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        技術人員必讀—關于粉末涂料的針孔產生以及解決方案
        2022年11月07日    閱讀量:     新聞來源:涂料在線 coatingol.com  |  投稿

        粉末涂料與水性涂料、光固化涂料以及高固體份涂料并稱為四大新型環保涂料。作為涂料品種的一種重要分支,粉末涂料以其高效、環保及經濟特點,以及優良的裝飾性及耐腐蝕性能,廣泛應用于家用電器、通用五金、鋁型材及汽車等領域。


        針孔(pinholes),即鬃毛孔,一種針狀小孔,是涂料在固化過程中容易出現的細小涂膜缺陷涂料在線coatingol.com。它的出現不但影響涂膜美觀,更可能嚴重影響涂層的耐腐蝕性能。


        熱固性粉末涂料由于其獨特的應用條件,通常表現出較高固化溫度(120℃以上)、較厚的涂膜厚度(50u 以上)、較短的固化時間(20min 以內),以及較高的初始熔融黏度(無溶劑稀釋)等特點。


        實踐表明,正是由于上述特點,使得粉末涂料,在固化過程中比初始黏度較低的溶劑型涂料更容易出現針孔。值得一提的是,熱塑性粉末涂料由于體系黏度并不增加,出現針孔的幾率相對較小。


        針孔作為涂膜缺陷的一種,在高光澤粉末涂料中尤為明顯,低光澤粉末涂料,尤其是無光砂紋粉末涂料則通常不明顯。


        如何預防和消除中、高光澤粉末涂料的針孔,成為粉末涂料技術人員必須面對的課題(以下的研究僅針對熱固性高光粉末涂料體系)。


        粉末涂料涂膜針孔產生的原因及其解決方法


        粉末涂料涂膜針孔的形成與其獨特的熔融固化過程是密切相關的,因此,研究粉末涂料涂膜針孔的形成機理,必須弄清楚粉末涂料的熔融固化過程。


        粉末涂料,顧名思義是一種粉狀的涂料,在涂裝過程中首先是通過靜電噴涂方式,以一種松散的結構吸附或堆積在底材表面。


        噴涂完成后,工件進入熾熱的烘道,底材及涂料受熱熔融流動,原有的松散結構或堆積模式隨著粉末顆粒的熔融流動而破壞。


        需要特別提到的是,在成膜過程中液體流動產生的一種局部渦流效應,稱為貝納德漩渦。


        貝納德漩渦產生的本質,則是粉末涂料熔融固化過程中伴隨著的黏度變化而導致表面張力的變化,使高黏度低表面張力的流體下沉到渦流的中間(凹部),而低黏度高表面張力的流體則上升至漩渦的周邊(凸部),直至固化完成。


        在此過程中,涂裝后原有松散堆積空隙內的氣體(空氣)會在粉末熔融塌陷的過程中聚集形成氣泡被排出,來自于涂層內部或者底材的小分子氣體也會聚集形成氣泡并被排出。


        隨著固化進行體系黏度的不斷加大,那些被裹挾于貝納德漩渦的氣泡在排出過程中最終形成針孔。


        因此,要預防和消除粉末涂料的針孔,就是要分析涂層內小分子(氣泡)產生的根源,然后對癥下藥,預防和解決涂膜針孔缺陷。


        在粉末涂料熔融固化過程中,被裹挾于粉末涂層的揮發性小分子主要可分為以下幾種情形:


        粉末涂料原生性針孔:被裹挾在涂層內的空氣


        粉末涂料經噴涂后以疏松的結構堆積在工件上,這種疏松的結構使得粉末顆粒與粉末顆粒之間存在大量的空隙被空氣所填充。


        隨著環境溫度的升高,粉末涂料顆粒熔融導致這種疏松的結構塌陷,由于粉末涂料涂膜厚度一般大于50μ(噴涂后的疏松結構則遠大于這個厚度);


        處于中間位置而升溫較慢的粉末顆粒熔融較慢,使得其顆粒間的空氣被熔融的涂料所裹挾,隨著固化的進行,體系黏度逐漸增大,被裹挾在涂層中的空氣導致形成了涂膜針孔。


        這種涂膜針孔是熱固型粉末涂料因自身的特點而必然具有的,因此,嚴格來講,針孔是粉末涂料的原生性缺陷。


        為了消除上述因素而導致原生性針孔,去氣劑是高光粉末涂料配方中必須使用的原料,而安息香(苯偶姻)則是消除上述針孔的一種高效去氣劑。


        安息香的消泡機理非常復雜,除了可消除上述針孔以外,苯偶姻還對其它因素所造成的針孔的消除有一定的作用。


        需要說明的,盡管安息香是一種非常有效的粉末涂料消泡去氣劑,它也無法解決所有粉末涂料針孔的問題。即便是粉末涂料原生性的去氣問題,仍然需要注意:


        A、安息香在加熱情況下容易分解并導致涂膜發黃,過多的安息香的加入會給淺色粉末涂料帶來變色的問題。


        B、隨著涂膜厚度的增加,尤其是超過120μ 以上時,即使加入較大量的安息香,通常涂膜表面仍然會出現明顯的針孔(厚膜針孔)。此類厚膜針孔就需要加入其它類型的消泡劑與安息香復配使用來消除。


        C、安息香無法完全消除某些低溫固化粉末涂料中的針孔,為降低固化溫度,通常會在聚酯/TGIC 體系或聚酯/環氧混合型粉末涂料體系內加入固化促進劑,導致加熱固化時體系的熔融黏度會快速增加;


        使得大量的氣體被裹挾在涂層內無法完全釋放出來,導致產生針孔。實踐表明,安息香無法完全解決這個問題,也需要配合其它消泡劑來解決。


        粉末涂料固化反應所產生的揮發性小分子


        粉末涂料固化反應可分兩類,一類是直接反應無小分子釋放型,如羧基與環氧基反應,以及羥基與未封閉的異氰酸酯基反應。


        目前市場所大量使用的聚酯/環氧混合型室內粉末涂料、聚酯/TGIC型戶外粉末涂料、GMA 型丙烯酸樹脂/DDDA 型透明粉末涂料、純環氧粉末涂料等在固化過程中,固化反應并不產生額外的小分子。


        另一類固化反應則釋放出小分子,如聚酯/β-羥烷基酰胺戶外粉末涂料、羥基聚酯/四甲氧基甲基甘脲粉末涂料,以及羥基/封閉異氰酸酯(如贏創B1530)粉末涂料體系;


        在固化過程中分別釋放出水、甲醇及異氰酸酯封閉劑。固化反應所釋放的小分子會聚集成氣泡并被排出涂膜。


        但由于粉末體系的黏度增加及膜厚的問題,使得部分小分子來不及釋放,被裹挾在涂層內,導致針孔的產生。因此,這類粉末涂料,不僅有原生性的針孔要解決,還有額外產生并聚集的小分子氣泡需要消除。


        當然,值得一提的是,由于B1530 封閉劑的解封溫度較高,約為160℃,在解封之前體系有足夠的時間、低黏度來流平及釋放所裹挾的氣體,B1530 固化體系的針孔問題反而并不是特別明顯。


        實踐表明,單獨安息香并不能夠顯著解決這種針孔問題。此類粉末涂料針孔的消除,除了安息香的使用,還需要配合其它消泡去氣劑一起使用。

        技術人員必讀—關于粉末涂料的針孔產生以及解決方案 涂料在線,coatingol.com

        底材的因素


        底材是導致粉末涂料涂膜針孔的又一重要原因,多孔底材,如鑄鋁、鑄鐵,是粉末涂料針孔問題的高發區。


        究其原因,多孔底材本身存在大量的空氣,或者空隙內存在大量可揮發性物質(如未烘干的水分等);


        粉末涂裝完成后,空隙內的空氣或可揮發行物質在加熱過程中被熔融的粉末涂料所封閉,隨著涂料固化過程中體系黏度快速增大,使得空隙內的氣體來不及從涂層內釋放,造成針孔。


        消除此類針孔,首先,噴涂前可將多孔底材預熱溫度高一些、時間久一些,盡可能烘干底材,并且使得粉末涂料由于底材溫度高而有一個較低的初始熔融黏度,有助于底材內氣體的排出。


        在粉末制造時,一方面可在粉末涂料配方中加入某些能夠提高粉末涂料底材的潤濕性能的物質,使得熔融的涂料能夠快速滲透進多孔的底材,趁體系初始熔融黏度低時盡早逼出空隙內的氣體。


        另一方面,應當選擇熔融黏度低一些的樹脂(成膜物質),或者在制粉配方中加入某些可顯著降低涂料熔融黏度的物質。


        為了提高粉末涂料對底材的潤濕性能,可在體系中加入某些含極性基團(如酰胺基、羥基等)的化合物。


        這些化合物不但可以有助于潤濕底材,而且可以幫助降低體系的熔融黏度,類似于液體涂料中的溶劑或者稀釋劑,由于在粉末涂料中它們表現出固體的特點,姑且可稱之為“固體溶劑”。


        “固體溶劑”是解決此類問題的一個非常有益的嘗試,當然,為了不影響體系的防腐蝕性能,這類“固體溶劑”不能為非反應且溶于水的化合物,添加量也不可以太大。


        值得一提的是,某些反應型的“固體溶劑”的發現可能會表現非常出彩。此類“固體溶劑”主要表現出兩個特點:


        第一,分子量較低的固體物質,并且初始熔融黏度較低;第二,能夠參與化學反應,但它不一定與原有粉末涂料體系反應,而是某種自洽的反應體系。


        典型代表,如封閉型或未封閉的異氰酸酯固化劑(如B1530、B1540),它們的引入可以參與體系中的殘余羥基進行反應,可延長體系膠化時間,降低熔體黏度,提高交聯密度。此類物質對消除針孔也是有幫助的。


        粉末受潮


        除非條件異常惡劣,正常情況下粉末涂料是不容易受潮的。容易發生粉末受潮的情況,往往是由于粉末長期處于低溫儲存條件,突然進入高溫潮濕的環境中。開箱后的粉末涂料由于溫度較低,很容易使得空氣中的水分凝結而受潮。


        嚴重受潮后的粉末涂料,體系中引入了大量的水分,這些水分在烘烤過程被排出涂層,部分來不及排出的氣體,則以非常細小的針孔形式,通常是以霧影的形式表現出來。


        此類問題,只有預防。首先是確保粉末正常的儲存條件,其次是盡可能避免超低溫存放,如果實在需要低溫存放,應當在開箱使用前讓粉末有足夠的時間恢復到正常溫度,以免受潮。


        粉末原材料的因素


        原材料小分子含量太高,也是造成涂膜針孔的一個重要因素。一方面,粉末樹脂本身揮發份太高,尤其是高沸點小分子含量過高;另一方面,粉末原材料受潮,吸收了大量的水分。


        以上因素所導致的針孔一般非常細小,其主要表現為涂膜表面的霧影。


        消泡劑的選擇


        安息香是高光澤粉末涂料最為有效的消泡去氣劑,可有效消除正常膜厚(60-90μ)下的原生性針孔。


        對其它原因引發的針孔,安息香也有一定的協同作用,但往往作用有限。大量的安息香使用也會帶來涂膜黃變得問題,同時安息香本身也是加熱分解及升華的物質,過多的使用會帶來負面影響。


        含酰胺基團、羥基基團的消泡劑可有效提高涂料對底材潤濕性能,也可以改善樹脂對顏料,尤其是無機顏填料的潤濕性,降低涂料的熔融黏度,可有效消除各種原因所產生的泡孔。

        當然,選擇低黏度、膠化時間的樹脂對泡孔發生嚴重的情形,也是必要的。


        透明粉消泡劑:作為粉末涂料的一個特殊品種,透明粉的針孔產生的原理與消泡方法與普通粉末涂料相同。


        特別的一點在于,透明粉是一個高度透明的體系,整個系統在光學上是各向同性的,不存在嚴重的相分離。


        因此,在消泡的過程中,所添加的消泡去氣劑,必須與體系是完全相容的。在這個意義上,此類消泡劑需要精挑細選。


        需要注意的是,大量非反應型消泡劑的加入對涂料性能是有害的,需要謹慎添加的使用量。


        總之,粉末涂料針孔(泡孔)的形成原因是多方面的,究其根本原因,是隨著固化時體系黏度的增加,被裹挾(Entrapped)在涂層內的小分子氣體聚集且來不及釋放而形成。


        被裹挾在涂層內的小分子來源包括:粉末涂料涂裝時所疏松堆積的空氣(粉末涂料原生性的)、某些固化反應所產生的水、甲醇等小分子、來自多孔底材內部的小分子氣體,以及粉末原料或粉末成品存儲不當而引入的小分子氣體等。


        可以針對不同的原因,采取相應的解決方法:

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