摘要：本文通過對比不同碳黑、填料、流平劑、顏料分散劑等對低溫固化黑色粉末涂料涂層表面黑度和物理性能的影響。通過探索、調(diào)整及優(yōu)化配方，進(jìn)一步改善碳黑在低溫固化粉末涂料中的分散性，從而制備得到鉛筆硬度≥2H，耐沖擊、抗彎曲等機械性能滿足GB/T 5237.4-2017鋁型材要求，60%~65%光澤范圍內(nèi)黑度最高的低溫固化黑色粉末涂料，以供同行借鑒。
0 引言
2021年以來全國多地受國家發(fā)改委能耗雙控政策影響，出現(xiàn)拉閘限電，此舉一是因為電力資源緊張，二是響應(yīng)能耗雙控，優(yōu)化能耗指標(biāo)。“雙碳”政策帶來的是對環(huán)保以及節(jié)能減排更高要求，對于粉末涂料行業(yè)也是一個更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。目前，無論是戶內(nèi)還是戶外粉末涂料，其固化溫度一般都是在180 ℃以上，烘烤溫度較高，造成了能源的大量浪費。“十四五”時期經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展主要目標(biāo)中提到在生態(tài)文明建設(shè)方面要實現(xiàn)新進(jìn)步，單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能源消耗和二氧化碳排放分別降低13.5%和18%，中遠(yuǎn)期目標(biāo)是要實現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”[1]。低溫固化技術(shù)的突破讓粉末涂料在更多的領(lǐng)域和場景得以應(yīng)用，主要應(yīng)用在人造板材、塑料、汽車業(yè)、建筑業(yè)、家具制造業(yè)、重型機械制造業(yè)等領(lǐng)域。一般160 ℃及以下固化的粉末涂料稱為低溫固化涂料，其相對于傳統(tǒng)粉末涂料能源消耗得更低，對于用戶，綜合成本有一定優(yōu)勢[2]。
顏料作為涂料配方中十分重要的添加部分，可以起到很好的色彩和裝飾性。碳黑顏料能提供涂膜黑色遮蓋力，并在和其他顏料調(diào)配時降低飽和度，在各種涂料中尤其是高檔的汽車漆中，占有一定市場。碳黑是最重要的黑色顏料，高色素碳黑能提供極高的黑度。對高黑度及偏藍(lán)色相的渴望，永遠(yuǎn)是使用高色素碳黑的涂料人的追求[3]。本文旨在通過優(yōu)化和調(diào)整配方，提高碳黑在擠出過程中的分散性，制備得到鉛筆硬度≥2H，耐沖擊、抗彎曲等機械性能滿足GB/T 5237.4-2017鋁型材要求，60%~65%光澤范圍內(nèi)黑度最高的低溫固化粉末涂料，以供同行借鑒。
1 實驗部分
1.1 原材料
聚酯樹脂：擎天；TGIC：錦峰；消光鋇：貴祥；硫酸鈣、超分散硫酸鋇、改性硫酸鋇、改性消光硫酸鋇：市售；硅灰石：奧特；流平劑A、光亮劑：南海化學(xué)；流平劑B：尚成化工；流平劑C：特洛伊；流平劑D：BYK；顏料分散劑A：鍇鎧；顏料分散劑B：蒂森；顏料分散劑C：維楷化學(xué)；顏料分散劑D：SYNTHOMER；顏料分散劑E：畢克；聚乙烯蠟、消泡劑：湖北萊斯；改性安息香：奉化；抗氧劑：漢庚；附著力促進(jìn)劑：美宸；碳黑A~E：市售。
1.2 主要設(shè)備/儀器
1.3 粉末涂料及涂層制備
按照表2配方進(jìn)行配料。
按配方稱量原材料，混料3 min，通過擠出機熔融混煉，冷卻壓片破碎，利用ACM磨粉機粉碎、分級、篩選，過160目篩后即得粒徑分布均勻的粉體。噴涂、固化完全后測試涂膜各項性能，各過程參數(shù)如表3所示。
1.4 性能測試與表征
測試項目、標(biāo)準(zhǔn)及方法見表4。
注：本試驗所用色差儀為愛色麗Ci62，模式為SPIN，包含鏡面光方式，一般用于研究顏色本身屬性，而不關(guān)注顏色所附著的樣板表面光澤度。另外，L值代表白度，數(shù)值越低，表明黑度越高；反之，數(shù)值越高，表明黑度越低；a、b值分別代表紅綠、黃藍(lán)值。
2 結(jié)果與討論
2.1 碳黑顏料的篩選優(yōu)化
顏料在工業(yè)涂料配方中提供著色和遮蓋，除紫外線固化涂料外，高黑度工業(yè)黑漆均采用碳黑為唯一顏料[4]。碳黑廣泛應(yīng)用于橡膠、油墨、涂料等行業(yè)領(lǐng)域，高色素碳黑能提供極高的黑度和藍(lán)色相，在和其它顏料復(fù)配時可降低涂膜整體的艷度和飽和度[5]。表5為不同碳黑對低溫固化黑色粉末涂料涂膜外觀、黑度及性能的影響。
由表5可知，不同碳黑所制備涂膜光澤分別為63.5、60.3、62.7、65、69，差別均較大。其中，碳黑C、D所制備涂膜光澤合適，流平較好，耐沖擊、抗彎曲性能稍好，但仍未達(dá)到GB/T 5237.4-2017鋁型材要求，且涂膜黑度、硬度均未符合客戶要求，選擇碳黑D繼續(xù)改進(jìn)涂膜的鉛筆硬度、耐沖擊、抗彎曲等機械性能。
2.2 填料的對比及優(yōu)化
填料是粉末涂料配方的重要組成部分，與著色顏料一起分散在粉末涂料中，不僅能提高粉末的機械強度和提供一些功能性保護(hù)，還是節(jié)約成本的重要手段[6]。表6為不同填料對低溫固化黑色粉末涂料外觀及性能的影響。
由表6可知，添加不同填料所制備涂膜光澤分別為73、85.7、84、75、67、64.8，相差較大。其中，添加硅灰石所制備涂膜易消光，光澤合適，流平較好，尤其是鉛筆硬度，可達(dá)到2H，符合客戶要求。硅灰石吸油量比硫酸鋇大，易消光，其鏈狀、纖維狀和針狀形態(tài)可顯著提升涂膜的硬度[7]。但涂膜硬度與耐沖擊、抗彎曲等柔韌性能互為拮抗作用，涂膜硬度過高，不利于沖擊、彎曲等性能，且涂膜黑度仍未達(dá)到客戶要求。因此綜合考慮，選擇硅灰石繼續(xù)改進(jìn)碳黑顏料的分散性和潤濕性，并改善涂膜的耐沖擊、抗彎曲等性能。
2.3 流平劑的選擇與優(yōu)化
丙烯酸酯流平劑在粉末涂料中應(yīng)用廣泛，多為丙烯酸酯類和其他功能單體的無規(guī)共聚物。通常采用傳統(tǒng)的自由基溶液聚合法，以甲苯、二甲苯為溶劑得到[8]。有機硅類流平劑具有極低的表面張力，可遷移到涂膜表面，延長涂膜的流平時間，消除涂膜表面張力梯度以及貝納德漩渦，使表面張力更加均勻化，從而解決涂膜表面的缺陷問題[9]。表面改性的流平劑還可以增加涂層表面明度和亮度，不同流平劑對低溫固化黑色粉末涂料涂膜外觀及性能的影響見表7。
由表7可知，添加不同流平劑所制備涂膜光澤分別為68.4、69、64、65，差別均較大。添加流平劑A、B所制備涂膜光澤較高，尤其是流平劑B，其所制備涂膜流平較差，沖擊、彎曲均開裂，硬度和黑度均較低，類似未固化完全。流平劑D所制備涂膜易消光，光澤合適，但流平較差，抗彎曲性能較差。流平劑C所制備涂膜光澤合適，流平和抗彎曲性能較好，硬度符合客戶要求，但沖擊性能稍差，黑度也未能達(dá)到客戶要求。因此綜合考慮，選擇流平劑C繼續(xù)改善涂膜黑度和沖擊性能。
2.4 顏料分散劑的選擇優(yōu)化和探索
聚合物分散劑由于具有出色的分散性能以及穩(wěn)定性能而受到廣泛的關(guān)注，它可以有效平衡顏料間的聚集力，如靜電吸引力、范德華力、氫鍵力，還具有疏水等作用。優(yōu)良的潤濕分散劑能減少完成分散過程所需要的時間和能量，穩(wěn)定所分散的顏料分散體，改性顏料粒子表面性質(zhì)，調(diào)整顏料粒子的運動性，從而達(dá)到：縮短分散時間、提高光澤、提高著色力和遮蓋力、改善展色性和調(diào)色性、防止浮色發(fā)花、防止絮凝,防止沉降[10]。表8為不同顏料分散劑對低溫固化黑色粉末涂料涂膜外觀、黑度及性能的影響。
由表8可知，顏料分散劑A、B、C、D、E所制備涂層光澤分別為60.4、60、70、71、69，有明顯差別。分別添加顏料分散劑A、B后，涂膜光澤有明顯的下降趨勢，消光作用較強，其中，添加顏料分散劑B后，涂膜黑度值最黑，且光澤、流平、彎曲、硬度等性能均符合預(yù)期目標(biāo)，但沖擊性能仍稍差。本探索試驗中，顏料分散劑C、D分別為丙烯酸樹脂和低羥值聚氨酯樹脂，聚氨酯分子鏈段柔順,簡單易制備,性能穩(wěn)定,可用作為一種優(yōu)良的顏料分散劑,對有機顏料和無機顏料皆具有良好的分散穩(wěn)定性能[11]。試驗數(shù)據(jù)表明，分別添加丙烯酸樹脂和低羥值聚酯樹脂，所制備涂膜光澤均較高，鉛筆硬度可得到明顯的提升，但對涂膜黑度卻無明顯改善，且由于丙烯酸樹脂和羥基聚酯樹脂剛性較強，所制備涂膜脆性較大，故沖擊、彎曲等性能較差。因此綜合考慮，添加顏料分散劑B后所制備的涂膜綜合性能最佳。
2.6 其它助劑的選擇與使用
低溫固化黑色粉末涂料配方中除了添加上述組分外，還需要根據(jù)基材或噴涂膜厚等情況，添加0.3%的改性安息香，可防止烘烤時間過長而帶來的黃變以及避免涂膜產(chǎn)生針眼缺陷。添加0.3%~0.5%的聚乙烯蠟粉可起到一定的消光作用，對涂膜的抗劃傷性能和硬度都會有一定的改善作用。添加0.4%~0.5%%的抗氧劑或耐燃?xì)庵鷦┛蛇M(jìn)一步改善涂膜的耐黃變性能。添加0.4%~0.5%的消泡劑可使涂膜表面變得更為細(xì)膩，也可進(jìn)一步避免厚涂時涂膜出現(xiàn)針眼缺陷。添加0.5%的附著力促進(jìn)劑或增韌劑可進(jìn)一步改善涂膜的沖擊、抗彎曲等性能。小分子助劑一般在涂層熔融固化過程中容易上浮至涂層表面，從而對外觀以及下一涂層的配套性產(chǎn)生一些影響，再加上對整個配方層面的成本考慮，小分子助劑使用越少越好，經(jīng)過測試滿足使用需求即可[12]。
3 結(jié)語
本文通過優(yōu)化和調(diào)整配方，制備的低溫固化黑色粉末涂料在15 min@160 ℃烘烤固化條件下，所制備的涂膜在60%~65%光澤范圍內(nèi)黑度最高，經(jīng)測試，鉛筆硬度≥2H，耐沖擊、抗彎曲等機械性能良好，滿足GB/T 5237.4-2017鋁型材要求。碳黑顏料粒子間存在親和力，分散較為困難，本試驗的難點在于調(diào)整涂膜性能的同時，改善碳黑的分散潤濕性。硅灰石吸油量大，易消光，其鏈狀、纖維狀和針狀結(jié)構(gòu)可提高漆膜硬度。表面改性的有機硅流平劑可增加涂層明亮度，潤濕底材,增強涂膜附著力。添加1%顏料分散劑B后，涂膜黑度值最高，光澤、流平、沖擊、彎曲、硬度等性能均符合預(yù)期目標(biāo)要求。其它助劑，如改性安息香、蠟粉、抗氧劑、消泡劑、附著力增進(jìn)劑等小分子助劑，一般易在涂膜熔融固化過程中上浮至涂膜表面，從而對外觀產(chǎn)生一些影響(如發(fā)白等)，因此用量不宜過多。
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