粉末涂料配方设计问题

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粉末涂料配方设计问题
    1  引言  
    粉末涂料配方设计是开发新产品，向用户提供涂膜性能满意的粉末涂料产品
，同时保证粉末涂料成本合理的重要环节。随着我国粉末涂料工业的迅速发展，
新的粉末涂料厂在增多，老的也在不断扩大生产规模，从事粉末涂料专业的工程
技术人员不断增多。
    在这种新形势下，为了使从事粉末涂料新产品开发的新老工程技术人员在研
发和设计粉末涂料配方时不走弯路或少走弯路，根据多年从事研发和生产的经验
，谈谈粉末涂料配方设计问题。
    在设计粉末涂料配方之前，首先要认真调查和研究用户对粉末涂料和涂膜性
能的要求，同时也要了解用户的涂装设备及涂装工艺条件。
    在设计粉末涂料配方时，首先选择决定粉末涂料和涂膜性能的树脂和固化剂
体系；其次是选择对粉末涂料和涂膜外观起重要作用的助剂品种和用量；再则是
选择颜填料的品种和用量。
    2  调查研究用户的要求和涂装条件
    在设计粉末涂料配方之前，首先调查清楚用户对粉末涂料和涂膜性能的要求
，同时要调查了解用户的前处理工艺、粉末喷涂的带电方式、回收粉末方式、自
动化程度、烘烤炉的加热方式、输出链运转速度、烘烤温度和试剂等情况，以便
设计的粉末涂料配方能够满足用户的涂装设备和工艺条件的要求。
    其次是调查了解涂装产品的用途，是在户内还是户外，被涂物的材质、涂膜
物理机械性能和耐化学介质等性能要求。同时还要了解喷涂的涂膜厚度，外观平
整性要求和单位面积喷涂的用量等厂以便设计粉末涂料配方时考虑树脂熔融黏度
、反应活性和颜填料的百分含量等问题。
    再则是在拿到色卡、样板或样件的基础上，最好索取前处理的可试验用的小
工件和正在使用粉末涂料的样品，以便比较设计配方的粉末涂料的喷涂效果或者
分析检验用。
    3  粉末涂料样品的分析和检验
    向用户索取的粉末涂料样品，一方面按用户提供的条件进行喷涂，全面检验
涂膜的物理机械性能；另一方面对粉末涂料进行分析或剖析，为设计粉末涂料配
方提供重要的参考数据。
    3 3.1  涂膜性能检验
    索取的粉末涂料样品，按国家、行业或者企业标准规定的样板和涂膜厚度，
用户提出的烘烤固化温度和时间等条件下制备检验样板，然后分别检测外观、光
泽、附着力、耐冲击强度、弯曲(或柔韧性)、杯突等物理机械性能，有必要时还
要检验耐化学介质等性能，全面了解设计配方应达到的性能要求。
    3.2  粉末涂料样品的分析或剖析
   (1)分析粉末涂料粒度分布。如果有条件用“粒度分布测定仪”测定粉末涂料
样品的粒度分布，没有条件时用90～42μm(160～350目)标准筛测定粉末涂料样品
的粒度分布，以便在粉末涂料生产时作为控制粉末涂料粒度分布的参考数据。
    (2)检测粉末涂料胶化时间。按GB 66584或者按GBT 169997的方法测定粉末涂
料样品在烘烤固化温度下的胶化时间，以便在设计粉末涂料化学活性时参考。
(3)检测粉末涂料熔融水平流动性。按GB 665-84方法测定粉末涂料样品在烘烤固
化温度下的熔融水平流动性，以便在设计成膜物化学反应活性、填料用量和助剂
品种时参考。
    (4)有条件的单位用溶剂萃取等方法分离树脂和颜填料，用红外光谱等方法分
析成膜物组成，再用X射线衍射仪分析无机颜料和填料的品种及大致含量，以作为
粉末涂料配方设计的最重要依据。
    (5)分析粉末涂料配方中颜料和填料用量。按上述方法除可以测得配方中颜填
料大致含量之外，取一定量样品放在瓷坩埚里，在马弗炉内灼烧至有机物完全燃
烧，余下无机颜料和填料，这样可以计算出配方中颜填料的大致含量。另外，通
过GB 5211.4-85《颜料装填体积和表观密度的测定》方法测定粉末涂料的表观密
度，也可以大致估算配方中颜填料的含量。这些数据在配方设计、选择填料含量
时起到重要作用。
    4  粉末涂料成膜物的选择
    经过对用户的调查研究和粉末涂料样品的分析检验或者剖析以后，可以着手
粉末涂料配方的设计，其中首先考虑的是决定粉末涂料和涂膜性能的成膜物的选
择，也就是树脂和固化剂的选择。
    (1)根据粉末涂料用途选择树脂和固化剂品种。防腐方面用的选择环氧树脂粉
末类，一般防腐用的选择普通环氧粉末体系；重防腐用的选择酚醛改性环氧树脂
用酚羟基树脂和促进剂固化体系；室内装饰性用的一般选择聚酯粉末涂料体系，
涂膜性能要求高的尽量选择聚酯：环氧为50：50(质量比，以下同)体系，当涂膜
性能要求不高，环氧树脂价格比聚酯树脂高很多时，从原材料成本考虑，可以选
用聚酯：环氧为60：40或者70：30体系；对于户外产品，从国情考虑一般只能选
择(纯)聚酯粉末涂料体系；对于户外耐久性要求高的尽量选择超耐候性聚酯树脂
，用TGIC固化体系；如果对粉末涂料毒性要求很小，应该选择羟烷基酰胺固化聚
酯粉末涂料体系。
    (2)根据用户对粉末涂料烘烤固化条件的要求，进一步缩小选择固化剂品种的
范围。在此基础上，选择烘烤固化条件为180℃，15min时，环氧粉末涂料应选择
取代双氰胺或酚羟基树脂和促进剂固化体系；聚酯环氧粉末涂料应选择聚酯树脂
化学反应活性较大的体系；(纯)聚酯粉末涂料应选择羟烷基酰胺固化体系。
    (3)如果现有的树脂品种达不到用户对烘烤固化温度和时间的要求，可以从树
脂生产厂家的产品中选择反应活性合适的树脂，也可以选择合适的固化促进剂，
在制造粉末涂料时添加，以达到用户要求。
    (4)从涂膜外观来说，要求流平性好时应选择树脂的熔融黏度低，在烘烤固化
温度条件下，粉末涂料胶化时间长，熔融水平流动性大的较好；但是从涂膜物理
机械性能来说，胶化时间短的性能较好，不过涂膜流平性相应要差一些
    (5)对于消光性粉末涂料，可根据涂膜光泽的要求选择不同的消光方法。对于
无光和半光粉末涂料，大多数采用消光固化剂固化体系，使2种以上固化剂固化体
系的反应速度和反应产物之间相容性不同而产生消光效果。在用量较大的聚酯环
氧粉末涂料体系中，利用不同酸值聚酯树脂、环氧树脂和环脒羧酸(酐)消光固化
剂三元体系的不同组合达到任何不同光泽的要求。在(纯)聚酯粉末涂料中，通过
消光蜡、消光固化剂、消光丙烯酸树脂和2种不同活性粉末涂料干混合等方法得到
半光或无光粉末涂料。在纯环氧粉末涂料中，通过消光固化剂和丙烯酸消光树脂
固化等方法得到半光或无光粉末涂料。
5  助剂品种和用量的选择
    虽然助剂在粉末涂料配方中用量很少，一般占配方总量的千分之几至百分之
几，甚至万分之几，但是对保证粉末涂料特性和涂膜性能是不可缺少的成分，在
配方设计中应考虑下列问题
    (1)流平剂是对于得到高光、有光、半光和无光等平整涂膜外观不可缺少的成
分，主要功能是粉末涂料熔融流平时降低表面张力，避免成膜过程中形成缩孔。
流平剂是黏稠状透明液体，为使用方便，一般分散到环氧树脂、聚酯树脂、气相
二氧化硅、填料中等。流平剂有效成分在配方中的用量为树脂和固化剂总量的0.8
％-1.5％，最好是1.0％～1.3％(质量分数)。考虑到颜料和填料对流平剂的吸附
作用，当颜填料含量高或者使用吸油量大的颜填料时，流平剂的用量可以适当提
高。在配方设计时流平剂的载体(树脂和填料)也计算到成膜树脂和填料用量上。
    (2)光亮剂(又叫增光剂或701)主要对颜填料起润  湿和分散作用，同时也起
到助流平剂的作用。添力口光亮剂以后，涂膜外观得到改进，在某些情况下光泽
也提  高，但是加多了影响涂膜耐冲击强度，一般添加量为树脂和固化剂总量的1
％-2％。在国外配方中一般不使用这种助剂，但是在国产配方中已成为基本组成
部分。聚酯环氧粉末涂料体系中最好加这种助剂。
    (3)安息香在成膜过程中起脱气剂的作用。固化反应时生成小分子化合物及粉
末中含有水分，所以安息香在大多数粉末涂料配方中成为必要的组成部分，在聚
酯环氧和(纯)聚酯粉末涂料中要添加，其用量为树脂和固化剂总量的0.5％左右，
对于羟烷基酰胺固化体系加0.3％左右，在消光固化剂固化的半光、无光聚酯环氧
粉末涂料中可以不加。从脱气作用考虑，任何类型粉末涂料中添加安息香都是有
益的，但是安息香在高温下会变色或分解，将影响涂膜颜色，应该注意负面效果
。
    (4)铸铝、铸铁工件。质量不好的热轧钢板等存在气孔、氧化皮等，在粉末涂
装时涂膜上容易产生颗粒和火山坑等弊病，在配方设计时必须考虑添加消泡剂，
其用量可参考商家和厂家推荐用量，更重要的是根据试验结果确定用量。
    (5)根据测定样品的胶化时间和熔融水平流动性，通过添加固化促进剂、防流
挂剂或者调整填料品种和用量的方法使配方设计的粉末涂料和涂膜性能接近样品
指标。
    (6)对于砂纹、皱纹、绵绵纹、花纹、锤纹、龟纹等纹理(美术)型粉末涂料，
在配方设计时选择合适的助剂品种和用量。某些品种还需要调节填料品种和用量
，或者其他助剂品种以达到目的。
    (7)粉末涂料的其他助剂品种也很多，根据用户的特殊要求，在设计配方时，
根据厂家和商家的推荐用途和质量，再经过自己的试验添加用量合适的相应品种
，例如粉末涂料松散剂(内加或外加)、防静电剂、摩擦带静电助剂、防紫外线剂
、分散剂等助剂。
    6  颜填料品种和用量的选择
    颜料和填料是一般粉末涂料中不可缺少的成分，且在配方中的含量为总量的
30％-36％，有些品种为25％左右，美术型粉末涂料中高达50％
    (1)选择的颜料和填料的耐热温度应达到或超过粉末涂料烘烤固化温度范围，
在烘烤温度下不变色、不发生化学变化。
(2)选择的颜料和填料的耐光性和耐候性要好，特别是户外型粉末涂料的耐光性最
好达到7-8级。
    (3)为保证涂膜的遮盖力，用有机颜料着色的各种粉末涂料，除了黑色都要适
当添加钛白粉等遮盖力强的无机颜料配合使用。在纯白色粉末涂料中，钛白粉用
量为配方总量的20％-25％或者更多；在浅色粉末涂料中，钛白粉用量为15％-20
％，随着颜色的加深，钛白粉用量减少，甚至只需要加2％-3％
    (4)在黑色粉末涂料中，根据炭黑的品种和填料的用量，炭黑在配方中的用量
按总配方量的0.9％-1.3％变化，加多了由于炭黑的吸油量大，涂膜流平性变差。
    (5)对于要求涂膜光泽高，流平性好的粉末涂料，选用吸油量小、分散性好、
没有消光性和密度大的填料，例如沉淀硫酸钡、高光钙等。对于光泽要求不高的
可选用超细消光硫酸钡、超细高岭土等消光性填料。对于涂膜外观要求砂纹、桔
纹等纹理时，可以选用吸油量较大的填料品种相匹配。
    (6)在设计配方中颜料组成时，先找参考性颜色配方，确定主要颜料品种和相
互之间的配比，然后根据色差调节相关颜料品种和用量。
    (7)要求粉末涂料单位质量喷涂面积大、涂膜流平性好时，需在配方设计中增
加颜料的质量百分含量，提高遮盖力，同时适当降低基料百分含量，颜填料的总
含量控制在30％左右是比较合适的。因为喷涂面积与涂膜厚度有关，涂膜厚度越
厚，相应的喷涂面积减少。如果粉末涂料中颜填料含量过低，粉末涂料的贮存稳
定性下降。如果颜填料的百分含量提高，涂膜流平性变差，光泽下降，耐冲击强
度等性能下降，单位质量喷涂面积也减小。
    (8)如果索取到粉末涂料样品，可对其进行分析，根据分析结果，以样品的颜
填料品种和含量为参考，设计配方更为有利。
    7  结语
    粉末涂料配方设计是一个很复杂的过程，一方面要有扎实的粉末涂料的基础
理论知识，并及时掌握行业用原材料和新材料信息；另一方面还需要在生产实践
中不断总结经验，找出规律性的东西，提高到理论上去认识；再则是市场经济时
代成本是主要因素，在设计配方中产品的价格要合理；最后一个问题是在生产和
使用当中不断调整和完善配方，用以满足用户的要求。