粉末涂料是100%固体含量、零VOC的“4E”涂料,自诞生之日起就是公认的环境友好涂料而迅速对多个传统工业领域溶剂型涂装实现了颠覆式的产业替换,从传统的家具、家电、铝型材、交通、能源等行业到船舶工业、海洋工程和管道工业,都取得了很好的效果。粉末涂装对环境要求低,可使用流化床、静电、滚涂、淋涂、火焰等多种涂装方式,过喷的粉末可以100%回收,涂膜性能优异,是发展较快的低VOC涂料。
1 粉末涂料主要应用领域
粉末涂料因其突出的环保优势,应用领域极其广泛,包括建筑铝型材、暖通(暖气片)、重防腐领域(石油管道、消防管道、水管、桥梁防腐、高铁、矿山管道等)、家用电器、汽车、农用机械、自行车、金属家具、防盗门、护栏、电子电器,在家电、建筑铝型材、金属家具等领域粉末涂料更是有着广泛的应用。随着原材料、涂装设备与工艺技术的进步,粉末涂料的应用空间正在不断拓展。
1.1 建筑、家电与家具行业
在建筑金属型材中,铝型材占比在80%以上,参考前瞻产业研究院《中国铝型材行业市场需求预测与投资分析报告》整理数据显示,2017年6月我国铝材产量588.4万t,同比增长13%,1~6月累计产量3 025万t,为全球铝型材第一生产大国。建筑铝型材、铝天花板、铝门窗、铝合金幕墙、铝塑板、铝扣板等目前基本采用粉末涂装。建筑铝型材专用粉末涂料需要有超强的耐候性和装饰性,同时能满足环保要求。
氟碳粉末涂料具有超强的耐候性,达到AAMA 2605标准,可保证铝型材20 a以上的耐候防护,是超耐候环保涂装的最佳选择。随着真空热转印技术的成熟,热转印粉末涂料可以通过转印技术把金属变为“木材”或“不锈钢”,热转印技术在铝型材、防盗门、家具上的成功应用使 “转印粉”形成粉末涂料一个重要分支。在“以铝代木,回归自然” 的健康、环保、节能背景下,越来越多的铝型材表面进行了木纹转印表面处理,通过Qualideco认证的“铝型材转印粉”可应用于铝门窗、幕墙这些要求超耐候的建筑物上,而且使建筑物更加贴近自然。
粉末喷涂以其色彩鲜艳、坚固耐用的特点成为当今金属家具最环保的标准喷涂技术,近年来由于木材资源的短缺,铝家具应运而生。经木纹转印技术处理制作的全铝合金办公家具、户外家具以及储存类家具(如衣柜、橱柜等)表面呈现逼真的紫檀、橡木、胡桃等木材的自然原色,实现了绿色家居生活,零甲醛,零污染,美观耐用并可循环利用。
家用电器用粉量约占整个粉末涂料用量的60%,粉末涂料以其色彩鲜艳、坚固耐用的特点占据大部分家电涂装的(如冰箱、洗衣机、空调、微波炉、厨具等)市场。
1.2 管道、管件、阀门工业
埋地石油管道、天然气管道、输水管道处在极其复杂的腐蚀环境下,其防腐保护极其重要,通常要求有50 a以上的防护寿命。熔结环氧粉末涂料(FBE)在20世纪60年代成功应用于管道工业,使管道防护技术产生了质的飞跃。通过加热将FBE熔融固化并粘接在金属底材上,具有优良的附着力、低氧渗透率、耐微生物腐蚀、无阴极屏蔽、坚硬耐磨、涂层表面光滑以及优异的耐腐蚀性能,特别适用于高盐、高碱的土壤及高含盐分的海水和酷热的沙漠地带等苛刻环境。FBE管道防腐已形成了完整的高度自动化涂敷工艺,在发达国家,有50% 以上的管道商选用FBE涂层,如美国输油管道、输气管道以及输水管道的内外防护中有40%~50%的工程采用FBE涂层;英国天然气公司从1977年开始使用FBE,并指定该涂料为所有海底管道的防腐蚀涂装材料;在欧洲和中东地区的油气管道主要采用3PE 防腐层(底涂是FBE)。借鉴发达国家的经验,我国大中型输油管线、输气管线以及输水管线也基本使用了3PE防腐层和FBE,我国4 000 km“西气东输”大量使用FBE粉末[1],用量达到1.5万t。英国、美国等许多西方国家成功地将FBE应用于输水管道的内涂层,沙特国家输水管线已使用30 a以上,涂层依然完好如初;FBE和热塑性聚乙烯粉末涂料(PE粉)是CJ/T 120—2016《给水涂塑复合钢管》标准中指定的内外防腐涂层,南水北调工程输水钢管内防腐大量使用FBE涂层技术,不仅达到输送饮用水标准,而且保证了50 a以上的长效防腐;双层FBE技术应用于管道的穿越技术提供管线在穿越过程中与砂石土壤的耐磨性;海底管道技术使用FBE以及聚乙烯粉末涂料的历史也有近50 a。
表1为管道工业中3种最常见涂层的性能对比。从表中数据可以看出,FBE的性能优于无溶剂环氧涂料,甚至略优于无溶剂聚氨酯涂料。
表1 3种外防腐涂层性能对比Table 1 Comparison of performances of three kinds of exterior anticorrosive coatings |
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1.3 钢筋
钢筋是建筑工程不可或缺的基本材料,钢筋的使用寿命决定着建筑物的使用年限。FBE涂层钢筋技术始于美国,美国曾先后试验了56种涂层材料,最终选用了环氧粉末涂层[2],该涂层不仅防腐性能极佳,而且环氧涂层钢筋与混凝土的锚固力降低幅度在10%以内,是各类涂层材料中最小的。1913年,在建造宾夕法尼亚大桥中成功使用了FBE涂层钢筋,比预期使用寿命提高了1倍以上,粉末涂料从此成功进入建筑领域。比较其他防腐方法,钢筋用粉末涂料是效益最高的混凝土结构防腐材料。国外有关资料说明,LPG码头建筑物的混凝土构件内的钢筋全部采用了粉末涂料保护,使用年限由30 a提高到50 a[3],对工程耐久性的贡献十分突出,总造价只增加约1%~3%。
1.4 钢绞线
钢绞线(又称钢缆)是桥梁建筑的荷重结构材料,对防腐和耐盐雾性要求非常高(特别是沿海或跨海桥梁),需通过3 000 h的盐雾试验。美国德克萨斯大学就斜拉索防腐体系进行了全面的调查,结果表明镀锌钢绞线+内涂层+HDPE套管是较完美的防腐体系[5],在腐蚀严重特别是海洋性气候环境中环氧涂层钢绞线具有独特的优势,而镀锌工艺则存在严重的环境污染。
环氧粉末涂层预应力钢绞线作为新型预应力材料以其优异的防腐性能在桥梁工程中已有大量应用,如斜拉索、体外索、体内索、吊杆索、系杆索、岩土锚索和锚碇预应力索等,采用环氧粉末涂层技术提供长效防护,盐雾试验的耐蚀性远大于镀锌层,是氯离子或盐分含量相对较高的环境理想的防腐材料。在德克萨斯大学收集的意见中,环氧树脂粉末钢绞线体系的得分仅次于镀锌钢绞线体系[5,6]。环氧树脂粉末钢绞线耐腐蚀性明显优于镀锌钢绞线,可使建筑物寿命提高3~6倍,这是粉末涂装技术所攻克的新领域,可以应用于城市桥梁、港口、码头等沿海地区潮湿环境下等受海水侵蚀的斜拉索、吊索等预应力工程构筑物;长期在污水浸泡下的污水处理池等;强腐蚀环境下的化工构筑物等。
钢绞线FBE涂层工艺已实现了自动化涂装,涂覆环氧粉末的新型防腐钢绞线具有与母材钢绞线相同的强度特性,是目前防腐领域内预应力工程中的首选。美国有专门的环氧涂层钢绞线标准ASTM A882/A882M—2004。据我的钢铁网《我国预应力钢绞线市场概况与展望》显示,2016年我国共有长期稳定钢绞线厂家约42家,绞线生产线约200条,年设计产能达600万t左右,全年钢绞线实际产量约450万t,其中环氧涂层钢绞线(钢筋)按20%计,其产量为90万t。而每吨环氧涂层钢绞线(钢筋)需用环氧粉末涂料约50~70 kg,意味着目前我国该领域年需求超过4万t环氧粉末涂料。随着FBE涂层钢绞线的应用比例在逐年速增,粉末涂料也将在钢绞线市场迎来巨大的增长。
1.5 其他行业
交通运输行业(如高速公路护栏杆、保护网,动车、高铁、机车内装饰板,信号灯、电控柜),电子行业与IT行业中使用的马达、线圈、变压器电子组件、配电柜、电脑机箱、交换机,运动器材、健身器、售卖机、童车、小五金、电动工具,以及一些新兴的行业如共享单车、摩拜单车、快递箱等均采用粉末涂装。
2 在七大重点行业VOC治理中粉末涂料的机遇
国家环保部发布的《“十三五”挥发性有机物污染防治工作方案》中要求七大重点行业所有企业均应实施VOC综合治理、VOC总量减排要求:集装箱制造企业的VOC综合去除效率达到80%以上,汽车、卷材制造企业达到70%以上,家具制造企业达到50%以上,工程机械、船舶、钢结构制造企业达到30%以上。这些给粉末涂料带来了新的机遇。
2.1 集装箱涂料市场
集装箱市场非常集中,据中国集装箱协会统计,中集集团全球最大,占全球集装箱市场50%,第二便是胜狮货柜,全球市占率达25%,中国集装箱占世界总产量95%。据中国报告网发布的《2016—2022年中国集装箱租赁市场发展现状及十三五发展趋势前瞻报告》显示,2016年全世界的集装箱保有量约4 000万只标准箱,每个集装箱的寿命为15 a左右,用9~10 a后,便需要修补,每年集装箱的替换率约220万~300万只标准箱,因而集装箱涂料市场的增长潜力巨大。
由于集装箱经常处于移动状态,反复经历从陆地到海洋、从酷暑到严寒的全过程,因而集装箱防腐要求很高。1962 年国际标准集装箱诞生以来,溶剂型涂料一直是集装箱制造行业中主要涂料,约占95%,主要使用三层油漆配套体系防腐,底漆为溶剂型环氧富锌漆,面漆为氯化橡胶防腐,都存在VOC排放污染,而且氯化橡胶树脂在制造过程中会放出CCl4,破坏臭氧层[6]。为此中国集装箱行业协会通过了《中国集装箱行业VOCs治理行业自律公约》,强制推行水性化涂装,以实现VOC减排80%的目标。目前集装箱用水性涂料仍存在技术难度,在环保上也存在废气、废水、废渣需要进一步处理,由此可能带来高昂的成本难以接受,因此“油改水”道路依然漫长而艰辛。
集装箱体积巨大,而且需要内外喷涂,因而喷涂方式的改变将会因前处理的复杂而受限制。尽管如此,水性化、高固化和粉末涂料的使用是集装箱涂料未来的发展方向。杜邦公司曾积极推介粉末涂料技术在集装箱上的应用,未来将会为集装箱的涂装市场提供更多选择。目前高能红外技术已经实现大型工件的烘烤固化,随着更加先进的涂装工艺的应用以及粉末技术的进步,集装箱的粉末涂装并非不可能。
2.2 汽车涂料市场
汽车制造业是涂料最大的用户之一,每次VOC排放量的大幅下降都与采用新型涂料有关,如20世纪80年代初引进高固体分涂料,80年代末采用水性涂料,90年代粉末涂料开始用于汽车制造业。“高红外”加热技术用于粉末涂料的固化,使粉末涂层的平整度和光泽与液体涂料相媲美,可用于轿车面漆和罩光面漆,从而实现了涂装工艺的革命。
在乘用车领域,粉末喷涂技术已经得到了克莱斯勒、通用汽车、PSA、BMW、SWART和法拉利等公司的认证;在商用车领域,目前,VOLVO、SCANIA、IVECO、TATA和集瑞联合货车等已经采用了粉末涂装技术生产[7]。中国粉末涂料在汽车中的应用主要集中在汽车零部件方面,如汽车发动机、汽车底盘、车轮、滤清器、操纵杆、反光镜、雨刮器和喇叭等,基本上都为黑色。国内江淮汽车已实现车厢的粉末化喷涂,其性能超越了溶剂型涂料。随着技术的日趋完善和粉末涂料性能的提高,现已完全能满足轿车涂装的各项要求,如:外观装饰性、耐候性、耐化学品性、抗划伤性、抗紫外线性等。粉末涂料在整个喷涂过程中可以循环使用,节省成本。粉末清漆的烘烤过程比较干净,可以长时间保持烘房的清洁度。粉末罩光涂料具有与溶剂型涂料同等的涂膜外观,初期投资少,现有涂装设备稍做改造即可投入使用。
汽车粉末涂料的进步令人鼓舞,“轮毂粉”替代溶剂型底漆涂装于汽车轮毂具有更好的耐划伤性、耐石击性以及表面性能,可将液体涂料的四涂改为粉末三涂,取消了底色漆,因而应用底面合一的底粉,成为汽车新的涂装方向。粉末清漆已成功使用了30 a以上,比水性清漆技术更加成熟,有明显的优势。特殊金属效果的粉末涂料表现出比水性漆更好的层间附着力和兼容性,使涂装过程中VOC排放下降近50%,如仿铬粉末涂料(电镀粉)用于汽车轮毂涂装替代不环保的抛光工艺,达到电镀效果。传统的汽车轮毂用水电镀达到镀铬效果,水电镀一般的镀层材质采用“六价铬”,具有严重环境污染问题,为了解决污染问题而使用真空电镀工艺,即“底粉+溶剂型底漆+溶剂型介质漆+电镀层+清漆”工艺。而应用“轮毂专用介质粉”可完美替代 “溶剂型底漆+溶剂型介质漆”,越来越多得成为工艺主流。最终的电镀涂层具有高丰满度、高流平、高硬度,零VOC排放,未来汽车领域会有更多的粉末涂装案例。
2.3 卷材(PCM)涂料市场
预涂卷板广泛应用于建筑、家电和家具等行业,需要大量的涂料防护。据Future Market Insights 公司预测,2027年全球卷材涂料销量预计达到136.8万t。国外研究和生产彩涂板已有50 a以上的历史,现在欧洲大约有10条粉末涂装线。我国卷材涂料生产始于20世纪80年代,虽然起步较晚,但发展极为迅速,技术水平也有了大幅提升。据慧聪涂料网估计,到2020年,涂料行业总产量预计增长到2 200万t左右,年均增长率5%。如果按2014年卷材涂料占涂料总产量的2.78%的份额来计算,到2020年,卷材涂料能达到60多万t产量,加上6%的复合增长率,保守估计到2020年能达到80多万t产量。
至今为止,几乎所有的预涂卷钢板都是使用液体涂料来涂装的。PCM涂料已形成了一个巨大的产业,逐渐向延长使用寿命、增加产品的功能和环境友好型方面发展,水性涂料、粉末涂料、光固化涂料等都有小批量应用。PCM粉末涂料也是粉末涂料的一个重要分支,零VOC,柔韧性优异,在耐寒、耐热、耐时效方面均高于溶剂型涂装。
合肥荣事达-美泰克合资公司1998年从德国EISENMANN引进了中国第一条16 m/min的高速平板粉末喷涂流水线[8],主要应用于家电板。杭州冯氏卷钢材料有限公司在“十二五”期间成功开发专用于卷材粉末涂装的设备,并在其杭州工厂实现25 m/min的大规模卷钢生产。2017年3月,山东科瑞钢板有限公司“高速静电粉末彩色涂层钢板”实现了国内80 m/min 的PCM高速静电粉末喷涂,填补国内该项技术的空白,标志着我国彩涂板加工技术进入零VOC的技术领域。
2.4 家具涂料市场
中国共有3 400余家木质家具生产企业,目前中密度纤维板(MDF)均使用脲醛喷漆或聚乙烯膜贴塑进行装饰,这2种方法都存在环保问题。近年水性涂装在家具行业广泛普及并被社会大力推崇,但水性涂料由于含有50%以上的水,烘烤时有机溶剂与水一起蒸发出来,并非“零VOC”挥发,此外水性涂装存在成本高、加工周期长、漆面硬度低、丰满度差等诸多问题。而通过低温固化粉末与远红外固化技术共同实现了MDF板的粉末涂装,实现了真正意义的MDF环保涂装。粉末涂装颜色丰富,有表面砂纹效果、高光效果等不同装饰效果,而且比传统液体涂料具有更好的耐化学性和持久性。这项技术的关键在于使用低温固化透气粉末涂料以及使用低温催化燃烧天然气产生红外辐射为主、电加热中波红外为辅的低温固化技术,在一个特殊设计的气体催化炉内进行,固化时间短,全程粉末自动涂装仅需1 h,可将采用液体涂料涂装的45 d交货期缩短至3 d,而且每平方米综合成本比传统溶剂型涂料或水性涂料成本降低20%~40%。
宜家已经大规模引进粉末涂装技术,索菲亚在其板式家具中开始大规模采用粉末涂料,国内家具企业如兆生、励泰、东健科技、博洛尼、欧林等也在推广粉末涂装木制家具。
据来自中国林产工业协会的数据显示,2016年中国人造板生产继续保持增长,全国人造板产量首次突破3.00亿m3,居世界第一位。木材涂料是一个巨大的市场,如果使用粉末喷涂,每年将有数百万t的粉末需求量,而中国的粉末涂料2016年总产量还不到200万t。因此粉末涂料应用于MDF市场成功唤醒了一个“沉睡的巨人”,可以期待,随着粉末技术与涂装技术的进步以及全球消费者对环保越来越高的需求,木材粉末涂料将迎来快速增长。
2.5 工程机械与农用机械
我国共有1 300余家工程机械制造企业、2 500余家农用机械制造企业,工程机械自给率达到80%以上,装载机、挖掘机、汽车起重机、压路机、叉车、推土机、混凝土机械等一大批工程机械产品销售量和销售额位居世界第一位。
工程机械和农用机械长期暴露在户外恶劣的环境下,承受着不同程度的腐蚀,对涂膜附着力、机械强度、耐磨性、耐腐蚀性及耐候性都有较高要求,工程机械的防护与装饰尤其重要。2015年工程机械(含叉车和农用机械)行业的涂料用量10.2万t,其中溶剂型涂料占总量89.3%、粉末涂料9.5%,水性涂料仅占1.2%。工程机械(含叉车和农用机械)的薄板件的涂装可采用粉末涂料涂装,在投资和运行成本上具有一定的优势,山推工程机械、土耳其YARIS、徐工科技、徐州卡特、上海龙工、星光农机等工程机械、农机企业均在驾驶室、结构件、覆盖件上使用了粉末涂装工艺,中国一拖也在管件上使用了粉末涂料涂装工艺,未来众多的工程机械结构件将会使用高固体分涂料或粉末涂料这类环保涂料进行涂装。
2.6 船舶及海洋工程
海水是一种强腐蚀介质,波浪、海流对金属构件产生往复冲击,海洋船舶用金属通常要遭受比其他工业物件更多的紫外线照射和海水侵蚀而更易腐蚀降解,因此需要重防腐涂料对其加以防护。船舶涂料的主要品种有:水线涂料、船壳涂料、甲板涂料、油舱涂料、饮用水涂料、压载水舱涂料、防污涂料等。粉末涂料有着极其出色的耐候性、耐磨性和耐腐蚀性,可为船舶生产及使用提供良好的性能和维护成本,不过受涂装尺寸和现场施工所限,目前尚没有应用实例。
但粉末涂料在船舶管道系统已有成功应用,包括海水管道、淡水管道、蒸汽和废水管道、燃料和油料管道、排污管道等,一般1艘万吨级船舶管道系统总长可达30 000 m。除船舶管道外,船舶上耐腐蚀泵、耐腐蚀阀门、耐蚀波纹管补偿器、海水滤器基本采用环氧粉末涂装。
我国海洋防腐涂料需求保持年均30%的增长速度[9],作为海洋开发基础设施的跨海大桥也在不断新建,为海洋防腐涂料带来巨大市场。海洋防腐涂料一般要求10 a以上寿命,粉末涂料可将重防腐与超耐候完美结合,在极其苛刻的海洋腐蚀环境下,FBE作为重防腐底涂,氟碳粉末作为超耐候面层。
重防腐环氧粉末涂料已成功应用于海洋环境的跨海大桥的钢管桩,美国ASTM A972/A972M-00“Standard specification for Fusion Bonded Epoxy Coated Pipe Piles”明确提出用熔结环氧涂层作为钢管桩防腐的技术和标准[10]。如杭州湾跨海大海钢管桩防腐方案为:泥下区钢管桩采用单层FBE涂层(涂层厚度≥300 μm),涂层外表面具有30~100 μm的粗糙度;承台以下约42 m水下区采用双层FBE涂层(涂层厚度≥600 μm) 耐磨、耐冲击;钢管桩承台以下约8 m范围潮差区采用加强型三层FBE涂层(涂层厚度≥800 μm),最外层使用氢化环氧粉末技术提高海洋大气环境下的耐候性。通过在同一钢管桩上按照需要连续喷涂不同层数、不同性能涂层的先进工艺,使整根钢管桩具有抗海水腐蚀、抗泥沙冲刷、抗海生物附着、抗紫外线辐射等优点,设计寿命100 a。港珠澳跨海大桥钢管桩防腐外壁采用双层FBE涂层技术配合阴极保护提供120 a的长效防护。
这些重防腐粉末涂料成功应用于海洋环境中的钢构件的重腐蚀防护案例,可为处于海洋环境中的船舶、钢构件提供积极的防护参考。
2.7 钢结构防腐
中国共有5 000余家钢结构生产企业,传统的钢结构防腐通常需要重防腐以及超耐候的性能,因此一般使用不同防腐涂层的组合配套体系,如环氧富锌+环氧云铁+氟碳(或聚氨酯)面漆,但这种配套防腐工艺由于VOC排放较大,对环境以及人身健康存在伤害。而重防腐粉末涂料和超耐候粉末技术已经相当成熟,FBE或环氧富锌粉末涂料可以提供底涂,提供优异的附着力或牺牲阳极的电化学保护,而FEVE氟碳粉末可提供长达20 a以上的耐候保证。
3 粉末涂料发展方向
3.1 重防腐领域
自2010年起,我国在集装箱、船舶制造、高速公路、铁路项目、能源、石油化工、重型机水利、火力和风力发电、石油开采发展速度都超过了10%以上,这些项目中重防腐涂料应用量已超过300万t,我国成为世界上重防腐涂料产量和使用量第一的国家。2017年我国防腐涂料总产量将达到600万t左右,其中重防腐涂料发展前景最为可观。在船舶、桥梁、钢构等一些重防腐涂料应用领域,溶剂型涂料仍是主流,占风电涂料的90%以上,陆上风电和海上风电对于绿色涂料的需求十分迫切。水性涂料难以完全替代溶剂型涂料,粉末涂料有望在绿色涂装趋势下占有更大的市场份额。
2016年我国风电产业继续保持高速发展,风电机组的装机量已达10万台,并以每年1万台的速度递增,累计装机超过了全世界风电装机的1/3。风电产业快速发展带给粉末涂料发展新机遇,粉末涂料已经成功应用于风电设备的电气控制柜体(机舱柜、变频柜、塔基柜等)的内、外表面及电气元器件支架等涂装。未来要求重防腐以及超耐候涂层的风电设备的塔筒、轮毂、导管架等钢铁结构正适合采用重防腐粉末涂料以及超耐候粉末涂料。特殊设计的自分层粉末涂料(氟碳改性FBE技术,一次固化得到底层FBE与面层FEVE的涂层技术)以及环氧富锌粉末涂料可以替代目前的复合配套油漆防腐体系或溶剂型环氧富锌涂料。
3.2 特殊功能性应用领域
功能性粉末涂料包括紫外光固化粉末涂料、抗菌防霉粉末涂料、电气绝缘粉末涂料、耐高温粉末涂料、防涂鸦粉末涂料、美术型粉末涂料、热转印粉末涂料、电泳粉末涂料等。
绝缘粉末体积电阻率高达1015 Ω·cm,吸水率仅为0.1%。近年来,国际上电工用环氧绝缘粉末的涂敷技术在母排、铜排、断路器、开关柜、绝缘子、母线槽和开关柜中母线绝缘及其他需要耐高压的电器元件绝缘上得到广泛应用,如日本三菱公司的12 kV开关柜、瑞士ABB公司和德国西门子公司的12~40.5 kV开关柜内的母线都采用了绝缘粉末,国际上ZN63大电流断路器中也采用绝缘粉末涂敷。
导电粉末一般要求导静电涂料的电阻≤109 Ω·m,美国军用标准<108 Ω·m。目前导电粉末的表面电阻可低至105 Ω,因此具有较高的导电性,可应用于一些防静电的领域,如矿井管道的涂装、油箱、医院手术台、计算机房等。
耐高温粉末涂料主要由耐高温树脂、耐高温颜填料以及特效助剂制得,可满足不同高温要求(200~600 ℃)。按GB/T 1735—1979标准测试,可达到450 ℃长时间、500 ℃短时间无开裂、鼓泡的高温性能[11]。主要应用于BBQ烧烤炉、暖风机、燃气具、大功率灯饰,以及机械设备的高温部分,如排烟管道、汽车和摩托车消音器、高温炉、电气绝缘材料、石油化工装置、飞机、导弹、宇航设备等的涂装保护,可完全取代高温溶剂型涂料、搪瓷等高污染、高能耗产品。汽车业和运输业是耐热涂料增长最快的应用领域,预计到2020年耐高温涂料市场规模将达到42.4亿美元,2015—2020年增长率在4.5%以上。未来新型耐热聚合物的开发会推动耐高温粉末涂料的技术进步而拓展其在耐高温市场的应用。
3.3 非金属基材涂装领域
传统的粉末涂料通常仅限于金属底材,而难以涂装在非金属基材上,如混凝土基材、塑料、玻璃等,某些合金也不能用粉末涂装,如镁铝合金。此外一些预装配制品(如防震器、电动机、泡沫内芯门等)上面都装有电子元件、塑料、层压制品、橡胶密封圈等热敏部件,它们承受的温度不能过高,也无法实现粉末涂装。在非金属基材领域,短期内粉末涂装技术难以突破。不过令人欣慰的是,UV固化粉末涂料和低温固化粉末涂料使粉末涂料应用于非金属基材成为可能,粉末涂料在MDF的应用,具有很好的借签作用。
将UV和粉末涂料相结合的UV光固化粉末涂料将有很大的发展潜力,UV固化粉末涂料技术将固化温度降到120 ℃以下后,不会导致热敏基材脱气或变形从而实现热敏材料如木材、塑料、MDF板等的粉末涂装。1968年Bayer研发了第一代UVCC木器涂料,是欧洲开发成功的第一个UV固化粉末涂料应用领域;DSM公司报道了UV粉末涂料在纸类基材上的应用[12],该粉末涂装技术配合印刷(胶印、柔印、凸印等)技术,可用于书籍、杂志封面、包装箱纸板、卡片纸等上光;UV固化粉末涂料另一纸基应用是墙纸粉末涂饰,可获得较理想的装饰性和功能性(防污染、耐擦洗等)涂层。
3.4 超大型构件的现场施工
某些超大型构件(如大型储罐、平台、甲板等)以及非金属基材的内外墙涂料或大型混凝土构件只能选择适合现场以及常温施工的液体涂料。
不过,未来涂装设备的发展也许可以实现以上领域的粉末涂装施工,如高红外加热技术、火焰喷涂技术或者应用UV固化粉末涂料则有可能实现大型构件的粉末涂装,因为火焰喷涂和UV固化可不必将整个构件全部加热。
3.5 高精尖材料的应用
石墨烯、纳米材料等高精尖材料在传统的粉末熔融挤出制造工艺中很难得到良好分散,因而这些优秀的材料难以在性能上给粉末涂料带来质的突变。
4 粉末涂料现存问题
(1)在粉末涂料的生产以及涂装过程中会产生大量的粉尘,可以通过增加除尘设备进行处理,但是仍有部分超细粉尘(通常为<10 μm)排放到大气中,粉尘与生产过程中的噪音常成为扰民的因素。在此背景下,粉末涂料企业进入化工园区已是大势所趋。随着涂料企业进入化工园区期限的迫近,一些不规范的粉末涂料企业也将面临生存危机。
(2)近日环保部发布的《环境保护综合名录(2017年版)(征求意见稿)》中第485项将含TGIC固化剂的粉末涂料列为“双高”(高污染、高环境风险)产品。虽然市场已有一些“TGIC-free”产品,如HAA(常称为Primid产品)、PT910等,且HAA是目前市场上最成熟的TGIC替代产品,但直到今天,其耐热性、厚膜化等性能指标仍无法与TGIC涂层相媲美。一些替代产品仅是降低了毒性(如MT239),但同时也降低了固化剂的活性,因此完全意义上的TGIC替代产品目前仍不存在。粉末涂料行业在TGIC产品的替代上仍然任重而道远。
(3)粉末涂料行业仍在大量使用铅铬黄、钼铬红颜料,这些含重金属的颜料对人体可能造成伤害或潜在危险。发达国家已有法律限制有毒有害物质的使用,例如北美、欧洲、澳大利亚、新西兰、日本、韩国已经立法对涂料中铅的含量进行限制。我国关于涂料中限制应用重金属颜料的立法也将日趋完善。然而高成本的替代方案(如高性能有机颜料、金属混相颜料、陶瓷颜料等)对本已不堪重负的粉末涂料生产成本控制更加雪上加霜。但值得欣慰的是,这些颜料的替代是整个涂料行业需面临的问题,而非单纯的粉末涂料行业的问题,相信群策群力,终有解决之道。
(4)粉末涂料的固化需要高温条件,目前最新的粉末涂料技术也必须120 ℃以上固化。高温固化需要消耗更多能量,在节能上与其他涂料相比处于劣势。
(5)大多数非金属底材,如混凝土、石材表面的防腐目前无法粉末涂装,但是目前在一些塑料底材、MDF板上已取得技术上的突破,在非金属底材上的粉末涂装未来可期。
(6)特大型金属件(如钢结构、集装箱等)或形状极为复杂的金属件也很难实现粉末涂装。对于大型工件,要实现粉末涂装,必须有超大的固化装置,这是不现实的。未来涂装设备的革命有希望解决大型工件的涂装,如火焰喷涂。此外形状特别复杂的工件由于粉末静电喷涂时产生的“法拉第笼”而使复杂的阴角及沟槽部位难以吸附粉末,涂装效果难以接受,只能采用不环保的热浸锌或冷镀锌的工艺进行防腐。未来这些复杂工件的涂装可以考虑应用粉末流化床工艺解决工件上的“死区”涂覆问题,这需要涂装企业与涂装制造设备商的共同努力,攻克难关。
(7)粉末涂料在整体涂料行业的关注度过低,高校以及研究机构对粉末涂料的关注以及研发热情远低于水性、高固等其他环保涂料。目前并没有专门的粉末涂料专业,高校中涂料专业也很少涉及到粉末涂料知识,这可能是因为粉末打样研发需要一整套小型生产设备,而液体涂料仅依靠聚合瓶等小型试验装置即可展开工作。此外,粉末涂料在涂料行业似乎并不属于“名门正派”,因为粉末形态更类似于超细塑料粒子,也即“塑粉”,而非“涂料概念”上的形态;其加工方法以及使用的某些助剂、颜填料更与塑料加工相似,尤其是热塑性粉末涂料。粉末涂料在涂料行业自成一派,缺少与涂料界的整体互动,并不利于粉末涂料技术的进步。
(8)粉末涂料民企众多,急功近利,长期低价的恶性竞争不利于粉末涂料的长远发展。
5 结 语
在环保意识普遍提升的今天,“环保、节能、健康”是涂料发展的必然方向,粉末涂料是零VOC、100%固含量且符合“4E”要求的绿色涂料品种,应用于社会生活的各个领域,其巨大的市场潜力吸引了众多国内外涂料企业相继进入该领域,推动着粉末涂料技术的日新月异。在全球化绿色涂装的背景下,粉末涂料迎来更广泛的发展机遇,预计作为绿色涂料主要品种之一的粉末涂料会迎来快速增长期。