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無機顏料對聚酯/環(huán)氧粉末涂層理化性能的影響研究

分類:技術(shù)文檔     來源:    發(fā)布時間:2022-03-31

王玲瓏,肖紅軍

( 立邦涂料(天津)有限公司,天津 301712 )

0 前 言

無機顏料是涂料工業(yè)中應(yīng)用量最大、應(yīng)用面最廣的顏料,主要用于遮蓋、著色、保護、防腐蝕等。而針對粉末涂料行業(yè),在選擇顏料時針對性越來越強,標(biāo)準(zhǔn)越來越高。目前,粉末涂料中使用的黑色顏料主要是炭黑、鐵黑。但鐵黑耐溫性差,固化溫度高于 150 ℃ 時不推薦使用。雖然其具有良好的抗紫外線性能,但烘烤過程中容易變色,且遮蓋力較炭黑差,所以在粉末涂料中很少使用。紅色無機顏料主要使用鐵紅、鉬鉻紅兩種類型的顏料。氧化鐵顏料價格低廉、無毒、易分散,在粉末涂料中應(yīng)用很普遍,其中紅色和褐色氧化鐵顏料有良好的熱穩(wěn)定性、耐堿和耐稀酸、耐光和耐候性也很好,更受到粉末涂料調(diào)色師的青睞。黃色無機顏料主要是鐵黃、鉻黃兩種類型的顏料。白色無機顏料主要有氧化鋅、立德粉、鈦白粉 ( 金紅石型鈦白粉和銳鈦型鈦白粉 ) 等,但現(xiàn)代金紅石型鈦白粉顏料在白度、遮蓋力、消色力、光澤促進性、分散性、保旋光性、保色性、抗粉化性諸方面,都達到了極高的程度,粉末涂料中應(yīng)用最多的白色顏料是金紅石型鈦白 粉。表 1 是幾種白色顏料主要性能對比。

表 1 幾種白色顏料主要性能對比





聚酯 / 環(huán)氧粉末涂料是熱固性粉末涂料各種體系中產(chǎn)量最大、花色品種最多、應(yīng)用領(lǐng)域最廣的品種,本文選擇聚酯 / 環(huán)氧粉末體系為試驗對象。為深入了解無機顏料對粉末涂料活性與涂膜性能的影響,分別選用了 4 種不同廠家的鈦白粉、兩種不同廠家的炭黑以及不同廠家鐵紅、鐵黃、鉻黃以及鉬鉻紅等進行了深入的試驗。試驗配方除顏料有所不同外,其他原料(聚酯、環(huán)氧、助劑、填料)都使用同一廠家同一型號且根據(jù)具體情況用量一致。

1 試驗部分

1.1 主要原材料

鈦白粉 : 杜邦、四川龍蟒、山東東佳集團等各種品種;

炭黑 : Degussa 、拜耳等;

鐵紅、鐵黃 : 拜耳等;

鉻黃、鉬鉻紅 : 朗盛上海顏料有限公司、拜耳、 BASF 等。

1.2 儀器設(shè)備

熔融擠出設(shè)備 : φ 30 雙螺桿擠出機 ; 冷卻壓片設(shè)備 : 冷卻雙輥 ; 粉碎機 : 高速超微粉碎機( FW80 型) ; 分級過篩 : 82 μ m ( 180 目)標(biāo)注篩 ; 粉末噴涂設(shè)備 : 50 ~ 90 kV 高壓靜電粉末噴涂設(shè)備 ; 漆膜沖擊試驗器 ; 漆膜光澤計 ; 漆膜柔韌性測定器。

2 試驗方法

按聚酯環(huán)氧粉末涂料的經(jīng)典配方 : m ( 聚酯 ) : m ( 環(huán)氧 )=3 : 2( 填料用沉淀硫酸鋇 ) 。在配方中添加流平劑。

粉末涂料在 180 ℃ 下測定膠化時間。另外,用高壓靜電粉末噴涂設(shè)備,在 70 kV 電壓下進行噴涂,噴涂樣板在 180 ℃ 下固化 15 min ,成膜,檢查涂膜外觀,并測定涂膜光澤、耐沖擊強度和柔韌性等性能。粉末涂料是按原材料預(yù)混合、熔融擠出混合、冷卻壓片、粗粉碎、細粉碎、過篩等工藝得到產(chǎn)品。其中熔融擠出混合用雙螺桿擠出機,細粉碎用高速超微粉碎機,過篩用 82 μ m ( 180 目)標(biāo)注篩。

3 結(jié)果與討論

3.1 白色顏料 ( 鈦白粉 ) 對涂膜性能影響


3.1 白色顏料 ( 鈦白粉 ) 對涂膜性能影響

鈦白粉在粉末涂料中是最重要的著色顏料,大部分產(chǎn)品里都要使用鈦白粉進行調(diào)色。為了深入了解鈦白粉對粉末涂料的影響,選用不同廠家的鈦白粉,分別與相同廠家生產(chǎn)的環(huán)氧樹脂(環(huán)氧樹脂軟化點和環(huán)氧值范圍接近)與同一廠家聚酯樹脂配制粉末涂料,比較粉末涂料反應(yīng)活性(以膠化時間表示)和涂膜外觀及物理機械性能,見表 2 。

表 2 不同鈦白粉對聚酯環(huán)氧粉末涂料的性能影響

表 2 的試驗結(jié)果表明,不同廠家生產(chǎn)的鈦白粉配制的粉末涂料,涂膜光澤、機械強度等技術(shù)指標(biāo)基本一致,而耐化學(xué)試驗結(jié)果差異較大,如耐堿試驗(耐 5%NaOH 溶液 72 h )后光澤以及色差有不同程度的變化 ; 水煮 2 h 試驗后變化雖然沒有氣泡脫落現(xiàn)象,但是其水煮 2 h 后涂膜的光澤較水煮試驗前變化較大,色差變化有差異 ; 歸其原因由于鈦白粉其吸油量、生產(chǎn)工藝以及表面處理的不同使得涂膜外觀、耐化學(xué)性能、粉末涂料膠化時間有所不同。從涂膜流平以及膠化時間對比來看,膠化時間越長流平越好。不同的膠化時間代表了不同的反應(yīng)活性,反應(yīng)越快,流平的時間越短,流平相對來說較差些。實際生產(chǎn)中,如對流平要求較高應(yīng)該選擇膠化時間長的鈦白粉,見表 3 。

圖 1 不同膜厚下不同鈦白粉色差變化趨勢

表 3 不同膜厚時不同鈦白粉對遮蓋的影響

由表 3 和圖 1 可看出, 4 種鈦白粉的變化趨勢一致,都是隨著膜厚的減少色差越來越大,但是色差增加的幅度不同,說明不同的鈦白粉其遮蓋力是有差別的。從變化趨勢上看,可認為遮蓋力 B<D<A<C 。由此可知,實際生產(chǎn)中應(yīng)該考慮鈦白粉的遮蓋情況,酌情選擇鈦白粉以節(jié)省成本,特別是薄涂產(chǎn)品更應(yīng)該考慮使用遮蓋力好的鈦白粉以便達到薄涂遮蓋的目的。

圖 2 不同膜厚下,炭黑的色差變化

3.2 黑色顏料對涂膜性能影響

黑色無機顏料主要是氧化鐵黑與炭黑兩種,氧化鐵黑簡稱鐵黑,是氧化鐵和氧化亞鐵的加成物 , 氧化鐵含量 74% ~ 82% ,黑色粉末,遮蓋力高,著色力不及炭黑。粉末涂料中用量最多的是炭黑。通過熱氧化分解液態(tài)或氣態(tài)的碳氫化合物而制成的炭黑是當(dāng)今涂料行業(yè)中最主要的黑色顏料。不同炭黑對粉末涂料性能的影響見表 4 。

表 4 不同炭黑對粉末涂料性能的影響

表 4 的試驗結(jié)果表明,不同廠家生產(chǎn)的炭黑配制的粉末涂料涂膜光澤、機械強度等技術(shù)指標(biāo)基本一致,但耐化學(xué)試驗結(jié)果差異較大,如耐堿試驗(耐 5%NaOH 溶液 72 h )后色差有不同程度的變化 ; 水煮 2h 試驗后光澤較水煮試驗前變化較大,色差變化差異很大 ; 說明兩種炭黑耐水性能差別較大,炭黑 A 耐水性能 > 炭黑 B 。在粉末涂料實際配方設(shè)計時應(yīng)考慮到炭黑的耐水性能,特別是客戶要求在潮濕條件下使用時應(yīng)該慎重選擇炭黑顏料。兩種炭黑膠化時間相差較大,從涂膜流平看炭黑 A 的流平次于炭黑 B 的流平,見表 5 。

表 5 不同膜厚條件下,炭黑顏料對粉末涂料色差的影響

不同膜厚下,不同炭黑的遮蓋力有所不同,炭黑 A 遮蓋力 > 炭黑 B 遮蓋力,從噴涂 40 ~ 50 μ m 的涂膜看,當(dāng)炭黑使用量 0.8% (整個配方量)時噴涂 40 ~ 50 μ m 時炭黑 A 與炭黑 B 都可以完全遮蓋底材,說明炭黑的遮蓋力非常好,但是兩者流平都差,這與炭黑的吸油量大有關(guān)系。

3.3 各種有色顏料對涂膜性能影響

在無機彩色顏料中用得最多的是氧化鐵系、鉻系、群青等系列。其中氧化鐵系顏料主要品種有鐵紅、鐵黃、鐵黑、鐵棕、透明氧化鐵等。氧化鐵紅 (Fe 2 O 3 ) 遮蓋力和著色力都很好,有優(yōu)良的耐光、耐高溫、耐大氣腐蝕、耐堿性 ; 氧化鐵黃 (Fe 2 O 3 · xH 2 O) 是晶型的氧化鐵水合物 ( 通常為一水合物 ) ,由于晶型及物理狀態(tài)不同,色澤可從檸檬黃到橙黃。著色力強,與鉛鉻黃幾乎相等,耐光性、耐大氣、耐堿性均好,但是加熱脫水變色成鐵紅,其耐溫性較差,不適合高溫烘烤的條件下施工。鉻系顏料主要包括鉻黃、鉬鉻紅、鉻綠等 3 類。該類顏料色澤鮮艷,耐酸堿性能好,著色力強,易分散,在國內(nèi)粉末界使用非常普遍。但鉻系顏料耐熱性和耐候性較氧化鐵系顏料差一些。普通的鉻系顏料不耐光,耐溫性也是一般,一般不用于戶外產(chǎn)品。但將鉻黃和鉬鉻紅用有機物包膜后,耐光和耐熱明顯提高,可基本滿足戶外產(chǎn)品的耐候性需要。群青耐堿、耐光、耐候性好,是含有多硫化鈉的具有特殊結(jié)構(gòu)的硅酸鋁。群青耐光、耐熱性良好,無遷移性,無毒,易分散。但耐酸堿性差,遇酸會分解,該顏料明度高??煞瓷浼t外光吸收紫外光,不適宜用在有光聚合作用的場合。戶外產(chǎn)品一般不采用,見表 6 。

表 6 不同無機彩色顏料對粉末涂料性能的影響 g

由表 6 可知,當(dāng)各種顏料在同一配方中使用,且使用量一致時,鐵黃、鐵紅、鉻黃(淺鉻黃、中鉻黃、鉻黃)、群青對粉末涂料的機械性能沒有大的影響,其沖擊性能都可以達到 50 kg · cm 的標(biāo)準(zhǔn),光澤度只有微小的差異,各種顏料對涂膜的硬度基本沒有影響,干附著力以及水煮 2 h 后的濕附著力都可以達到 0 級。但涂膜膠化時間差異很大,這與各種顏料本身的結(jié)構(gòu)以及吸油量有關(guān),這導(dǎo)致了涂膜流平的不同。這幾種顏料耐酸、耐堿以及水煮性能差別較大。相對來說,鐵紅與鐵黃耐堿性較其他幾種顏料好些,鉻系與群青顏料耐硝酸能較差, 70%HNO 3 腐蝕 30 min 后有失光現(xiàn)象。

圖 3 不同膜厚下,無機有色顏料的色差變化

表 7 不同無機彩色顏料噴涂不同厚度時色差變化

從圖 3 、表 7 看,鐵紅、鐵黃以及鉬鉻紅的遮蓋較好,在此配方結(jié)構(gòu)下,當(dāng)噴涂到 30 ~ 40 μ m 時仍然有較強的遮蓋沒有漏青現(xiàn)象,而淺鉻黃、中鉻黃以及鉻 黃當(dāng)噴涂 30 ~ 40 μ m 時有不同程度的漏青現(xiàn)象,嚴(yán)重程度是淺鉻黃 > 中鉻黃 > 及鉻黃。淺鉻黃當(dāng)噴涂到 60 ~ 70 μ m 時可以正常遮蓋,中鉻黃當(dāng)噴涂到 50 ~ 60 μ m 時可滿足遮蓋要求,鉻黃噴涂到 40 ~ 50 μ m 時可正常遮蓋。在此配方條件下即使噴涂到 60 ~ 70 μ m 時群青仍然嚴(yán)重透底,說明群青的遮蓋力非常差,在生產(chǎn)調(diào)色過程中如做藍色產(chǎn)品需加入大量的群青才能滿足其遮蓋要求。

4 結(jié) 語

從上述的試驗研究結(jié)果,可以得出如下結(jié)論: (1) 在聚酯 / 環(huán)氧粉末體系中,不同廠家的鈦白粉對涂膜物理機械性能影響不大,但是對耐堿以及耐水煮性能有一定的影響 ; 且膠化時間的不同造成了不同廠家鈦白粉其流平有所差異。不同廠家的鈦白粉的遮蓋力有差別,實際生產(chǎn)中應(yīng)該考慮鈦白粉的遮蓋情況,酌情選擇鈦白粉以節(jié)省成本,特別是薄涂產(chǎn)品更應(yīng)該考慮使用遮蓋力好的鈦白粉以便達到完全遮蓋的目的。 (2) 在聚酯環(huán)氧粉末體系中,不同廠家的炭黑對涂膜物理機械性能影響不大,但是對耐堿以及耐水煮性能影響較大,特別是耐水煮性能其差別很大。在粉末涂料實際配方設(shè)計時應(yīng)考慮到炭黑的耐水性能,特別是客戶要求在潮濕條件下使用時應(yīng)該慎重選擇炭黑顏料。炭黑的遮蓋力很好,當(dāng)炭黑使用量 0.8%( 整個配方量 ) 時噴涂 40 ~ 50 μ m 仍然可以遮蓋較好。 (3) 當(dāng)各種顏料在同一配方中使用,且使用量一致時,鐵黃、鐵紅、鉻黃 ( 淺鉻黃、中鉻黃、鉻黃 ) 、群青對粉末涂料的機械性能沒有大的影響,但是這幾種顏料耐堿、耐酸性能有所不同,針對有些客戶使用粉末涂料時條件較惡劣 ( 如需在海邊使用或靠近化學(xué)工業(yè)區(qū)等 ) 實際使用時應(yīng)該充分考慮到顏料的化學(xué)性能穩(wěn)定性。這幾種顏料的遮蓋力差別很大,鐵紅、鐵黃遮蓋力很好,鉬鉻紅的遮蓋其次,而群青的遮蓋力較差,在生產(chǎn)調(diào)色過程中如做藍色產(chǎn)品需加入大量的群青或者配合高遮蓋力的顏料才能使得板面不至于出現(xiàn)透底現(xiàn)象。在粉末涂料配方設(shè)計時,應(yīng)考慮到顏料的用量,顏料用量多會使涂膜有良好的遮蓋力,但是同時也增加了配方的成本,且顏料用量過多會影響涂膜的性能及使用壽命,因此粉末涂料配方中均有一個最大顏料加入量,調(diào)色時不可超過最大加入量。調(diào)色時既要根據(jù)各種顏料的色相調(diào)出所需顏色,又要考慮到各種顏料的性能,否則一旦當(dāng)客戶方使用粉末涂料時就會出現(xiàn)褪色、掉色等現(xiàn)象。



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