铝型材耐候性砂纹粉末涂料的研究

  • 李光1,2,高庆福1,2,甘灯河1,2,欧阳建群1,2,胡百九1,2,程里1,2,张捷1,2,麦堪成3
  • 1.广州擎天材料科技有限公司新材料研究所,广州510860;
  • 2.中国电器科学研究院有限公司,广州510300;
  • 3.中山大学化学与化工学院工程学院材料科学研究院,广州510275

金属型材以其优异的耐久性、装饰性和加工成型性等特点,广泛用于建筑行业。而铝型材因其加工性能佳、质轻等特点,占金属型材用量的80%以上,因此粉末涂料在铝型材方面的应用得到了迅速增长。尤其是粉末涂料喷涂的铝建材,与阳极氧化、电泳涂装表面处理方法相比,对水和大气的污染程度、能耗明显降低,涂膜的机械性能如硬度、耐磨性、耐酸性等指标却大幅提高,使用寿命比普通阳极氧化铝材高出1 倍,且色彩丰富,更能体现建筑的多样化、个性化。目前粉末静电喷涂已成为国内铝型材表面涂装中的热点,型材用粉末喷涂结合热转印技术会使其更时尚,使粉末喷涂的型材具有更大的发展空间。

现在应用于铝型材的粉末涂料大都是流平粉末涂料,其耐候性一般,但是涂覆了流平粉末涂料的铝型材在搬运过程中以及其使用环境导致表面极易被刮花且易变色,因此铝型材用流平粉末涂料越来越成为非主流产品。而铝型材用砂纹粉末涂料恰恰解决了这个问题,正在被大量使用。

铝型材因具有大量的边角,因此一般采用静电喷涂的粉末涂料难以将铝型材边角完全涂覆,影响美观;且由于铝型材的特定使用环境,铝型材粉末涂料必须具有良好的耐水煮性能,以避免其在使用过程中变色。目前使用在铝型材上的常规粉末涂料的边角上粉率一般在40%左右,边角上粉不足,影响边角外观;耐水煮的色差ΔE 一般在2.0 左右,目测已经能看出变色,影响使用。因此,本文从粉末涂料的耐候性、耐水煮、边角上粉等性能出发,针对铝型材的使用环境研制出符合铝型材使用的耐候性砂纹效果粉末涂料。‍

1 试验部分

1.1 原材料

饱和羧基聚酯树脂(工业级),国产树脂A、国产树脂B、国产树脂C、进口树脂D、进口树脂E;

三缩水甘油基异氰脲酸酯(TGIC,工业级),鞍山润德精细化工有限公司;

金红石型钛白粉(工业级),杜邦公司;

硫酸钡(BaSO4,工业级),国产;

粉末涂料通用颜料(工业级),汽巴(Ciba)公司;

粉末涂料通用助剂(流平剂、安息香、脱气剂等,均为工业级),国产。

1.2 主要设备

Ф30型双螺杆挤出机、万能中药粉碎机、ACM磨粉系统、小型静电喷涂设备、激光粒度分布仪、冲击试验仪、盐雾试验箱、氙灯人工加速老化试验仪等涂料及涂层性能检测设备。

1.3 粉末涂料及涂层制备

按比例称取饱和羧基聚酯树脂、异氰脲酸三缩水甘油酯、填料、常规助剂、砂纹剂、膨润土、增电剂、颜料,置于混料缸,充分混合并破碎,得到预混物料;预混合后的物料进入双螺杆挤出机挤出,挤出机加热温度控制在80 ~ 120 ℃;挤出后的物料经压片、冷却、粉碎机粉碎成粒径(等效粒径D50)为20 ~ 45 μm 的粉体,然后筛分、包装。喷涂工艺参数见表1。

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2 结果与讨论

2.1 聚酯树脂的选择

试验选取了国产树脂A、国产树脂B、国产树脂C、进口树脂D 以及进口树脂E 等不同厂家的聚酯树脂产品,按照相同配方设计制备涂层样板, 进行氙灯老化与耐水煮性能测试,得到的老化试验数据见表2,耐水煮性能见表3。

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从表2 可知,国产树脂B、进口树脂E 制备的涂层耐老化性能较好,其次是国产树脂C。从铝型材用粉末涂料对耐候性能要求高的特点出发,选用国产树脂B的产品作为涂料的树脂成分。

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由表3 可以看出,采用聚酯树脂B时2h的耐水煮试验色差能够达到0.5以内,目测已经看不出变化,性能优良。

其次,试验选取国产树脂B厂不同酸值类型(20~25、30~38、40~50mgKOH/g)聚酯树脂,鞍山TGIC 固化剂,选择砂纹剂、膨润土及填料硫酸钡、钛白粉等,按照铝型材用砂纹粉粉末涂料设计,得到在酸值为30~38mgKOH/g的树脂综合性能最为优越,其原因可能是酸值偏低时交联密度不足,固化不够完全,机械性能稍差,酸值增大时,聚酯树脂反应活性将增大,反应速度过快,涂层固化得过快,纹理效果难以控制,而且饱和羧基聚酯树脂是由多元醇与多元酸缩聚制得的,高酸值聚酯树脂的制备通常需添加偏苯三酸酐类的原材料,而该类物质会使涂层的耐候性能降低,因而考虑到耐候性方面,不适宜选择酸值太高的聚酯树脂。

综上所述,本试验选用国产树脂B厂酸值在30~38mgKOH/g范围内的饱和羧基聚酯树脂。

2.2 固化剂用量的影响

本试验选用酸值为30~38 mgKOH/g的饱和羧基聚酯树脂(国产树脂B),添加钛白粉、砂纹剂、膨润土等,按照铝型材用粉末涂料设计配方,对比了TGIC 用量对涂层相关性能的影响,试验结果见表4。

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从表4 不难看出,当固化剂用量比较少时,涂层的耐化学品性能和物理性能相对较差,这是由体系固化不完全造成的,但是当固化剂用量超过一定的程度,不但会增加配方成本,还会因为胶化速度急剧增大而影响涂层纹路的效果。另外不同树脂生产厂商生产的聚酯树脂酸值的范围各有差异,即使是同一公司的同一产品,不同的生产批次其酸值也或多或少存在一些变动,所以在设计配方时,应当根据所选用聚酯树脂酸值的具体情况,首先计算固化剂的理论用量,然后在此理论基础上通过具体试验进行验证,并最终确定实际固化剂用量。本试验选取的酸值为30~38mgKOH/g的聚酯树脂,对其选取鞍山TGIC作为固化剂,推荐14.5~15.5g/200g树脂的配方用量。

2.3 填料的影响

制备铝型材用耐候型砂纹粉末涂料时,因其耐候性能要求较高,填料通常选用硫酸钡。硫酸钡有天然硫酸钡(重晶石,250目)、8000钡(8000目)、沉淀硫酸钡(10000~20000目)几种,在使用中,通常通过选用硫酸钡的种类来调节砂纹粉的纹路大小与形态,见表5。

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加入填料的量越多,相对应的吸油量也就越大,通常钛白粉的吸油量在20~22%,硫酸钡的吸油量在10%~15%,吸油量越大,涂层凸凹程度就越强;硫酸钡的粒度大小决定了它的吸油量的多少,沉淀硫酸钡的粒度最小,在2~5μm范围,其比表面积最大,吸油量也越大,因此凸凹程度也越强。

2.4 颜料对耐水煮性能的影响

对于一些纯色的粉末涂料,耐水煮测试后色差容易控制,能达到0.5左右,多采用耐候型无机颜料,如:铁黑、碳黑、铬黄、铁红、钛蓝、钛青、群青、钛绿等。对于一些鲜艳的粉末涂料,耐水煮时色差较大,主要选择一些耐高温性能较好的有机颜料。试验研究了不同种类的颜料耐水煮性能的差别,见表6。

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由表6 可以看出,对于1#、2#、3#试样,颜色越来越鲜艳时,耐水煮时其色差变化越来越大,说明颜色越鲜艳其耐水煮性能越差;对于3#、4#试样,3#采用无机红颜料,4#采用有机红颜料,4#的色差变化大于3#,说明有机颜料的耐水煮性能稍差,因此对于一些鲜艳颜色的调试应尽量选用一些耐高温的有机颜料。

2.5 砂纹粉纹路的研究

一般通过砂纹粉配方中的砂纹剂与膨润土来控制纹路的粗细、光泽、凸起程度,也通过树脂的反应性来控制纹路的凸起程度,通过粉末粒度大小来调节纹路的粗细,见表7。

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由表7 可以看出,当砂纹剂在0.5%~1.0%范围时涂层纹理逐渐减小,当达到1.5%时,砂纹纹理又开始变大。可以通过调节膨润土的量在一定程度上调节纹路凸起程度与光泽高低。

2.6 耐候型铝型材砂纹粉末涂料的配方及性能

通过上述针对聚酯树脂、固化剂种类及用量、填料种类及助剂用量的筛选和研究,应用于铝型材的节能环保耐候型粉末涂料配方构成及性能指标见表8~9。

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具体生产时可依据用户的需要添加对应的颜料及其他功能性助剂,可得到外观与颜色各异的涂层。

3 结语

耐候型砂纹粉末涂料以其良好的耐刮伤性能,在铝型材行业中的使用越来越广泛,并逐步替代之前的流平粉。由于铝型材的特定使用环境,铝型材粉末涂料必须具有良好的耐水煮与耐候性能。

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