度等。下面通过控制磨粉机的副磨磨出不同粒径的粉末，具体结果见表6。
表6 不同粒径的粉末对涂膜表面和机械性能的影响
从表6可以看出，粒径对涂膜的光泽和机械性能基本没影响，但对涂膜的表面细腻度有一定的影响。粒径越粗，表面越粗糙；粒径越细，表面越细腻。其中平均粒径40.21μm的涂膜表面要比16.62μm的表面粗糙很多，但平均粒径26.23μm的涂膜表面与16.62μm的表面细腻度相差不显著，为保证粉末的上粉率和储存稳定性不建议把粉末做的太细，细粉含量太高的粉末难喷涂且容易结团。综合考虑，建议聚酯-丙烯酸无光粉末涂料的平均粒径控制在26-30μm之间。
2.7 不同的固化条件对涂膜表面和机械性能的影响
粉末涂料在制造的过程中几乎不涉及化学反应，在下游客户使用时才会发生交联反应生成具有一定物理性能和化学性能的涂膜。因此要生产出合格的产品，必须要选择合适的固化条件。下表设计了不同的固化条件，具体固化条件及结果见表7。
从表7的实验结果可以看出，固化条件对涂膜表面和机械性能影响较大。烘烤温度160℃时涂膜的光泽很高，机械性能很差，弯折还能发出脆响声，说明涂膜没有固化完全；当烘烤温度从180℃升高到220℃时，涂膜的机械性能逐渐变好，在180℃到220℃每个烘烤温度段的光泽相差不大，表面也没有明显的区别。此外，固化条件从80℃慢慢升到200℃后再保温烘烤10min，涂膜光泽很低，表面也很粗糙且机械性能也较差，说明烤箱以及铝板的升温速率会对涂膜的表面和机械性能有较大影响，升温速率越慢，光泽越低，表面也会越粗糙。因此为使粉末固化完全且光泽稳定，表面要细腻，烘烤时应控制好固化温度及时间，且要保证烤箱及基材的升温速率要快。
2.8 返挤对涂膜表面和机械性能的影响
正常做普通聚酯/TGIC型高光粉通过返挤片料会对光泽和表面效果有一定的提高。下面返挤聚酯-丙烯酸无光体系片料和粉末，具体返挤方式和结果见表8。
表8 返挤对涂膜表面和机械性能的影响
从表8可以看出，返挤对涂膜表面状况和机械性能影响不明显，但对涂膜的光泽影响很大。不管是返挤片料还是返挤粉末光泽都会升高的很明显，在生料里面加入一定量的粉末一起挤出，虽然没有单独返挤粉光泽那么高，但相对于一次挤出生料光泽还是提高了很多。从这个结果来看，生产聚酯-丙烯酸无光粉末对打板调色有一定的难度，为了保证光泽的稳定性，在调色时尽量减少打板次数，减少粉末或片料返挤的次数。
3 结语
综上所述，影响聚酯-丙烯酸粉末涂料涂膜表面和机械性能的因素有很多：聚酯树脂的种类、丙烯酸树脂的种类、挤出机的转速、挤出温度、预混合方式、粉末粒径、固化条件以及返挤。本文通过实验比较表明，要想制得光泽稳定、表面细腻和机械性能良好的聚酯-丙烯酸无光粉末涂料，在选择一款合适的聚酯树脂和丙烯酸树脂的前提下，应控制好挤出机的转速和温度、充分预混合、粒径控制在26-30μm之间、固化条件应控制在200℃-220℃温度下，时间10-15min和生产时尽量减少返挤次数。
来源：2020中国粉末涂料与涂装行业年会
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