1 制备机理
金属粉末涂料的邦定工艺是一种可控的热粘结技术。其原理是利用底粉受热升温后,有一定的高黏软化阶段,此时,金属颜料粒子在高速搅拌混合的作用下,粘附或者嵌入到底粉颗粒中。
2 常用类型
从工艺的角度而言,需要应用邦定工艺进行再次加工的粉末涂料都称之为邦定粉末涂料。由于大多是金属色,也经常被称为邦定金属粉末涂料。按成膜物类型,可分为环氧、聚酯、聚氨酯、丙烯酸、氟碳及混合型等体系。根据其工艺特点及应用情况,可以按其涂膜外观和颜色效果进行分类:(1)金属点缀效果;(2)细银覆盖类:仿电镀效果、光泽达500 GU的高仿电镀银;(3)闪(粗)银覆盖效果;(4)金色覆盖效果;(5)彩色珠光覆盖效果;(6)其他美术型混色效果。如图1所示。
3 设计思路
粉末涂料的适用领域非常广泛,在制备邦定粉末的时候要结合客户告知的条件和要求,根据其产品使用的领域、底材特性和粉末涂料施工方法等确定该金属邦定粉末的底粉类型和金属效果类型[2],然后进行配方设计和工艺设备选择。底粉不仅要满足最终产品的功能用途,还需兼顾有利于邦定工艺控制的因素。金属颜料的选择不仅要满足产品金属效果的要求,同时也要兼顾产品的功能性要求。根据产品的金属效果需求,确定所需邦定设备和工艺控制要求。
根据之前确定的要求,有针对性地制定检验验证项目和方法,特别是邦定后底粉与金属粉之间粘结效果的检验,以确保最终产品的功能用途、表面的金属效果和喷涂施工应用达到客户期望。
4 制备工艺
4.1 工艺流程
邦定金属粉末涂料工艺流程可分为底粉制备和邦定加工两段,如图2所示。
底粉制备:按照配方进行配料,将树脂、固化剂、颜填料和助剂等物料进行预混料,然后熔融挤出混合物,经压片机将挤出的熔融产物挤压成薄片,并及时冷却,将冷却后的薄片进行破碎和细粉碎,粉碎后的粉末颗粒按要求进行筛分,最终得到底粉。
邦定加工:将底粉、金属粉及其他添加剂投入邦定锅,进行高速搅拌升温,邦定粘结。粘结完成后,迅速将物料放入冷混锅中进行低速搅拌冷却。加入松散助剂,放料筛分,成品包装。
4.2 常用的邦定设备
不同邦定粉末对邦定设备的要求也不同,根据产品类型和成本可以考虑不同的邦定设备。常用的邦定设备有以下几种类型。
4.2.1 经过简易改装的高速搅拌锅的伪邦定机
这种设备由各粉末厂自行改装或委托设备商改装,大部分是由塑料行业的高速混合机改造而成,该设备更适合大颗粒物料,局限性较大。
4.2.2 热传导式邦定锅配套冷混锅的第一代邦定机
该加热型粉末涂料邦定机加热方式可分为外壁夹套的热水循环传导和外壁夹套的导热油循环传导。热水循环传导加热,特点是升温较快,但热水的热量容易耗损,从而导致控制温度不均匀,而且邦定一次需要时间较久,效率不高。热油加热的优点是控制温度均匀,热容量高,在常压之下就可以到达很高的温度,其热量损耗小,可以降低生产成本,但是加热速度较慢,温度也不容易调整控制。该类型邦定机以国产的SLB-500为代表。
4.2.3 自摩擦式邦定锅配套冷混锅的第二代邦定机
自摩擦式邦定锅利用桨叶搅拌使粉末被动升温,但是这样容易破坏大粒径金属粉,以进口的亨息尔为代表,国内多家粉末设备商进行模仿和国产化运用,价格更低廉。
4.2.4 在热传导和自摩擦基础上改进的新一代邦定机
以深圳置胜隆公司的ZSL-200为代表,按不同产品特点和需求进行改进。
4.3 金属粉末的邦定过程
不同设备厂家提供的邦定设备和工艺特点虽然各有不同,但金属粉末的邦定过程一般包括3个基本过程,3个过程的灵活性是邦定设备先进性的体现。
4.3.1 黏贴过程
目前最常用的方法就是让粉末涂料在混料缸中高速混合数分钟,让粉末涂料在摩擦中均匀升温。当达到树脂的软化点温度时,金属粉末颜料将在短时间内附着在树脂颗粒的表面上。在这个过程中,精确控制混合容器内气体的安全比和混合容器的温度是非常重要的,不同批次、不同配方的粉末涂料的软化点是不同的,因此精准确定粉末涂料的软化点和玻璃温度非常重要。
4.3.2 冷却过程
高速混合后排出的粉末涂料应尽快处理,使其温度降低到常温以下。低速混合器通常用于冷却过程中,要确保低速混合器的容量足够大,以满足批量混合物的冷却需求。
4.3.3 分筛过程
随着邦定过程中金属粉末持续升温,会有一些粉末颗粒不可避免地形成团簇,导致结团。因此,要对成品金属粉末涂料进行筛分去除大颗粒。通常使用100~120目筛网进行过筛处理。
5 影响涂料质量的因素
5.1 金属颜料对邦定金属粉末的影响
常见的金属颜料有铝银粉、铜金粉和珠光云母粉。铝银粉分为浮银和非浮银2种。浮型铝银粉易浮到涂层表面形成金属表面层,但耐化学性和耐候性不太理想,非浮银的倾向性不强,但它们与基粉结合效果良好,物理性能表现出色,涂层的性能较好,可以获得较好的金属效果。铜-金粉的成分主要是铜或铜锌合金。为了获得更好的铜-金效应,铜粉颗粒表面经常覆盖一层保护膜来达到保护膜厚的效果,从而影响光的反射和衍射,使其表面产生金、红、青铜或绿金的颜色效果。云母粉的横截面与珍珠的结构相似,基于这一原理,云母粉在云母片上覆盖有高折射率的金属氧化物,高折射率金属氧化物和低折射率云母芯片平行排列,以产生可见的彩虹色。如果控制金属氧化物的厚度和比例,云母粉在色彩上的体现将更加丰富多彩。
5.2 邦定温度对金属粉末涂料的影响
邦定温度的范围是树脂开始软化、金属颜料粘附到树脂颗粒表面的温度。在这个温度下,树脂从粉状变为团状。在这个状态下,维持温度的时间非常有限。如果混料缸内温度不均匀,就有可能发生局部凝聚或者局部粘结无效的情况。邦定温度对金属颜料粘结效果的影响与金属颜料与基体粉末比例有着直接关系。聚合物材料的玻璃化转变受到加热速率的影响,如果加热速率快,需要适当调节邦定温度;加热温度太慢,邦定温度应适当降低。
5.3 邦定时间对于金属粉末涂料的影响
邦定时间是金属邦定粉末制备参数中重要的参数之一,对于产品质量起到关键性的作用。邦定时间要看具体的底粉材料和金属颜料的添加量而定,邦定温度到达以后,有效邦定时间一般控制在0.5~5 min。总的来说,邦定时间越长越好,特别是高金属粉含量的产品。但邦定时间过长,容易造成金属粉末涂料整块结锅。
5.4 固化工艺对金属效果的影响
除了高光泽和特殊质地类型的粉末涂料以外,金属粉末的固化过程与普通粉末的固化过程基本相同。当涂膜固化时,必须保证型材完全固化。固化炉的最高固化温度、固化炉的加热速度、型材表面的加热速度和烘烤时间等直接影响涂膜金属颜色效果,必须预先设定好,比如纹理类金属粉末的金属纹路在不同温度下形成的金属效果会有差异,因此在金属粉末的施工上必须有严格稳定的固化工艺。
6 生产工艺安全控制和效果检测
6.1 生产工艺安全性控制
大多数金属粉末用微细浮型银铝粉着色。铝银粉在邦定过程中和混合过程中会摩擦引起静电,从而导致粉尘的着火和爆炸。金属粉末的安全生产必须认真对待并做好防护措施:(1)严禁在作业的邦定车间吸烟或使用明火,(2)邦定设备要接地释放静电,(3)邦定中一定要充氮气用于阻隔助燃物,(4)确保邦定生产环境的空气循环,防止氮气过多而导致的缺氧,(5)不得直接添加铝银粉,铝银粉要与底粉混合后加入,(6)设置危险等级。根据添加的金属颜料的种类和添加量,危险等级如下:铝银粉的粒径20 μm以下、含量小于1%的;铝银粉的粒径20 μm以上、含量2%以上的;铝银粉粒径20 μm以上、含量2%以下的;加铜金粉的;加珠光体分颜料的。
6.2 邦定效果检测方法
6.2.1 目视观察法
把邦定好的细粉末放入透明的聚乙烯袋子中,与空气各占一半并束口。摇动数次之后提起袋子,拍打袋子的上半部分,如果邦定得足够好,可以看到袋子里的粉末状态。如果邦定不良,则由于银粉吸附塑料袋的内表面上,导致无法看到袋子中的状态。
6.2.2 喷板观察法
取邦定好的样品连续单次喷涂多块标准样板,观察枪头是否有金属粉堆积,并将所有烘烤好后的样板一字摆开观察,鉴定样板是否均匀。
6.2.3 施工喷枪试喷工件法
该法是最直观有效的方法,用客户施工喷涂的带流化桶的手喷枪试喷工件或标准样板,如果样板上有阴影或枪头有严重金属粉堆积,表明未邦定好。
6.2.4 其他方法
其他方法还有粒径变化观察法;电压、气压变化观察法;旋风分离测试法;电镜观察法等。
7 结 语
虽然目前邦定金属粉末涂料仍存在一些需要改进的问题,如邦定效果不稳定、邦定过程中金属粉容易团聚、不同批次之间存在色差和产品种类不够丰富等,但随着环保要求的不断提高,粉末涂料的研究不断深入,邦定金属粉末涂料必将凭借其华丽的效果、环保特点及优异性能得到充分的利用,应用范围也将随之不断拓展。