铝合金因具有表面平整美观、机械强度好、易加工成型、易回收等特点,被广泛用于建筑、交通、航天航空等领域。按其用途可分为铝单板、铝塑板、铝天花板及铝合金型材。铝合金作为建筑材料主要用于户外铝门窗、建筑外墙装饰材料、玻璃幕墙支撑体系等。近年来,随着表面处理技术的进步及人们对生活美化要求的提升,在全铝家居、全铝阳光房等方面各种仿木、仿石的铝型材得到了快速的发展和应用。
为了提高铝型材的耐腐蚀性及耐老化性,并改善铝合金建材的表面装饰效果,通常需要对其表面加工处理。参考国标GB/T 5237—2008,我国目前建筑铝型材表面处理方式主要有:阳极氧化、电泳喷涂、粉末喷涂、氟碳涂料喷涂等[1]。其中氟碳涂料由于其优异的耐候性和耐盐雾腐蚀性,在各种地标式建筑物、高档住宅和写字楼等方面得到了广泛的应用。但随着政府和社会对环境改善越来越重视,部分地方政府开始征收VOC排污费,甚至有些地方开始不允许使用含有高VOC的涂料,氟碳粉末涂料与氟碳涂料相比,其生产、涂装过程可以避免VOC的排放,因此需要开发适用于建筑铝型材行业的氟碳粉末涂料以逐步取代溶剂型氟碳涂料。
目前建筑铝型材用氟碳粉末涂料主要有2大类,一类是以PVDF(聚偏氟乙烯)树脂为基料的热塑性氟碳粉末涂料;另一种是以FEVE(氟烯烃-乙烯基醚共聚物)树脂及其固化剂为基料的热固性氟碳粉末涂料。PVDF氟碳粉末涂料目前主要有3个方面的缺点:一是目前行业内还没有寻找到一种工艺简单、环保、成本低、易工业化的生产方法;二是涂装工艺严格,涂层需在230 ℃以上高温成膜,涂层使用温度低于150 ℃;三是涂层光泽低,难以制造出较高光泽的涂膜。因此,PVDF氟碳粉末涂料在铝型材行业推广应用受到一定程度限制。而热固性FEVE氟碳粉末涂料不但具有与PVDF相似的耐化学品性、耐候性,而且其生产制备及涂装工艺成熟,与普通的粉末涂料相似,涂膜光泽也可以按需要设计,由于其对颜料的润湿性好,颜色选择也相对容易,易于在建筑铝型材领域推广应用。因此,本文开发了一种适用性好、性价比高的建筑铝型材用FEVE型氟碳粉末涂料,并研究了其涂膜性能。
1 实验部分
1.1 主要原材料
氟树脂A:国产;氟树脂B:进口;超耐候羟基树脂C:昕特玛;丙烯酸树脂D:广州产协树脂(市售);超耐候羧基树脂E:DSM;异氰脲酸三缩水甘油酯(TGIC):工业级,牛塘化工;流平剂、脱气剂:南海奉化;光亮剂:华惠;封闭型异氰酸酯B-1530、自封闭型异氰酸酯BF-1540:德固赛;其他助剂:市售;十二碳二元酸DDDA:进口;钛白粉:杜邦化学;Black430、Yellow 10c272:美国薛特颜料;硫酸钡:贵祥矿业;PVDF氟碳涂料:阿克苏诺贝尔涂料。
1.2 实验主要设备
GSJ-30E挤出机、ACM-05F磨粉机:烟台市三立机械设备有限公司;CQ-SJ5静电喷涂设备:深圳市成企鑫科技有限公司。
1.3 FEVE氟碳粉末涂料的制备
FEVE氟碳粉末涂料基本配方如表1所示。
表1 FEVE氟碳粉末涂料基本配方Table 1 Basic formula of FEVE fluorocarbon powder coatings |
 |
注:羟值约40 mgKOH/g;—NCO含量约15%。 |
照表1设计的配方,将各原材料均匀混合,然后通过挤出机熔融挤出并冷却破碎成片料,再将片料经过ACM磨粉机粉碎,制得粉末涂料。
1.4 涂层的制备
使用标准铝板,表面进行无铬钝化处理;静电喷涂条件为静电电压60~80 kV、送粉量1 kg/cm2;将喷涂后的样板置于200 ℃烘箱中烘烤20 min后,取出冷却至室温,一次性喷涂的涂层厚度控制在50~70 μm。
1.5 性能测试及所用仪器
性能测试标准及所用仪器见表2。
表2 主要检测项目及仪器Table 2 Test items and instruments |
 |
2 结果与讨论
2.1 纯FEVE氟碳粉末涂料体系
2.1.1 FEVE氟树脂种类对涂膜性能的影响
表3 不同氟树脂涂料及涂膜性能Table 3 Comparison of different fluororesin and film thereof |
 |
注:(1)—单边锈蚀长度,下同。 |
分析表3可知,2种氟树脂涂膜的机械性能都较好,都能满足欧洲建筑铝型材标准Qualicoat Ⅲ类粉末涂料中机械性能要求。2种氟树脂的耐化学腐蚀性能相差不大,但两者的耐候性能有差异,保光率下降到90%时,氟树脂B比A的测试时间要长1 000 h。通过DSC测试,2种树脂制得的粉末涂料玻璃化转变温度相差约6 ℃,粉末涂料玻璃化温度越低,粉末涂料就越容易结团,影响使用,因而氟碳A树脂制备粉末涂料贮存稳定性相对较差。所以综合考虑,选择氟碳树脂B作为FEVE氟碳粉末用树脂。
2.1.2 固化剂种类对涂膜性能的影响
表4 不同固化剂对涂膜性能的影响Table 4 Effect of curing agents on coating performance |
 |
由表4可知,使用固化剂B-1530的涂膜表面流平略差、光泽略低,但耐候性、耐冲击性以及耐盐雾性两者相比无明显差别,说明不同固化剂对涂膜最终的性能也有影响,BF-1540固化剂更适合用于固化氟树脂B。
2.1.3 颜填料用量对涂膜性能的影响
表5 不同颜填料用量对应的涂料配方Table 5 Formulas of coatings with different pigments and fillers |
 |
表6 颜填料用量对涂膜性能的影响Table 6 Effect of the amount of pigments and fillers on coating performance |
 |
由表6可知,当颜填料用量逐渐增加时,涂膜光泽逐渐降低,表面平整性变差,耐冲击性、附着力无明显差异。主要是因为氟树脂对颜填料的润湿性差,增加颜填料用量后,体系各组分的分散效果变差,导致涂层烘烤时熔融流平变差,涂膜的表面不平整,光泽降低。因此,在设计纯FEVE氟碳粉末配方时,颜填料用量最好不超过24%,否则对涂膜外观和光泽影响较大。
综上所述,实验制备的纯FEVE粉末涂料耐候性好,完全可以满足欧洲建筑铝型材标准Qualicoat Ⅲ类粉末涂料各项要求,耐候性远远好于现在建筑铝型材用的超耐候聚酯粉末。但是在实际应用推广的过程中,由于纯FEVE氟碳粉的原材料成本非常高,售价基本都在300~400元/kg,极大地限制了氟碳粉末的大规模应用。所以为了控制FEVF粉末涂料的成本,本研究用其他类型耐候性好的树脂来改性FEVE,以期得到高性价比的氟碳粉末涂料。
2.2 改性FEVE氟碳粉末涂料体系
2.2.1 不同耐候型建筑铝型材用涂料老化性能对比
目前粉末涂料常用的树脂类型有:环氧树脂、聚酯树脂、丙烯酸树脂、氟树脂。其中环氧树脂耐候性最差,不进行对比。而国内市场上耐候性好的粉末涂料主要有超耐候聚酯粉末涂料、超耐候聚氨酯粉末涂料、丙烯酸粉末涂料3种类型。因此实验分别选取超耐候羧基树脂E、超耐候羟基树脂C、丙烯酸树脂D与相对应的固化剂TGIC、B1530、DDDA,再添加粉末涂料通用助剂(流平剂、脱气剂、光亮剂)以及颜填料混合均匀,通过挤出、破碎、磨粉制备出上述3种类型的粉末涂料。分别对比了纯FEVE氟碳粉末涂料、PVDF氟碳漆、超耐候聚酯粉末涂料、超耐候聚氨酯粉末涂料和丙烯酸粉末涂料的QUV-B加速老化性能,本次测试主要对比保光率结果,结果如图1所示。
由图1可知,老化后,超耐候聚酯粉末涂料、超耐候聚氨酯粉末涂料、丙烯酸粉末涂料分别在600 h、900 h、1 500 h后,保光率下降到50%。而FEVE氟碳粉末涂料、PVDF氟碳漆经过4 000 h老化测试后,保光率依然在90%以上。
根据上述不同类型的粉末涂料耐候性测试数据知:除氟碳树脂外,耐候性较好的是丙烯酸树脂和超耐候聚氨酯树脂。选用聚氨酯复合氟碳树脂的优点有:(1)封闭型多异氰酸酯固化剂的解封闭温度高,其固化温度与氟碳相同,交联固化前有足够的时间流平,故涂膜流平性好,因而能够提高氟碳粉末的表面流平性;(2)可根据需求选用不同固化比的聚氨酯与氟碳复合,得到不同涂膜外观、光泽和性能的粉末涂料。选用丙烯酸树脂复合氟碳树脂的优点有:(1)丙烯酸的附着力好,与FEVE复合可直接改善涂膜对底材的附着力;(2)耐热性和耐候性优于聚氨酯和聚酯,与FEVE复合对耐候性影响更小。但丙烯酸树脂刚性强,直接复合将导致涂膜耐冲击性较差,但可通过其他方法解决,得到的粉末涂料性能优异。本研究选择超耐候聚氨酯和丙烯酸树脂制备改性FEVE氟碳粉末涂料。
2.2.2 聚氨酯和丙烯酸改性FEVE氟碳粉末涂料性能对比
表7 聚氨酯/丙烯酸改性FEVE氟碳粉末涂料基础配方Table 7 Basic formulas of fluorocarbon powder coatings modified by polyurethane/acrylic acid |
 |
表8 聚氨酯/丙烯酸改性FEVE氟碳粉末涂料涂膜性能Table 8 Coating performance of fluorocarbon powder coatings modified by polyurethane/acrylic acid |
 |
从表8可知,聚氨酯改性FEVE或者丙烯酸改性FEVE氟碳粉末的机械性能、外观、性价比都优于纯FEVE;丙烯酸改性FEVE氟碳粉末的耐候性明显优于聚氨酯改性FEVE氟碳粉末,略差于纯FEVE氟碳粉末涂料,远远好于超耐候聚酯粉末。
3 结 语
综上所述,通过实验对比筛选出氟树脂B和自封闭异氰酸酯BF-1540适合制备FEVE氟碳粉末,同时通过实验论证了颜填料含量对涂层的外观性能影响较大,得出了颜填料含量在24%左右时能获得性能优异的纯FEVE氟碳粉末。同时又通过引入丙烯酸树脂与氟树脂按照质量比1:1复配得到了改性FEVE氟碳粉末涂料,其机械性能明显优于纯FEVE氟碳粉末,老化性能接近于纯FEVE氟碳粉末,原材料成本明显低于纯FEVE氟碳粉末涂料。因而该改性FEVE氟碳粉末能很好满足目前建筑铝型领域对氟碳粉末的要求,能够大大加快氟碳粉末在建筑铝型材领域的应用。