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粉末涂料在非导电塑料基材上的应用研究

2023-02-16 140

摘要：本文介绍了一种应用于非导电塑料基材的预热喷涂法，通过在喷涂前对塑料基材进行预加热，来提高喷涂上粉率及均一度，并减少表面缺陷。

为降低粉末的固化温度，使用了加拿大颗粒技术中心（PTRC）低温固化剂，使固化温度降低至140℃。此外，研究了粒径、粒径分布对涂层性能的影响。

1 前言

粉末涂料因其环境友好（零VOCs）、废粉可回收及优异的化学保护性等优点，一直以来受到市场的欢迎，被广泛应用到众多领域。

2018年，中国粉末涂料年产量同比增长12.38％，市场份额仍在持续增加，然而，由于一些不足，粉末涂料尚不能完全取代液体涂料。

喷涂方式是限制粉末涂料更广应用的重要因素之一。不同于液体涂料，粉末涂料主要是通过静电喷涂的方式实现。

静电喷涂的原理是，粉末颗粒在Corona喷枪高压电场产生的电晕区带电，或通过Tribo喷枪摩擦带点，被吸附到接地线的工件上。

因此，喷涂过程中，要求基材必须能够导电，而这也将粉末涂料的应用主要限制在了金属基材上。

塑料基材具有优良的物理力学性能、装饰性能和加工性能等，对其进行涂装不仅能增加美观，也能够给塑料基材提供物理、化学保护。

粉末涂料涂层具有优异的耐划伤、耐腐蚀性能，但因塑料基材导电性不足、易形成表面缺陷等原因，粉末涂料在该类基材上的应用较困难。

如果直接对塑料基材进行静电喷涂，带电颗粒及自由电子会使得塑料基材快速带电，又由于塑料为良好的绝缘体，没有相反极性的电子能通过地线来中和基材表面电荷。

基材表面会快速形成电场，阻止后续喷涂的粉末上粉，造成基材上粉不足或上粉不均（图1），即“反向电离”现象。

因此，直接对不导电的塑料基材进行静电喷涂并不可行。此外，一些塑料基材在加工、储存过程中，会吸收空气中的水分及其他可挥发性气体。

这些物质会在烘烤过程中释放，造成涂膜鼓泡、针孔等表面缺陷，也给粉末涂料在塑料基材的应用带来困难。

许多研究者提出了多种方式，希望能够将粉末涂料应用在塑料基材上，如预涂导电底漆、在基材中加入导电物质、使用导电背板等，但这些方式依然存在上粉率不足、应用面窄等问题。

本文使用对基材进行预加热的方式，来提高喷涂的上粉率及涂膜的平整度。通过在喷涂前对基材预热，一方面可以使落在板面的粉融化，提高板面上粉率及涂膜流平性。

另一方面，也可以消除基材内部的水分及其他易挥发物质，避免涂层的表面缺陷。同时，使用加拿大颗粒技术研究中心（PTRC）的低温固化剂，将粉末涂料的固化温度降低至140℃。

2 实验材料及过程

2.1 实验材料

本文中使用的塑料基材为某机构提供的聚酰胺树脂与30％wt玻璃纤维热压板，单板规格为5*7cm。根据前期试验，该塑料基材在不高于160℃的烘烤温度下，不会发生明显形变。

使用的粉末涂料为市售普通聚酯、环氧粉末涂料片料、经实验室空气分级磨机（ACM）粉碎至所需粒径后制得，中位径（d50）为17~40微米。

同时，为了研究粒径分布对涂膜表观的影响，也制备了不同粒径分布（span=(d90-d10)/d50）的样品（见表1，表2）。

为降低固化温度，试验中的粉末涂料样品都通过干混的方式，添加了加拿大颗粒技术研究中心（PTRC）制备的UWO低温固化剂进行改性，成为低温固化粉末涂料。

此外，为增加粉末的流动性，使用了AEROSIL®972(CAS-No.68611-44-9，Evonik Industries AG)and AEROXIDE® AluC(CAS-No.1344-28-1，Evonik Industries AG)两种流动助剂。

喷涂过程在Nordson实验室级喷房中进行，使用的喷枪为Gema OptiFlex手动喷枪。

2.2 实验过程

将塑料层压板在140℃的烘箱内预热15min，然后快速将塑料层压板转移至喷房中，使用手动喷枪进行喷涂，喷涂后的层压板再放至140℃烘箱内，烘烤15min后取出，待冷却后进行测试。

3 结果测定及仪器

光泽（Gloss60°，Gloss20°及Gloss85°）

光泽是涂膜表面对入射光的镜面反射能力，是评判涂层的重要指标之一，单位为GU。影响涂层光泽的因素有很多，如材料的折射率、光线的入射角及表面平整度等。

Gloss60°、Gloss20°及Gloss85°是三种常见的光泽指标，分别使用不同入射角度的光源来测量镜面反射效果。

Gloss60°用于测定中等光泽，当Gloss60°大于70GU时，涂层定义为高光，则需要使用Gloss20°来继续测量。当Gloss60°小于10GU时，涂层定义为低光，则需要使用Gloss85°来继续测量。

此次实验中，使用了Rhopoint IQ A6000-002光泽仪来测定涂层光泽。

鲜映度（DOI）

鲜映度（Distinctness of Image,DOI）体现的是一个反射面的清晰度。绝对平整表面（如镜面）的DOI为100，当涂层表面存在橘纹时，光线会发生折射，造成反射影像模糊、扭曲，从而降低DOI。表面流平越差，橘纹越多，DOI越小。

此次实验中，使用了Rhopoint IQ A6000-002光泽仪来测定涂层DOI。

雾度（Haze）
雾度反映着涂膜对光的散射能力，雾度越大，对光的散射能力越强。当面对强光源观测时，雾度高的表面会呈现浑浊的雾影或光晕，这种雾影或光晕主要是由涂层表面的微小缺陷造成。

配方材料的不相容、润湿不足或烘干固化不佳都可能造成此类微小缺陷。因此，雾度也成为评价涂层效果的重要指标，雾度越大，则表面微小缺陷越多。

此次实验中，使用了Rhopoint IQA6000-002光泽仪来测定涂层雾度。

MEK测试

涂膜的固化情况通过MEK测试(ASTM D4752）来进行评价。测试中，使用棉花蘸取丁酮试剂，以每秒一次的速率对涂膜表面进行50次往复擦拭，观察涂膜的软化、失光情况。

膜厚测量

因塑料基材的不导电性，无法使用普通电导膜厚仪测量膜厚。因此，每块样板都会取四测量点（图3），分别在每次喷涂前、烘烤后，使用千分尺测量厚度差并求平均值，所得即为膜厚。实验中，每次喷涂的厚度控制在100-120μm。

4 结果与讨论

4.1 低温固化聚酯粉末涂料

涂层固化测试

不同于传统方式喷涂的普通粉末涂料，使用预热法喷涂，PTRC低温固化剂改性的聚酯粉末涂料在塑料基材表面形成了连续、光滑的涂膜（图4（右）），基材未发生开裂、变形。

经MEK溶剂擦拭50次后，涂膜未发生明显软化、溶解，说明涂层固化较为完全。

粒径对涂层的影响

根据图5能够看出，随着粉末涂料粒径的减小，涂层表面光泽提高，DOI增大，雾度无明显变化，说明减小粉末粒径有助于提高表面流平，形成更优的表面效果。

粒径分布对涂层的影响

根据图6能够看出，相同中位径（d50）条件下，减小粉末的粒径分布（span），能够明显提高涂层光泽、DOI并降低雾度，说明粒径分布对于涂层有着明显影响，减小粒径分布有助于提高涂层的光泽及流平，减少表面缺陷。

4.2 低温固化环氧粉末涂料

涂层固化测试

与低温固化聚酯粉末类似，使用预热喷涂法，PTRC低温固化剂改性的环氧粉末涂料同样在塑料基材上形成了光滑平整表面（见图7）。经MEK溶剂擦拭50次后，涂膜未发生明显软化、溶解，说明涂层固化较为完全。

粒径分布对涂层的影响

低温固化环氧粉末涂料样品a，b，c，d，e粒径依次减小，其中样品c和样品d中位径相同，而样品c具有更小的粒径分布。

根据图8、图9及图10，能够看到从a至e，光泽及DOI依次提高，雾度依次降低，说明减小粒径及粒径分布，能够明显提高涂层的光泽及平整度，有效降低涂层的表面缺陷。

5 结论

本文通过使用加拿大颗粒技术研究中心（PTRC）低温固化剂改性的聚酯粉末涂料和环氧粉末涂料，将粉末涂料固化温度降低至140℃，并验证了预热法在非导电塑料基材上的可行性。

通过对比的不同粒径及粒径分布样品的表观性能，发现减小粉末涂料的粒径及粒径分布，能够显著提高涂层的光泽及平整度，减少涂层的微观缺陷，得到更优的表面效果。

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