1 前言
粉末涂料作為新興行業(yè)，在中國(guó)市場(chǎng)取得了較快發(fā)展和令人矚目的技術(shù)進(jìn)步。填料(Filler) 在熱固性粉末涂料配方設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝中是不可或缺的。雖然填料成本相對(duì)較低，但在調(diào)節(jié)粉末涂料光澤、表面硬度、耐熱性、生產(chǎn)成本方面作用較大，對(duì)粉末涂料靜電噴涂的電性能也有較大影響。
我國(guó)粉末涂料生產(chǎn)企業(yè)普遍使用硫酸鋇作為填料，用量很大，碳酸鈣填料次之。根據(jù)非金屬材料的物性，還采用少量的高嶺土、滑石粉、硅灰石、膨潤(rùn)土等作為功能填充。應(yīng)用于粉末涂料的硫酸鋇按生產(chǎn)工藝不同分為3大類：沉淀法、研磨法、復(fù)合法。
沉淀硫酸鋇：由粗重晶石經(jīng)轉(zhuǎn)化爐化學(xué)合成制得，具有純度高、粒徑分布窄等特點(diǎn)，不足之處是吸油量偏高、含有一定量機(jī)械雜質(zhì)和粗粒子。
研磨法硫酸鋇：利用球磨機(jī)或雷蒙磨、氣流磨等研磨設(shè)備，經(jīng)超細(xì)研磨和表面改性的物理加工方法制得，具有能耗低、制造成本低、產(chǎn)量大、吸油量低等特點(diǎn)，不足之處是純度不高、含有機(jī)械雜質(zhì)、粒徑分布較寬、平均粒徑D50最低只能達(dá)到0.8µm左右。
復(fù)合法硫酸鋇：是上述兩種工藝的深加工產(chǎn)品，比如在沉淀硫酸鋇合成過程中用氯化鋇替代部分硫化鋇，得到純度更高的產(chǎn)品；采用濕法研磨＋表面處理工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品粒徑可通過工藝控制加以調(diào)節(jié)，吸油量相對(duì)較低、機(jī)械雜質(zhì)較少、鋇含量更高。
2 亞納米硫酸鋇
安億集團(tuán)納米材料有限公司生產(chǎn)的亞納米硫酸鋇AY-103W是聯(lián)合國(guó)內(nèi)多家研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)共同開發(fā)的亞納米系列產(chǎn)品，綜合了沉淀法、研磨法工藝的優(yōu)點(diǎn)，先進(jìn)的納米技術(shù)賦予硫酸鋇產(chǎn)品高性能和高功能性，大大提高了產(chǎn)品檔次。亞納米硫酸鋇AY-103W的技術(shù)指標(biāo)見表1，粒徑分布見圖1。
表1 亞納米硫酸鋇AY-103W的技術(shù)指標(biāo)
| 外觀 |
白色超細(xì)粉末 |
硫酸鋇含量 |
≥98.5% |
| 白度 |
≥98.5% |
吸油量 |
≤14.0g/100g |
| 平均粒徑D50 |
≤0.4µm |
105℃揮發(fā)物 |
≤0.1% |
| 最大粒徑D97 |
≤1.1µm |
pH值 |
6.5~8.5 |
圖2 AY-103W的粒徑分布
3.1 試驗(yàn)1
3.1.1 試驗(yàn)方法及試驗(yàn)結(jié)果
為了更好地了解AY-103W在粉末涂料中的應(yīng)用特性，我們將其與市場(chǎng)上常用的沉淀硫酸鋇和超細(xì)硫酸鋇進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，顯微鏡下AY-103W、沉淀硫酸鋇、超細(xì)硫酸鋇的聚集形態(tài)見圖2。我們采用對(duì)比配方、平行試驗(yàn)的方法進(jìn)行試驗(yàn)研究，環(huán)氧/聚酯型白高光粉末涂料試驗(yàn)配方見表2，性能測(cè)試包括光澤度、耐溶劑擦拭、流平性(鮮映度) 、白度、水煮試驗(yàn)、鹽霧試驗(yàn)、擠出速度等，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。聚酯/TGIC型高光白色粉末涂料試驗(yàn)配方見表4，試驗(yàn)結(jié)果見表5。
圖2 AY-103W的粒徑分布圖2 不同硫酸鋇的聚集形態(tài)
表2 試驗(yàn)用環(huán)氧/聚酯型白高光粉末涂料配方
| 原料名稱 |
用量，質(zhì)量份 |
備注 |
| 配方A |
配方B |
配方C |
| E-12 |
30.0 |
30.0 |
30.0 |
604型 |
| 9011F |
30.0 |
30.0 |
30.0 |
天松集團(tuán) |
| GLP588 |
0.85 |
0.85 |
0.85 |
南?；瘜W(xué) |
| 安息香 |
0.40 |
0.40 |
0.40 |
南?；瘜W(xué) |
| 701 |
0.75 |
0.75 |
0.75 |
南海化學(xué) |
| ZR940+ |
20.0 |
20.0 |
20.0 |
鎮(zhèn)鈦 |
| AY-103W |
18 |
－ |
－ |
安億集團(tuán) |
| 沉淀鋇 |
－ |
18 |
－ |
湖南 |
| 超細(xì)鋇 |
－ |
－ |
18 |
臺(tái)企 |
| 合計(jì) |
100.0 |
100.0 |
100.0 |
|
表3 環(huán)氧/聚酯型白高光粉末涂料試驗(yàn)結(jié)果
|
| 測(cè)試項(xiàng)目 |
配方A |
配方B |
配方C |
生產(chǎn)條件 |
| 涂層厚度，µm |
55~85 |
60~89 |
60~85 |
1 稱量20kg
2 D60雙螺桿擠出機(jī)(煙臺(tái)東輝)
3 溫度設(shè)定：一區(qū)95℃；二區(qū)105℃
4 螺桿轉(zhuǎn)速：550r/min |
| 60°光澤，% |
97.6 |
94.3 |
89.7 |
| 沖擊試驗(yàn)(50cm) |
通過 |
通過 |
通過 |
| 鮮映度 |
極高 |
高 |
高 |
| 100次丙酮擦拭后光澤恢復(fù)時(shí)間 |
4min |
7min |
＞1h，無法完全恢復(fù) |
|
| 水煮1h后失光， % |
7.2 |
12.3 |
17.5 |
| 水煮2h后失光，% |
11.4 |
18.9 |
24.7 |
注：配方涂料經(jīng)ACM20粉碎機(jī)粉碎至平均粒徑D50=38µm，采用高壓靜電噴槍噴涂，樣板為厚度0.3mm 的CRS板，烘烤溫度190℃/15min。
表4 聚酯/TGIC型高光白色粉末涂料配方
| 原料名稱 |
用量，質(zhì)量份 |
備注 |
| 配方D |
配方E |
配方F |
| P9335TG |
62.0 |
62.0 |
62.0 |
中法化學(xué) |
| TGIC |
4.67 |
4.67 |
4.67 |
牛塘化工 |
| PLP100 |
0.90 |
0.90 |
0.90 |
韓國(guó) |
| 安息香 |
0.45 |
0.45 |
0.45 |
志華化學(xué) |
| 701 |
0.98 |
0.98 |
0.98 |
志華化學(xué) |
| ZR940+ |
15.0 |
15.0 |
15.0 |
鎮(zhèn)鈦 |
| AY103W |
16 |
－ |
－ |
安億集團(tuán) |
| 沉淀鋇 |
－ |
16.0 |
－ |
湖南 |
| 超細(xì)鋇 |
－ |
－ |
16.0 |
臺(tái)企 |
| 合計(jì) |
100.0 |
100.0 |
100.0 |
|
表6 聚酯/TGIC高光白色試驗(yàn)結(jié)果
| 測(cè)試項(xiàng)目 |
配方D |
配方E |
配方F |
| 60º光澤度,% |
94.3% |
91.2% |
87.5% |
| 抗沖擊性能, |
50kg.cm,反沖 |
50kg.cm,反沖 |
50kg.cm,反沖 |
| 附著力(劃格法) |
100/100 |
100/100 |
100/100 |
| 流平性 |
輕微桔皮,表面飽滿 |
輕微桔皮,表面飽滿 |
流平好,松散 |
| 100次丙酮擦拭,光澤恢復(fù)時(shí)間 |
5′ |
6′ |
10′ |
| 2h水煮試驗(yàn)(常壓),失光率,% |
15.8% |
18.7% |
21% |
| 2h水煮試驗(yàn)(常壓),表面現(xiàn)象 |
細(xì)微小針孔,指甲劃痕少 |
細(xì)微小針孔,指甲劃痕少 |
針孔較多,指甲劃痕明顯 |
| 2h水煮試驗(yàn)(常壓),附著力 |
100/100 |
100/100 |
95/100 |
| 2h水煮試驗(yàn)(常壓),抗沖擊 |
>40kg.cm |
30kg.cm |
30kg.cm |
注：配方原材料用原奇通D30單螺桿往復(fù)阻尼擠出機(jī)擠出，設(shè)定溫度為：一區(qū)100℃，二區(qū)110℃，二次擠出，擠出片料用實(shí)驗(yàn)室磨杯研磨，180目過篩，靜電噴涂，樣板為0.35mm厚的CRS板，烘烤條件200℃/13min。
3.1.2 分析與討論
根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果我們可以得出以下結(jié)論：
（1）采用AY-103W的涂料配方無論在環(huán)氧/聚酯體系還是聚酯/TGIC體系中都能取得較常用沉淀硫酸鋇或超細(xì)鋇更高的涂膜光澤，涂層表面更豐滿，具有琉璃質(zhì)感。
（2）采用AY-103W和沉淀鋇配制的兩種粉末涂料涂膜白度相當(dāng)，比超細(xì)鋇涂層白度高很多。
（3）抗沖擊試驗(yàn)結(jié)果表明，三種填料對(duì)涂層的影響一致，區(qū)別不明顯。
（4）100次丙酮擦拭試驗(yàn)結(jié)果表明，采用AY103W的涂層光澤恢復(fù)速度更快。
（5）2h常壓水煮試驗(yàn)結(jié)果表明，配方A和配方D的涂膜附著力和抗沖擊性能優(yōu)于其它配方，同等條件下配方A和配方D的涂膜失光率更低，指甲劃痕將導(dǎo)致涂層輕微破壞。
從表2可以看出，AY-103W填料95%的粒子粒徑小于1µm，比表面積大(5570m2/kg)，因此與樹脂、助劑結(jié)合性好，易被樹脂充分潤(rùn)濕，形成的涂膜具有更好的耐化學(xué)品性。SEM電鏡觀察(圖略)發(fā)現(xiàn)，配方D和配方F的涂層結(jié)果差異較大，配方D涂層的SEM照片中幾乎觀察不到明顯的界面存在，而配方F涂層可發(fā)現(xiàn)許多海島結(jié)構(gòu)。配方E涂層結(jié)構(gòu)則介于配方D和配方F之間
AY-103W填料的表面形狀與聚集形態(tài)密切相關(guān)。在較高倍顯微鏡下AY-103W顆粒呈近似球形狀，顆粒間不粘連，亞麻仁油吸油值比常規(guī)沉淀鋇低，較超細(xì)鋇更低，與有機(jī)相(樹脂﹑固化劑和助劑等)相容性好，顆粒極其細(xì)小(D50約0.5µm)，固化形成的涂膜鐘AY-103W顆粒與其它組分充分融合，涂層均勻，沒有明顯的界面痕跡。相反，在含超細(xì)鋇的配方F中，超細(xì)鋇顆粒表面不規(guī)則，吸油值偏大，含有雜質(zhì)(如碳酸鈣等)，與有機(jī)相相容性差，固化涂膜中的界面痕跡明顯，在外力破壞作用下容易表現(xiàn)為涂膜耐溶劑性差，光澤恢復(fù)慢，有時(shí)不能完全恢復(fù)，水煮后失光嚴(yán)重，易出現(xiàn)氣泡，容易劃傷，抗沖擊性能明顯降低。
AY-103W雖具有更大的比表面積，為克服吸油值偏高問題，可在生產(chǎn)過程中加入特殊分散劑和表面處理劑，從而減小亞納米填料的吸油值。
3.2 試驗(yàn)2
根據(jù)AY-103W填料顆粒不粘連，較滑爽，吸油值低，與樹脂相容性好等特點(diǎn)，若在配方中大量使用AY-103W填料得到的涂料應(yīng)具有下料速度快，擠出速度快和擠出量大，且混煉效果更好等優(yōu)勢(shì)，為此我們進(jìn)行了另一組砂紋粉末配方試驗(yàn)。
3.2.1 試驗(yàn)方法及試驗(yàn)結(jié)果
采用聚酯/TGIC體系的灰綠色砂紋粉末配方以上述單螺桿擠出機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)配方見表6。每個(gè)配方各噴涂制板5塊，除涂膜光澤和抗沖擊性測(cè)試外，著重進(jìn)行了常壓2h水煮試驗(yàn)和耐中性鹽霧試驗(yàn)。水煮試驗(yàn)后觀察樣板表面的光澤﹑顏色和狀態(tài)變化；鹽霧試驗(yàn)時(shí)將受試樣板四周用石蠟密封，在標(biāo)準(zhǔn)鹽霧試驗(yàn)箱中進(jìn)行試驗(yàn)，然后觀察涂膜樣板表面出現(xiàn)暗紅銹點(diǎn)的時(shí)間，試驗(yàn)結(jié)果見表7。
表6 聚酯/TGIC灰綠色砂紋粉末涂料配方
| 材料名稱 |
配方G |
配方H |
配方I |
說明 |
| P9335TG |
58.0 |
58.0 |
58.0 |
杭州中法，酸值37.4mgKOH/g |
| TGIC |
4.17 |
4.17 |
4.17 |
常州牛塘 |
| PLP100 |
0.10 |
0.10 |
0.10 |
通用型流平劑 |
| SA207 |
0.15 |
0.15 |
0.15 |
砂紋劑，捷通達(dá) |
| CL300 |
0.30 |
0.30 |
0.30 |
聚乙烯蠟，軟化點(diǎn)112℃ |
| BP881 |
0.35 |
0.35 |
0.35 |
膨潤(rùn)土，臨安華特 |
| ZR940+ |
10.0 |
10.0 |
10.0 |
金紅石鈦白粉，鎮(zhèn)鈦 |
| 330R |
0.13 |
0.13 |
0.13 |
炭黑，美國(guó)CABOT |
| 4920 |
0.22 |
0.22 |
0.22 |
氧化鐵黃，拜耳樂 |
| GNX |
0.58 |
0.58 |
0.58 |
酞菁綠，科萊恩 |
| AY-103W |
26.0 |
－ |
－ |
安億集團(tuán) |
| 沉淀鋇 |
－ |
26.0 |
－ |
湖南 |
| 超細(xì)鋇 |
－ |
－ |
26.0 |
廣東 |
| 合計(jì) |
100.0 |
100.0 |
100.0 |
|
表7 聚酯/TGIC灰綠色砂紋粉末涂料性能測(cè)試結(jié)果
| 測(cè)試項(xiàng)目 |
配方G |
配方H |
配方I |
試 驗(yàn) 方 式 |
| 60°光澤，% |
5.9 |
4.7 |
4.2 |
擠出溫度：一區(qū)105℃；二區(qū)115℃，180目過篩，0.35mm厚CRS磷化鐵板，200℃烘烤15min |
| 反沖(50cm) |
輕微裂紋 |
輕微裂紋 |
明顯裂紋 |
| 水煮前/后-光澤變化 |
5.9%/4.6%-22% |
4.7%/3.2%-32% |
4.2%/2.0%-52% |
| 水煮后顏色變化 |
ΔE=1.2(輕微發(fā)白) |
ΔE=1.7(輕微發(fā)白，霧影明顯) |
ΔE=3.6(發(fā)白，砂紋紋路有變化) |
| 水煮后涂層表面狀況 |
完好，略有指甲劃痕 |
基本完好，指甲劃痕明顯 |
指甲劃痕深，涂膜易破壞 |
| 鹽霧試驗(yàn)中出現(xiàn)銹點(diǎn)時(shí)間 |
79h |
54h |
26h |
3.2.2 分析與討論
在配方G﹑H和I的擠出過程中，實(shí)驗(yàn)用單螺桿D30擠出機(jī)未能顯示出明顯的電流變化(可能與制粉量少有關(guān))。當(dāng)擠出熔體從擠出機(jī)頭向外流出時(shí)，我們采用進(jìn)口MT4型紅外線感應(yīng)測(cè)溫儀測(cè)定熔體溫度，結(jié)果表明配方G熔體溫度為137℃~142℃，配方H和配方I熔體溫度分別是147℃~152℃和145℃~156℃，說明含AY-103W填料可改善粉末涂料的混煉效果，降低了熔體黏度和對(duì)螺桿螺套的摩擦，增加熔體流動(dòng)性。水煮試驗(yàn)和鹽霧試驗(yàn)的初步結(jié)果也表明，AY103W填料比超細(xì)硫酸鋇﹑常用沉淀鋇更能提高粉末涂料性能。
4 結(jié)論
AY-103W系列亞納米級(jí)硫酸鋇作為全新的填料產(chǎn)品，其粒徑和粒度分布比常規(guī)沉淀鋇和超細(xì)鋇更好。AY-103W填料系列產(chǎn)品經(jīng)特殊的表面改性處理，吸油量明顯降低，與樹脂相容性明顯提高，涂膜的水煮和耐溶劑試驗(yàn)結(jié)果表明，AY-103W與聚酯樹脂和環(huán)氧樹脂之間產(chǎn)生化學(xué)吸附，具有偶聯(lián)劑作用，擠出的熔體溫度較低， AY-103W明顯改善了加工流動(dòng)性，提高擠出生產(chǎn)率，這與AY-103W顯微鏡觀察的顆粒不粘連，無團(tuán)聚結(jié)果是一致的。
AY-103W填料粒徑分布窄，粗粒子(大顆粒)控制精確，吸油量低，表面改性使之部分有機(jī)化，很適合在薄涂粉末中使用，賦予涂膜更好的流平性和飽滿度。
AY-103W亞納米硫酸鋇具有多方面特性，適用于各類粉末涂料尤其是薄涂粉末，粉末涂料生產(chǎn)或研究單位可根據(jù)下游用戶的需要，結(jié)合工藝及設(shè)備條件，開發(fā)出更好的粉末涂料產(chǎn)品，進(jìn)一步提升產(chǎn)品檔次和競(jìng)爭(zhēng)能力。
作者：朱衛(wèi)兵(常州馳勵(lì)粉體材料有限公司) 尚君學(xué)(上海安億納米材料有限公司)
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