王彩建 侯海涛 丁飞 周建民
石家庄市油漆厂,石家庄 0500512
摘要：对新能源汽车配套充电装置上应用的砂纹粉末涂料进行了制备和应用研究，重点考察了在厚涂的要求下，通过电荷调整剂加量、磨粉粒径分布、喷涂参数控制3个方面的分析和讨论，得到了稳定的涂装砂纹效果，克服了工件边角静电花、堆积坑的弊病问题,在客户处成功应用。
关键词：粉末涂料，砂纹粉末，充电装置
0、前 言
粉末涂料是一种不含溶剂、100%固体粉末状涂料，具有省能源、省资源、低污染和高效能的特点，与高固体份涂料、无溶剂涂料、水性涂料等新型涂料一样具有很大的发展空间。
作为新能源汽车的必需配套设施——充电装置也发展迅速，市政充电站、高速服务区等场所正在紧锣密鼓地装配充电设施，家庭个人配置的充电装置装配量也越来越大。
常见的充电装置有充电桩、充电柱、充电台等，其涂装既要满足户外环境老化防腐要求，又要体现新潮外观、质感。
某电气设备公司设计充电桩、充电柱配套涂装户外砂纹粉末涂料，对砂纹外观要求砂纹质感细腻、均匀，同时喷涂施工膜厚要求在90~110μm，边角部位不能出现“静电花”、“堆积坑”等弊病，是对粉末涂料带电性能、施工性能的严峻考验。
本文研究了一种适合的聚酯砂纹粉末涂料，从配方设计、原料筛选、制备工艺控制到施工应用等方面研究、探索，完成制备，成功应用。
1. 实验部分
1.1 主要原材料
聚酯树脂，工业级，安徽神剑；
固化剂，工业级，鞍山润德；
流平剂，工业级，南海化学；
硫酸钡，工业级，嘉信化工；
硅灰石，工业级，上海辉潮；
砂纹剂，工业级，武汉炎黄；
有机膨润土，工业级，安吉化工；
电荷调整剂，工业级，广东宏华。
1.2 主要实验设备、生产设备及仪器
电子天平(TC3K)：常熟市双杰测试仪器厂；
双螺杆挤出机(SFJ-32N)、CC45分选机：烟台杰程粉末设备有限公司；
多功能粉碎机(YB-700)：永康市速锋工贸有限公司；
ACM磨粉机组(ACM25)：烟台东辉粉末设备公司；
实验室高压静电喷枪(CQ-SJ5)：深圳市成企鑫科技有限公司；
电热鼓风干燥箱(WGL-125B)：天津市泰斯特仪器有限公司；
激光粒度分布仪(BT-9300S)：丹东市百特仪器有限公司；
成套施工喷涂设备：美国诺信科技公司。
1.3 参考配方
根据客户要求，确定新能源充电装置用砂纹粉末涂料参考配方，具体如表1所示。
1.4 粉末涂料的制备
按照表1配方称取原材料，充分预混合后在挤出机中熔融挤出，挤出机主机频率50Hz，I区温度100℃，Ⅱ区温度105℃，冷却压片后破碎，使用ACM磨粉机组制备不同粒径的粉末涂料。
1.5 性能测定
将制取的粉末涂料使用静电喷枪均匀涂覆在尺寸为150mm×150mm×0.8mm的碳钢板上，膜厚控制在90~110μm，喷涂后放入烘箱中烘烤固化，对比砂纹纹理和外观效果，并在要求下，测定各项性能。
涂装外观缺陷评定方法:
(1)样板评定：每次喷涂膜厚合格的样板5块，记录每块样板上“静电花”或“堆积坑”等弊病的数量，取平均数(保留1位小数，后同)，作为该实验的弊病数量。
(2)工件的评定：表面涂装效果的判定以选定的5个边角区域内“静电花”或“堆积坑”等弊病的数量来核算，每个区域内弊病数量不超过1个即为合格;每个工件记录不合格的区域数量，整批工件取平均数作为现场施工实验的弊病数量。
2. 结果与讨论
2.1 砂纹纹理实验和制备
砂纹粉末涂料形成原理：砂纹型粉末涂料是利用烘烤固化使粉末涂料的熔融黏度、表面张力和固化速度等发生变化，引起涂膜表面的收缩等原理而配制的。
一般形成砂纹的方法有4种：加入填料、加入不相容物质、加入流变物质、加入砂纹剂。实际应用中基本是通过树脂、填料和砂纹剂等多方面调整从而实现砂纹质感的。
根据以上理论指导，针对本产品的指标要求，讨论影响砂纹纹理效果的因素，确定聚酯树脂、砂纹剂、有机膨润土、流平剂的加量作为考察因素，每个因素设3个水平，设计正交实验，正交实验因素和水平见表2。
制得砂纹粉末涂料后，组织技术工程师和业务经理等5人，从砂纹粗细和板面平整度两个方面对每组实验所得粉末制板的砂纹纹理效果进行评分，评分方法和打分标准见表3。
取5位人员打分的平均值，作为该组实验的纹理效果评分值(保留1位小数)。正交实验结果与分析见表4。
由表4可知，因素A极差最大，B稍次，即树脂加量为影响砂纹纹理效果的主要因素，砂纹剂加量影响稍次 ，流平剂的加量影响又次之，有机膨润土的加量影响最弱。
优选方案为A2B2C3D3，即砂纹粉末配方设计中，树脂加量54.0%(质量分数，后同)、砂纹剂加量0.4%、有机膨润土加量1.2%、流平剂加量0.6%时，制得的砂纹效果细腻、平整，得到客户认可。
各项性能指标满足《热固性粉末涂料》(HG/T2006—2006)行业标准。
2.2 电荷调整剂加量对涂装效果的影响
粉末涂料的静电喷涂原理是利用电晕放电现象使粉末涂料吸附在工件上的，大致过程如下：
粉末涂料由供粉系统借压缩空气气体送入喷枪，在喷枪前端加有高压静电发生器产生的高压；
由于电晕放电，在其附近产生密集的电荷，粉末由枪嘴喷出时，形成带电涂料粒子，它受静电力的作用，被吸到与其极性相反的工件上去。
随着喷上的粉末增多，电荷积聚也越多，当达到一定厚度时，由于产生静电排斥作用，便不继续吸附，从而使整个工件获得—定厚度的粉末涂层，然后经过热使粉末熔融、流平、固化，即在工件表面形成坚硬的涂膜。
砂纹粉末由于其特殊性，粉末吸附工件上达到一定厚度以后，静电排斥作用更显著，继续喷涂的话，容易造成表面产生“静电花”或“堆积坑”等弊病。
选取电荷调整助剂，在制得的粉末样品中后混合加入，讨论4种不同加量情况，在相同喷涂参数下进行样板涂装，对比90~110μm膜厚下样板“静电花”或“堆积坑”弊病产生的数量，选取适合的助剂加量，实验结果如图1所示。
由图1可以看出，空白样品未加电荷调整剂，板面弊病数量达16.3处。
随着电荷调整助剂加量的提高，涂装样板板面的弊病数量逐渐降低，加量1.5%时弊病数量降至约5处，但从成本因素考虑，电荷调整剂加量不宜过大。综上所述，选用1.5%(质量分数，后同)的电荷调整剂加量为宜。
2.3 粒径分布对涂装效果的影响
粉末涂料粒度分布会影响涂料的流平性、上粉率，、回收率，一般来说，涂层粒度越小，越有利于其固化时的流平性，涂膜 的外观也越平整、光滑，同时涂料颗粒粒径小也可以降低涂层的厚度，同等质量的涂料就可以涂装更大面积。
但是粉末涂料的粒径也不是越小越好，粉末粒径小则带电性差，导致上粉率下降，所以需要严格控制颗粒的粒度分布。
砂纹粉对粒度的要求更加苛刻，尤其是膜厚较厚、板面效果要求较高的产品，粒径分布情况更能影响涂装的上粉率和砂纹效果。
选取3个不同中位粒径(D50)的砂纹粉末样品，在相同喷涂参数下进行样板涂装，对比90~110μm膜厚下样板砂纹效果和“静电花”或“堆积坑”弊病产生的数量，实验结果如图2所示。
由图2看出，中位粒径D50在28μm时，砂纹细腻，板面弊病数量 14.7处；D50在35μm时，砂纹细腻，板面弊病数量4.8处，降低明显；
D50在40μm时，砂纹稍显粗糙，板面弊病数量6.3处，D50在45μm时砂纹粗糙，板面弊病数量9.6处，又开始增多。
不同D50的粉末，涂装以后砂纹粗糙度不同，中位粒径超过40μm以后，板面砂纹变粗糙，不能满足客户的外观要求。在中位粒径为35μm左右时，砂纹细腻。弊病最少，但距离客户要求仍有差距。
通过带电理论分析，粒径分布的集中度高低对粉末产品的带电性也有影响。在生产过程可以通过二次筛分的工艺进行处理，来提高粉末产品的粒径分布集中度。
为此，引入烟台杰程粉末设备公司的带CC45分选机的ACM磨粉机，与普通ACM磨粉机对比，控制在同一中位粒径下，制得两份粉末样品，分别标记为A、B，使用激光粒径分布仪分别测定其粒径分布情况。样品A、B的粒径分布曲线见图3。
将粉末样品A、B，在相同喷涂参数下进行样板涂装，对比90~110μm膜厚下样板砂纹效果和“静电花”或“堆积坑”弊病产生的数量，实验结果如表5所示。
由图3和表5看出，中位粒径都为35μm时，砂纹纹理皆细腻，样品A粒径分布集中度较差，板面弊病数量4.8处，样品B粒径分布集中度较好，板面弊病数量0.2处，满足客户要求。
综上所述，砂纹粉末粒径分布控制在中位粒径为35μm左右时板面砂纹细腻，同时通过二次筛分后，粒径分布集中度高，涂装效果满足客户要求。
2.4 施工喷枪电压对涂装效果的影响
本产品涂装应用方面，固定喷涂气压，喷枪与工件间距及喷涂手法等参数，在喷涂电压参数上进行考量。
在客户喷涂现场，将喷枪的电压设置为50kV、65kV、80kV、95kV，分别喷涂10台充电桩工件，烘烤固化后测量工件膜厚，检查工件砂纹外观和产生弊病的不合格区域数量，统计结果如图4所示。
由图4可以看出，喷涂电压较低时，粉末带电性差，膜厚不能达标，电压在65kV时，涂膜膜厚达标，外观不合格区域数量最少。随着电压的提高，外观不合格区域数量增多，电压超过95kV时，膜厚又不达标。
综上所述，涂装应用中，喷涂电压控制在65kV，既能保证涂装膜厚，又能保证不合格区域数量要求达标。
3、结 语
(1)砂纹粉末配方设计中，树脂加量54.0%，砂纹剂加量0.4%，有机土加量1.2%，流平剂加量0.6%，制得的砂纹效果细腻、平整，各项指标合格，得到客户认可。
(2)砂纹粉末后混加入电荷调整剂对涂装效果有一定影响，经实验确定加量为1.5%最为适合。
(3)粉末粒径分布情况对涂装效果有一定影响，经实验确定，中位粒径在35μm左右，粒径分布集中度较高时，涂装效果最佳。
(4)施工应用中，喷枪电压对涂装效果有一定影响，经施工验证，电压在65kV时，效果最佳。
(5)通过对砂纹粉末中的电荷调整剂加量调节、粒径粉末控制、施工喷涂电压的调节，得到了在新能源充电装置上成功应用的砂纹粉末涂料。
参考文献：
[1]张华东,周遵仁,仇亚波,等.砂纹型粉末涂料的制法与应用[J].现代涂料与涂装.2004,(1).DOI:10.3969/j.issn.1007-9548.2004.01.002 .
[2]庄爱玉. 粉末涂料及其原材料检验方法手册 [M].化学工业出版社,2011.
[3]南仁植编著. 粉末涂料与涂装技术 [M].化学工业出版社,2008.
文章源自《中国涂料》2020年5期
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