粉末涂料与附着力
1. 引言
粉末涂料行业是现代涂料工业中的重要组成部分,从普通的热固性粉末涂料和热塑性粉末涂料,到专用功能型粉末涂料、重防腐粉末涂料、铝型材专用粉末涂料等,与人们的日常生活及高新科学技术息息相关。
附着力是粉末涂料的机械性能的中的基本性能,但是遗憾的是自从引进粉末讨论30多年来,这一理论还没有得到合理的科学解释,本文作者试图结合自身的经验,以及在一些实基础上,作了一些尝试论述,希望对从事此项研究的同仁有些帮助。
2. 粉末涂料
2.1粉末涂料现在的情况
目前世界约有粉末涂料制造商500 多家(中国除外) , 欧洲至少有100 家, 美国约有70 家, 日本约有15 家,韩国约有7家。世界平均厂家年产量为1550t 。2001 年全球粉末涂料40 %的市场份额集中在8 家最大的生产商, 其中: 阿克苏·诺贝尔占全球10.75 % ,杜邦占8.13 % , 罗门哈斯占5.75 % , Ferro 占4.37 % , Valspar 占3.13 % , PPG、BASF、Tiger-Werke 各占2.5 %。
我国粉末涂料生产起步较晚, 1965 年由广州电器科学研究所和常州绝缘材料厂率先开展了环氧绝缘粉末涂料的研制和生产。1985 年无锡造漆厂和杭州中法化学有限公司从英国、法国引进成套的粉末涂料生产线之后, 我国的粉末涂料生产技术和产品质量提高到了一个新的水平, 缩短了与世界先进水平之间的差距。
近些年, 由于家电、家具行业的兴起, 粉末涂料以其色彩鲜艳、坚固耐用的特点打入家电市场, 同时随着粉末涂料原材料、生产设备、检测仪器、喷涂设备的配套齐全, 我国粉末涂料产业获得了前所未有的发展, 无论从品种、数量、质量、应用和人们的认识上都有了较大的进步, 产量2002年的近27 万t ,年均增长率达15 %以上 ,成为世界第一大粉末涂料生产国。
粉末涂料以其卓越的涂装性能和不断扩大的应用领域,已经不入了一个较为成熟的发展阶段。当前,粉末涂料生产增长最快的是亚太地区,年增长率达到8%,但欧洲仍然是粉末涂料行业中的龙头,占据了粉末涂料市场份额的43%。
正由于世界各地的厂商都看好粉末涂料这块市场,纷纷上马,导致市场竞争异常激烈,行业整体利润大幅下滑,2000的Frost&Sullivan公司的统计数据显示,粉末涂料的销售量增长,利润却下滑了4.5%,尤其是现在的竞争又更白热化,每个粉末涂料界同仁都有同感。
为了开拓市场,许多厂商都在致力于粉末涂料新品种的开发,以扩大粉末涂料的应用领域,对粉末涂料的研究的日益受到粉末涂料人的重视。
2.2 粉末涂料成膜及附着机理
粉末涂料一般以粉末状态下经静电涂装至工件上,经过聚集、流平、固化三个过程后固化成膜。
(1) 由单独的粉末颗粒聚集成为一层连续的不平整的膜,此过程称为聚集过程。
(2) 通过连续不平整的表面流淌形成较为光滑平整的表面,即流平过程。
(3) 熔融的涂料液通过交联反应,粘度不断增高,最后固化为坚硬的涂膜,称为固化过程。
粉末涂料涂膜的附着机理分为机械附着和化学附着,机械附着力取决于底材的性质(如粗糙度、多空性)以及所形成的涂膜强度,化学附着力指涂膜和底材之间的分界面,涂膜和底材的物理化学性质,在化学附着的内聚力之中,包括静电的力,范得华吸引力、氢键、和化学亲和力,这些决定了涂膜对被涂物体表面的附着性。
3. 附着力
3.1 附着力一般介绍
目前,国内外化学家还没有对附着力下一个确切的定义,一般在大多数情况下,我们认为分开涂膜涂层与底材两个相互粘连的界面所需要作的功,暂且称为涂层的附着力。
接下来,我们继续深入挖掘一下,在2.1中我们知道,涂层与底材之间的界面,理想状态下,底材光滑平整,那么将底材和涂层联系在一起的作用力是单位几何面积上的界面吸力,实际底材都是具有微小尺寸的粗糙表面(见图一),
a b
图一 涂层与底材示意性表达
a:光滑界面 b:微观尺度上的粗糙表面
底材都是微小尺寸的粗糙表面,所因涂层与底材表面之间的实际接触面积远远大于其几何面积,由于表面粗糙度存在于微观甚至亚微观尺度,此种情形类似于液体渗入毛细管,所以可以引入如下的方程式:
L=2.24[(γ/η)(rcosθ)t]1/2 (a)
(a)式中:
L(cm):渗透值
r(cm):进入毛细管的半径
t(s):时间
γ(mNm-1): 表面张力
η(Pas):粘度
θ:接触角
需要说明的是涂层的表面张力高,渗透速率Lt-1就较大,毛细管的半径是底材的变量,非涂层的变量。特别关注的一个变量是粘度,从微观的和亚微观尺度,裂纹和小空,涂膜涂层中的一部分颜填料与聚合物颗粒都至少比一些表面不规则尺寸要大,因此临界粘度是涂层连续(外)相的粘度,而不是涂料的总体粘度,外项的粘度越低,渗透的越快,我们知道,粉末成膜过程中是一个粘度从高到低再到高的过程,如图所示:
涂
料
熔
融
粘 胶化临界点
度
熔融区域 流动流平区域 交联固化区域
烘 烤 时 间
图 二: 粉末成膜固化时涂料熔融粘度随烘烤时间的变化
把粉末涂覆到被涂物上面,经过加热烘烤,粉末开始熔融,并将粉末粒子之间的空气排出,熔融的粉末涂料逐渐流平,逐步失去流动性固化成膜。 |