高祥，朱新平，刘卫，张辉（广东西敦千江粉漆科学研究有限公司）
摘要：低温固化粉末涂料可节约能源、降低成本、并可极大的拓宽粉末涂料的应用领域，然而目前行业内低温固化粉末涂料的生产应用较少，因此低温固化粉末涂料的开发及应用具有十分重要的意义。本文制备了一种应用于家电领域的聚酯-环氧体系低温固化粉末涂料（低温粉），其固化条件为160℃/10min，在实验室与家电行业内普遍使用的200℃/10min固化条件的常规粉末涂料（常规粉）进行性能对比，二者具有近似的涂层性能和粉末性能。与家电厂合作进行工业级中试实验，对出现的问题进行针对性改善，最终批量生产。低温粉的应用对促进粉末涂料的可持续发展有重要意义。
关键词：粉末涂料；家电；低温固化
0 引言
粉末涂料是一种以空气为分散介质的涂料，主要原料有树脂、固化剂、颜填料三部分，经过高温烘烤后，树脂与固化剂交联形成网状大分子，因而涂层具有较好的机械性能和防腐性。相比于以水为分散介质水性涂料，粉末涂料无VOC排放，理论利用率为100%，更加环保。2021年，我国热固性粉末涂料销售量比2020年增长10.8%，为235万吨，其中家电用粉末涂料市场份额占18.1%[1]。由于常规粉末涂料固化温度为200℃左右，限制了粉末涂料的应用范围，只能应用在耐高温的基材上，并且耗能较多。目前多数粉末企业的低温粉研究仍停留在实验室阶段，实际应用率较低。本文介绍了低温粉从实验室小样实验至工业级中试实验的过程。
1实验部分
1.1原材料
低温固化聚酯树脂A、环氧树脂B、流平剂、光亮剂、安息香、蜡粉、抗氧剂、其他助剂、钛白粉、硫酸钡，改性流动助剂，以上材料均为市售工业级材料。
1.2低温固化粉末涂料配方
表1.低温固化粉末涂料配方
家电行业通常以白色漆用量最大，所以本文也以白色粉末涂料为研究对象
1.3实验设备和仪器
双螺杆挤出机SFJ35：烟台远力机械制造有限公司；空气分级磨机ACM-07：山东圣世达机械科技股份有限公司；盐雾腐蚀试验箱YWX/Q-250：安徽奥科实验设备有限公司；电热恒温干燥箱101-3AS：广州康恒仪器有限公司；高压静电喷枪；漆膜冲击器BEVS 1601、光泽仪TR 5464、恒温水浴箱：广州腾瑞智科实业有限公司；涂膜划格器；膜厚仪QNIX 4500；激光粒度分析仪BT-9001。
1.4粉末制备流程
按配方称取原材料，在混合机中预混合后经过双螺杆挤出机熔融挤出，由于低温固化粉末反应活性较高，挤出温度设定为90℃，螺杆转速调至最大50HZ，尽量减少物料在套筒内的停留时间，防止物料发生预固化，造成涂层缺陷。然后经过压片机冷却、粗破碎后，由ACM磨粉碎，粒径控制在38-42μm，最后过180目筛，收集筛下粉末。
1.5样板制备
将得到的低温固化粉末涂料以及市售的常规家电用粉末采用静电喷涂，喷涂参数如下：电压控制在50-80kV，气压控制在0.1MPa，喷涂到干净平整的马口铁板上。涂膜厚度控制在60-80μm为宜，然后低温粉样板放入烘箱160℃烘烤10min，常规粉样板放入烘箱200℃烘烤10min。将得到的样板在室内静置24h后，连同粉末按标准测试各项性能。
1.6工业应用参数
低温粉末喷涂参数如表2所示，与A公司常规粉末喷涂参数保持一致，仅将固化炉温度由200℃降低至160℃，并用炉温仪测定固化炉的温度曲线，为了保证涂层充分固化，炉温需保持在163±3℃。
表2.低温固化粉末试喷参数
1.7测试参考标准
涂层硬度：测试标准参考ISO 15184:1998，“色漆和清漆 铅笔法测定硬度”的规定进行，铅笔为中华牌101绘图铅笔。
附着力：GB/T 9286－1998“色漆和清漆 漆膜的划格试验”的规定进行。
耐冲击性：按GB/T 1732－1993“漆膜耐冲击测定法”的规定进行。
柔韧性（折弯）：按GB/T 6742“色漆和清漆 弯曲试验(圆柱轴)”的规定进行。
光泽测定：GB/T 9754“色漆和清漆 不含金属颜料的色漆漆膜之20°、60°和85°镜面光泽的测定”以60°角进行测试。
耐化学品性（5%盐酸及氢氧化钠）参考GB/T 9274－1988“色漆和清漆 耐液体介质的测定”中甲法(浸泡法)进行。
耐腐蚀性（500h中性盐雾）：参考GB/T 1771。
耐沸水性（30h）：按GB/T1733－1993“漆膜耐水性测定法”中乙法的规定进行。
耐溶剂性：参考GB/T 23989-2009“仪器擦拭法”中B法进行。
粉末流动性：参考GB/T 21782.7-2008。
粉末粒度：参考GB/T 21782.14-2010。
粉末沉积效率：参考GB/T 21782.11-2010。
2结果与讨论
2.1实验室阶段涂层及粉末性能分析
将实验室制备的低温固化粉末（低温粉）与市售的常规粉末分别喷涂烘烤，制得对应涂层并进行性能表征，结果如表3和图1所示。在相同膜厚下（60μm），低温粉的光泽、硬度、耐冲击性、附着力（如图1c和1d）、耐沸水性、耐溶剂及耐酸碱性达到与常规粉近似或相同水平。与常规粉涂层相比，低温粉制备的涂层具备更好的耐折弯性（如图1a和1b），这主要是由于低温粉的聚酯树脂的酸值优选值，而常规粉所用聚酯树脂酸值并没有进行优化。在一定程度下，随着树脂酸值的提高，涂层的交联程度越高，涂层的柔韧性也会逐渐变强，但随着树脂的酸值达到一定程度，涂层交联程度过高，使涂层的刚性太强，反而承受不了弯曲形变带来的张力变化，导致耐折弯性能变差[2]。此外，低温粉涂层展示了更好的耐腐蚀性（如图1e和1f），500h中性盐雾实验后单边剥离宽度为1.5mm，而常规粉涂层平均剥离宽度为2.0mm。这可能是由于：1、涂层与底材接触更好；2、涂层无微孔等表面缺陷，降低了水和氧气的透过率，减缓了底材的腐蚀[3]。综上，低温粉末有较好的涂层性能。
表3.涂层性能测试结果
图1.折弯结果：(a)常规粉，未通过0T；(b)低温粉，通过0T附着力测试结果：(c)低温粉，0级；(d)常规粉，0级盐雾测试结果：(e)低温粉，单边剥离1.5mm；(f)常规粉，单边剥离2mm
在工业化应用中，既要求上述涂层性能，同时粉末本身的性能对喷涂和最终成膜的性能影响巨大，如粒径、流动性、沉积效率和贮存稳定性等。将低温粉末（添加0.2%改性流动助剂）与市售常规粉末进行粉体性能表征。结果如表3所示。低温粉和常规粉的中粒径分别为39.6μm和39.1μm，但是低温粉上粉率为73.2%，而常规粉略低为70.5%。这可能是由于低温粉配方中加入了适量导电助剂，使得低温粉末颗粒在静电喷涂时能携带更多的电荷，因此颗粒更容易沉积到基材上，从而提高上粉率。此外，低温粉的流动指数R（110）略高于常规粉（107），这可能是低温粉中改性流动助剂的加入降低了粉末颗粒间的摩擦力以及静电力，使低温粉具有更好的流动性。贮存稳定性，二者接近。综上所述，低温粉具有较好的粉体性能。
表4.粉末性能测试结果
2.2工业阶段涂层和粉末性能分析
2.2.1固化炉温度分析
由于低温固化粉末及其凃层具有更好的的性能，将低温固化粉末与国内某头部家电企业A合作，共进行了三次工业级批量喷涂实验。图2为工业级烘烤设备的两个不同点位的温度曲线，设定温度为160℃。两个点位均在7分钟左右达到目标温度，而最高温度稳定在165℃左右。
图2. 测试固化炉温度曲线（设定值为160℃）
2.2.2涂层性能分析
每次工业级批量喷涂实验低温固化粉末用量为100kg，喷涂工件数量800个，排除工件磕碰变形等因素，平均喷涂合格率为96.7%（以外观无缺陷为标准），最后随机抽取部分工件进行色差、折弯、中性盐雾、冲击及水煮附着力等测试。涂层性能如表5和图3所示，三次工业级实验的涂层耐折弯性均达到了0T（如图3a、3b和3c），500小时中性盐雾单边剥离距离分别为1.4mm、1.4mm和1.5mm（如图3j、3k和3l），正冲50kg·cm不开裂（如图3p、3q和3r）。
第一次工业级实验色差方面（△E=0.98）出现黄变现象（如图3g），使涂层色差接近临界值（△E≤1.0），与中试前期内部测定值（△E=0.3）有较大的差异，可能原因为实验室固化使用的烘箱与生产线固化炉加热方式不同，固化炉加热方式为天然气燃烧供热，会产生氮氧化物等副产物，使涂层发生黄变[4]。针对黄变问题的改进方案为在配方中加入0.5%抗氧剂，抗氧剂可以捕捉涂层中聚合物氧化产生的自由基，减少其引起的氧化反应，降低黄变现象，配方改进后进行的第二、三次工业级实验黄变问题得到了大幅改善，总色差分别为0.44和0.50（如图3h和3i）。
第一次工业级实验涂层水煮后附着力降为2级（如图3d），这主要是由于工业级实验时基材与实验室阶段有较大区别，实验室阶段测试基材全部采用马口铁（镀锡铁板），有较好的防锈、耐腐蚀效果，而家电行业基材基本以冷轧板为主，需要经过前处理才能使用，并且性能受前处理效果影响，导致第一次工业级实验涂层耐水煮性变差。针对水煮问题的改进方案为在配方中加入0.5%偶联剂，偶联剂分子结构一端是能与环氧、聚酯分子反应的氨基、乙烯基等活性基团，而另一端的Si-OH则是能与金属基材表面的-OH形成氢键，在加热固化过程中伴随脱水反应而与基材形成共价键，提高涂层与金属基材的两相结合力[5]，从而提升涂层附着力，配方改进后进行的第二、三次工业级实验附着力均为0级（如图3e和3f）。
综上，通过工业数据优化低温粉末配方，使得最终工业级上线性能检测全部达标。后期将进行低温粉产业化应用，固化炉温度从200℃降至160℃后，每年可为该企业节约30%燃气能源成，大幅度降低喷涂成本。
表5.工业测试工件性能测试结果表
图3.折弯测试：(a、b、c)0T；水煮附着力测试:(d)2级，(e、f)0级；色差：(g)0.98，(h、i)0.44、0.50；盐雾测试：(j、k)单边剥离1.4mm，（l)单边剥离1.5mm；冲击测试：(m、n、o)正反冲50kg·cm通过
3 结语
本文通过对比常规粉末涂料与低温固化粉末涂料的涂层及粉末性能，证明了低温粉末涂料可以在家电领域实现工业化应用。相比于常规粉，低温粉涂层具有更好的折弯性能和耐盐雾性；低温粉末则具有更好的沉积效率和流动性。工业化阶段的涂层性能表现与实验室基本一致。本文设计的低温粉末涂料具有巨大的商业价值，扩展了粉末涂料的分支和应用范围，为低温固化粉末在家电领域的普及提供了一定的参考价值。
参考文献
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[3]焦金牛,冯跃华,周韦明等.粉末涂料耐候性能检测影响因素的探析[J].现代涂料与涂装,2022,25(08):33-36.
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来源：粉末涂料与涂装
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