文/李雪涛，梁天，张浩，开卫华
老虎表面技术新材料（苏州）有限公司
摘要：通过研究铝粉、邦定助剂、树脂的Tg以及粉末粒径和粉末胶化时间等因素对邦定金属粉品质的影响。得出不同颜色粉末中添加铝粉后L值的变化情况；邦定助剂的添加量影响邦定温度的变化；树脂的Tg影响最终的邦定温度；粉末粒径越小，邦定涂膜金属质感越差，当底粉粒径基本一致时，缩短胶化时间或提高树脂黏度，邦定涂膜金属质感相应增强。
关键词：金属效应粉末涂料;邦定;铝粉;助剂;玻璃化转变温度;粒径
A Study on the Factors Influencing the Quality of BondingMetallic Powder Coatings
LI Xue-tao, LIANG Tian, ZHANG Hao, KAI Wei-hua
(TIGER New Surface Materials (Suzhou) Co., Ltd., Taicang 215400, Jiangsu, China)
Abstract: The effects of the aluminum powder, bonding additives, the Tg of the resin, powder particle size and gel time on the quality of bonding metallic powder coatings are studied．The changes in L value after adding aluminum powder to different color powders are obtained; the dosage of bonding additives influences the change in bonding temperature; the Tg of the resin influences the final bonding temperature; the smaller the particle size of the powder, the worse the bonding film’s metallic effect. When the particle size of the base powder is same, the bonding film’s metallic effect will also be enhanced with shorter gel time or higher viscosity.
Key words: metallic powder coatings, bonding, aluminum powder, additive, glass transition temperature, particle size
0 前言
金属效应粉末涂料作为粉末涂料的一种，较普通粉末涂料具有更加绚丽多彩的外观装饰效果。由于金属粒子对光的反射、透射或干涉而使涂膜表面具有金属闪光效果，为建材、家具、家电、汽车、仪器仪表等高档工业品提供了绚丽多彩的外观装饰。在整个装饰性粉末中，金属效应粉末涂料应用面越来越广，是目前美术型粉末涂料的主流。金属效应粉末涂料邦定（Bonding）工艺，也叫热粘接技术[1]，是指在一定温度下，将金属颜料颗粒粘接在粉末涂料颗粒上，制造出具有金属效果的涂层。在邦定过程中金属颜料与底粉粒子紧紧地粘接在一起，使金属颜料的带电性能趋向于树脂的特性[2-4]。喷涂施工时金属颜料就不易与底粉分离，避免了干混法所产生的发花和不均匀问题。金属效应粉末涂料邦定工艺优势在于：分散均匀，粘接牢靠，重复性好，批次一致，成品率高。如今环保要求已不再是一种概念和意识，而是一种法规和强制措施，含VOC多的传统液体金属效果涂料将逐渐被淘汰出市场[5-6]，而金属效应粉末涂料因其绿色、环境友好且具有金属效果的特点即将迎来一个黄金发展时期，并将在这一转变中起重要的逐步替代作用。近年来，国内金属效应粉末涂料的开发、生产得到了广泛的关注和重视，但并没有很多关于金属效应粉末涂料的相关研究，市场上的产品也参差不齐。本实验立足于金属粉产品的邦定工艺以及金属色外观效果要求，对影响金属粉邦定工艺以及金属外观效果的铝粉颜料的添加量和种类、邦定助剂的添加量、底粉（未添加金属颜料的粉末涂料）树脂的Tg、邦定用底粉的粒径和底粉胶化时间进行了较为详细的研究，并找出影响邦定金属品质的主要原因，以达到指导金属粉配方设计以及邦定金属粉质量控制的目的。
1 实验部分
1.1 实验设备（见表1）
1.2 实验材料（见表2）
1.3 基础参考配方（见表3）
1.4 主要性能测试方法及标准（见表4）
2 实验方法
2.1 添加铝粉的金属效应粉末涂料制备
选取深色、灰色、浅色3种色系粉末涂料作为金属粉邦定底粉（未添加金属颜料的粉末涂料），分别按配方组分称量原材料，经双螺杆挤出机均匀挤出、冷却压片后，采用旋风分级磨高速破碎并筛选出合适规格粒径，从而制备出不同深浅颜色的底粉。进一步在3种不同颜色的底粉中分别添加同一种不同含量的铝粉进行标准邦定操作，其中选用铝粉的中值粒径分别为16μm和56μm。16μm的细铝粉的添加量分别为1.0%（质量分数，后同）和2.0%，56μm的粗铝粉的添加量分别为2.0%和5.0%，从而制备出具有金属效果的粉末涂料。然后经200℃、10min烘箱烘烤后得到待测样板，最后通过目视观察表面效果以及色差仪测试对比添加铝粉前后涂膜样板L值的变化[7]。
2.2 添加分散蜡的金属效应粉末涂料制备
选取2.1中浅色产品，然后在粉末底粉中加入质量分数分别为0、0.1%、0.2%、0.3%的分散蜡，选取中值粒径为16μm、添加量为1.0%的铝粉进行邦定，测试分散蜡的添加量对邦定工艺的影响。
2.3 不同Tg树脂的金属效应粉末涂料制备
选择2种不同Tg的饱和聚酯树脂，选用树脂Tg分别为56℃和68℃，记作Tg1、Tg2；然后在底粉中加入1.0%的细铝粉，细铝粉的中值粒径为16μm，观察不同Tg树脂制备出的粉末涂料对邦定工艺的影响。同时，通过对比在底粉中未添加分散蜡和添加0.2%的分散蜡进行邦定，进一步验证分散蜡对邦定工艺的影响。邦定温度的判断以粉末达到黏结状态为判断依据。
2.4 不同粒径分布和胶化时间的金属效应粉末涂料制备
选取同等树脂、不同添加量催化剂的配方体系，按不同配方组分称量原材料，经双螺杆挤出机均匀挤出、冷却压片后，采用旋风分级磨高速破碎并筛选出合适粒径，制备出4种不同胶化时间、不同粗细粒径的底粉；进一步在4种不同的底粉中分别加入同一种铝粉进行标准邦定操作，从而制备出金属效果粉末涂料；最后经200℃、10min烘箱烘烤后得到待测样板，观察对比不同样板表面颜色效果。
3 实验结果与分析
3.1 不同颜色底粉添加铝粉邦定后对涂膜L值的影响
邦定金属粉时底粉颜色的选择、铝颜料种类及含量[8]对最终涂膜表面银色效果的呈现起重要作用，本实验探究了不同颜色的粉末涂料添加铝粉后对涂膜L值的影响，结果见表5。
不同含量粗细铝粉邦定后明度变化对比见图1。表5和图1结果表明，当粉末涂料底粉为浅色时（L＞90），分别添加1.0%（质量分数，后同）和2.0%的细铝粉，邦定后金属粉末涂膜的L值在81左右变化；而添加了2.0%和5.0%的粗铝粉，邦定后的金属粉末涂膜的L值在87左右变化。当粉末涂料底粉为灰色或深色时（L＜60）时，分别添加1.0%和2.0%细铝粉，灰色底粉邦定后涂膜L值在77左右变化，深色底粉邦定后涂膜L值在70左右变化；而添加了2.0%和5.0%粗铝粉后，灰色底粉邦定后涂膜L值在68左右变化，深色底粉邦定后涂膜L值在56左右变化。总之，当底粉颜色为浅色时（L＞90），无论是添加细铝粉还是粗铝粉，L值都是呈下降趋势，并随着金属颜料添加量的增加而趋于不变；当底粉为浅灰或深色时（L＜60），无论是添加细铝粉还是粗铝粉，L值都是呈上升趋势，也随着金属颜料添加量的增加而趋于不变，即使延长邦定时间也影响很小。因此，表5数据结果对制备类似RAL9006、RAL9007银色粉末涂料具有一定指导参考意义。
3.2 添加不同含量分散蜡对邦定金属粉工艺的影响
分散蜡在金属粉邦定中具有很大的作用，它不仅可以延缓升温速率、延长邦定时间，而且还可以降低金属颜料在高速机械剪切下被破碎的风险[9]。本实验主要是探究分散蜡的添加量对邦定工艺的影响，寻求最优分散蜡添加量，其数据结果对其他底粉邦定工艺具有一定的参考意义。
本实验选取氧化聚乙烯蜡作为分散蜡，其添加量分别为0%，0.1%，0.2%，0.3%。测试结果见表6，不同含量分散蜡对邦定温度及粒径影响变化如图2所示。结果表明，邦定温度随着蜡粉用量的增加而增加，蜡粉每增加0.1%，粉末到达软化点的温度也会提高3～4℃；蜡粉含量增加，邦定温度也必须提高，这样才能达到真正的邦定温度，达到邦定效果。金属粉邦定后粉末粗粒径含量会增加，细粒径含量会减少，通常情况下邦定后的金属粉末细粒径含量越少证明邦定效果越好。从图2中可以看出当蜡粉添加量为0.2%时，邦定后金属粉末粒径小于12μm的含量仅有1.8%，明显低于同条件邦定下蜡粉添加量分别为0.1%、0.3%的金属粉末粒径；虽然，随着蜡粉的增加邦定温度会升高，但也并非蜡粉的添加量越多越好，它会引起粉末粒径的变化，同时也会造成生产成本的增加，从本实验而言，蜡粉添加量为0.1%～0.2%范围时为最佳邦定条件。
3.3 树脂Tg对邦定金属粉工艺的影响
3.2中验证了在邦定金属粉时添加蜡粉会影响邦定温度，为了进一步探究金属粉邦定温度的决定因素，通过选用不同玻璃化转变温度的饱和聚酯制备的底粉进行邦定，测试结果见表7。结果表明，当树脂1的Tg1在56℃时，邦定温度在55～58℃附近；当树脂2的Tg2在68℃时，邦定温度在66～68℃附近。同时，本实验在不同Tg树脂制备出的底粉中加入相同含量的分散蜡，进一步验证了在底粉中加入蜡粉会引起邦定温度的升高。
总之，只改变树脂的Tg而保持其他不变的情况下，金属粉的邦定温度主要由树脂的Tg决定。根据邦定温度的差异，在满足其他条件不变的情况下，选择高Tg（Tg≥60℃）树脂有利于邦定稳定性，同时有利于贮存以及防止粉体结块。
3.4 底粉粒径和胶化时间对邦定金属粉涂膜效果的影响
本实验主要是探究邦定后金属粉的粒径以及胶化时间对金属粉表面效果的影响。测试结果见表8，邦定后金属粉效果涂膜见图3。从邦定金属粉涂膜外观看，粉末粒径越小，邦定涂膜金属质感越差；当粉末粒径基本一致时，缩短胶化时间或提高黏度，邦定涂膜金属质感也增强。底粉粒径及胶化时间对金属效果有着很大的影响，为保证生产配方的稳定性，需要加强这两个指标的控制。一般基础配方的胶化时间及斜板流动都区别不大，但在更换树脂、固化剂以及固化促进剂的时候需要加强监测，保证变化在可控范围内。
为实现更强的金属外观效果，基础配方底粉粒径为32μm的占比建议控制在30%～45%，在保证粒径在合理范围内，胶化时间建议范围在60～150s（200℃）。
4 结语
本文研究了影响邦定金属效应粉末涂料效果及品质的因素，并对所得数据结果进行分析，得到以下结论：
（1）在不同颜色底粉中添加不同含量及种类的铝粉进行邦定，会影响金属粉涂膜的L值。当底粉为浅色时，在底粉中加入铝粉会使涂膜L值降低；当底粉为灰色或者深色时，在底粉中入铝粉会使涂膜L值升高，并最终会随着铝粉添加量的增加而趋于不变。此结果对制备类似RAL9006、RAL9007银色粉末涂料具有一定指导参考意义。
（2）邦定助剂的添加量影响邦定温度。在同一底粉中，邦定温度会随着分散蜡添加量的增加而增加，选取0.1%～0.2%分散蜡最适宜控制邦定金属粉的品质。
（3）树脂的Tg决定邦定温度。在满足其他性能要求的情况下，选择高Tg（Tg≥60℃）树脂更加容易贮存，邦定金属粉的稳定性会越好。
（4）粉末的粒径和胶化时间影响邦定金属粉的外观效果。从邦定金属涂膜外观看，粉末粒径越小，邦定涂膜金属质感越差；当粉末粒径基本一致时，缩短胶化时间或提高黏度，邦定涂膜金属质感也增强。为了实现更强的金属外观效果，基础配方底粉粒径为32μm的建议控制在30%～45%，在保证粒径在合理范围内，胶化时间建议范围在60～150s（ 200℃）。
随着粉末涂料涂装技术的不断创新、下游应用领域需求的明显增长，同时在安全生产、环保问题以及市场等因素影响下，粉末涂料成为我国涂料市场中发展最快的品种之一。近年来，粉末涂料的应用市场不断扩大，并且随着粉末涂料的研究不断深入，邦定金属粉末涂料必将凭借其华丽的效果、环保特点及优异性能得到充分的利用，应用范围也将随之不断拓展。
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本文转载自《中国涂料》2022年8月第37卷第08期
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