|
|
|
| 首頁 > 行業(yè)新聞 |
|
| 行業(yè)資訊丨超細粉末涂料在汽車涂裝領(lǐng)域的應(yīng)用研究 |
發(fā)布時間：2022-1-14
|
摘要：介紹了超細粉末涂料及其在汽車涂裝領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。針對其在汽車涂裝生產(chǎn)線上的流動性問題，介紹了一種新型的流化助劑技術(shù)；通過改性后車用粉末涂料與商業(yè)粉末涂料多方面性能的對比，驗證了該技術(shù)在汽車涂裝領(lǐng)域應(yīng)用的可行性。同時綜述了低溫固化超細粉末涂料技術(shù)及其在汽車塑料件涂裝上的應(yīng)用。
隨著粉末涂料技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，其在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用也在不斷拓展。近年來，粉末涂料已廣泛用于發(fā)動機罩和車身零部件的涂裝。但由于其涂層較厚、外觀平整度較差，粉末涂料還沒有被大量應(yīng)用于對外觀要求較高的汽車外部涂裝。為節(jié)約成本及提高涂膜質(zhì)量，粉末涂料制造廠商不斷減小粉末涂料粒徑，以改善粉末涂膜的平整度。但粒徑減小的同時也導(dǎo)致粉末涂料流動性變差，嚴重影響使用。因此需要一種新技術(shù)來改善超細粉末的流動特性，例如采用納米尺寸的添加劑作為間隔物(流化助劑)，以實現(xiàn)超細粉末涂料在現(xiàn)有噴涂設(shè)備上的使用。另外，越來越多的熱敏塑料或復(fù)合材料部件應(yīng)用于汽車行業(yè)中，低溫固化粉末涂料，特別是低溫固化超細粉末涂料的開發(fā)也受到更廣泛的關(guān)注。據(jù)此，本文首先綜述了超細粉末涂料在汽車涂裝領(lǐng)域的發(fā)展和挑戰(zhàn)，同時通過考察添加流化助劑后超細粉末涂料的流動性能及涂膜性能。探究了新型的流化助劑技術(shù)在車用超細粉末涂料領(lǐng)域的可行性，最后介紹了低溫固化超細粉末涂料及其在汽車塑料件上的應(yīng)用。
1 超細粉末涂料在汽車涂裝領(lǐng)域的應(yīng)用
超細粉末涂料通常指中粒徑D50小于25μm的粉末涂料。與普通粉末涂料(中粒徑D50大于30μm)及細粉末涂料(中粒徑D50介于25～30μm)相比，超細粉末涂料具有獨特的優(yōu)異性能。隨著顆粒粒徑的減小，涂膜厚度也隨之減小，從而使涂膜具有更好的流平性和良好的裝飾效果。此外，由于用料的減少，經(jīng)濟成本也隨之下降。根據(jù)Geldart粉末分類，普通粉末涂料屬于A類顆粒，容易流化；但是當(dāng)粒徑減小到超細粉末涂料(C類顆粒)時，顆粒之間的作用力(范德華力)增大，粉末顆粒易發(fā)生團聚，無法正常流化，從而引起氣流輸送以及噴涂困難等一系列問題。
為了提高超細粉末涂料的流動性，須在涂料中加入適量的流化助劑(客體顆粒)，這些納米級的顆粒以小聚團的形式粘附于超細粉顆粒(主體顆粒)表面，增大顆粒之間的距離［4－7］。由于這些加入的客體顆粒與超細粉顆粒相比，堆積密度或表觀顆粒密度更低、尺寸更小，粘附的客體顆粒與主體顆粒之間的顆粒間作用力顯著小于主體顆粒之間的顆粒間作用力，從而降低了超細粉末顆粒間的范德華力。為促使主體顆粒發(fā)生解聚，流化助劑顆粒通常需要均勻地分散在超細粉中，且均勻地附著在超細粉末顆粒表面，但不需要以單顆粒的形式附著，小聚團的形式對減小主體顆粒間作用力更有幫助。
添加劑可以顯著提高超細粉末涂料的流動性，但同時也會引起其他問題，比如造成涂膜表面光澤降低和產(chǎn)生如縮孔和“粒子”等涂膜缺陷。另外，納米尺寸的添加劑本身容易發(fā)生內(nèi)聚現(xiàn)象，并且傾向于形成堅固且較大的團聚體，無法通過普通的干混過程(即使是使用高剪切混合器)分散，以至于最終涂層中出現(xiàn)“粒子”等難以避免的缺陷。要克服這些問題，需要采用新的技術(shù)包括專門設(shè)計的添加劑配方和特殊的混合工藝來提高添加劑的分散性以及與粉末涂料的相容性，確保在降低顆粒之間作用力、改善流動性的同時，還能保持優(yōu)良的涂膜性質(zhì)。加拿大西安大略大學(xué)顆粒技術(shù)研究中心成功研制出一種高效超細(HEUF)粉末涂料技術(shù)；該技術(shù)根據(jù)涂料的各種樹脂體系采用相應(yīng)的流化助劑配方以及優(yōu)化的加入和分散方法，保證了超細粉末涂料優(yōu)異的流動性、可噴涂性和涂膜質(zhì)量，其最低涂膜膜厚僅為20～30μm(如表1)。圖1為平均粒徑16.4μm超細粉末涂料和38.8μm的普通粉末涂料噴涂所得的涂層表面輪廓(采用Dektak接觸式表面輪廓儀測得)，橫坐標為測樣長度，縱坐標表示在垂直于涂層方向上被測輪廓上各點到基準線的距離�？v坐標數(shù)值波動越大，說明涂層表面越粗糙。從表1和圖1中可以看出，與普通粉末涂料相比，高效超細HEUF粉末涂料明顯降低了涂膜的表面粗糙度，改善了涂膜的視覺效果。涂膜厚度的降低使成本大幅度下降，而且涂膜同時具有與普通粉末涂料相同的耐久性、可回收性和上粉率。1.2 超細粉末涂料在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用概況
隨著亞太地區(qū)高端汽車需求的快速增長，以及中國環(huán)保部、歐洲REACH(化學(xué)品的注冊、評估、授權(quán)和限制法規(guī))、美國EPA(環(huán)境保護署)等監(jiān)管機構(gòu)越來越嚴苛的環(huán)保要求的提升，汽車涂裝市場越來越多地從溶劑型涂料轉(zhuǎn)向低VOC涂料。粉末涂料作為一種零VOC排放的環(huán)保產(chǎn)品，已廣泛應(yīng)用于車輪、車罩、裝飾性飾件、保險杠、輪轂罩、門把手、卡車底座、散熱器、過濾器和大量發(fā)動機的零部件。
但粉末涂料自身也存在著一些問題。普通粉末涂料通常具有較高膜厚、較低的平整度和相對較差的視覺外觀，這些缺點限制了其在汽車外殼涂裝上的應(yīng)用。為了得到更好的涂裝效果，粉末涂料制造廠商已經(jīng)開始通過降低粉末涂料粒徑來降低膜厚，提高涂膜平整性。近年來，細粉末涂料已經(jīng)開始應(yīng)用于車身涂裝。通用汽車和克萊斯勒已經(jīng)在美國和其他幾個國家實現(xiàn)了中涂漆的大規(guī)模生產(chǎn)。德國寶馬公司已成功應(yīng)用細粉清漆(面漆)。雖然細粉涂料在汽車涂裝領(lǐng)域已經(jīng)取得了很大的進步，但到目前為止，粒徑25μm以下的超細粉末涂料還未能應(yīng)用到汽車涂裝領(lǐng)域。粉末涂料在這一高端市場應(yīng)用方面還未取得大的技術(shù)突破，使得其在汽車車身涂裝上的應(yīng)用仍然有限，95%以上的車身涂料仍為液體涂料。超細粉末涂料的流動性問題是限制其在汽車涂裝領(lǐng)域應(yīng)用的一個重要因素。開發(fā)新型流化助劑技術(shù)將是解決這一問題的主要途徑，也將為超細粉末涂料在汽車涂裝領(lǐng)域的應(yīng)用打開一扇新的大門。
加拿大西安大略大學(xué)顆粒技術(shù)研究中心開發(fā)的高效超細(HEUF)粉末涂料采用高剪切力混合，使納米顆粒均勻分散于涂料顆粒表面；同時根據(jù)計算和實驗結(jié)果，選擇最佳納米顆粒團聚尺寸，以確保優(yōu)異的涂料流動性;此外該技術(shù)還包括對納米顆粒的表面改性，來提高無機納米顆粒與有機粉末涂料的相容性，保證涂層質(zhì)量。
為考察該技術(shù)在汽車涂裝領(lǐng)域的應(yīng)用，測試其規(guī)模生產(chǎn)的可行性以及在各方面評測中的表現(xiàn)，本研究與某知名汽車品牌的粉末制造商合作。對一種在涂裝生產(chǎn)線上出現(xiàn)流化問題的車身用細粉中涂粉末涂料進行進一步細化和顆粒表面改性處理，并將處理過的粉末在涂裝生產(chǎn)線上進行噴涂，對粉體流動性和涂膜性能進行表征分析。通過前期添加劑的優(yōu)化實驗，本文選取流化助劑添加量(質(zhì)量分數(shù))為0.8%，重點比較了加入流化助劑后的超細粉末涂料與未做處理的原商業(yè)細粉涂料在流動性、噴涂過程和涂膜性能上的差異。實驗處理后的超細粉末和原商業(yè)細粉涂料粒徑與流動性結(jié)果如表2所示。
從表2可以看出，與商業(yè)細粉涂料相比，西安大略大學(xué)制備的超細粉末涂料的中粒徑D50和D90更小，D10相差不大，較小的D50和D90有利于形成光滑的涂膜；而D10無明顯變化則可以避免范德華力的顯著增加。粉體的流動性由安息角、雪崩角、流化床膨脹比等半動態(tài)和動態(tài)法表征。從表2中可以看出，經(jīng)改性的粉末涂料安息角遠低于商業(yè)粉末涂料，較低的安息角說明粉體具有更好的流動性。通常情況下，粉末粒徑越小，范德華力越大，粉末越不易流化。但在配方型添加劑的作用下，盡管實驗粉末涂料的粒徑較小，仍表現(xiàn)出優(yōu)于對照組商業(yè)涂料的流動性。雪崩角、旋轉(zhuǎn)流化床膨脹比、流化床膨脹比與安息角結(jié)果類似，經(jīng)改性的粉末涂料雪崩角度較小，旋轉(zhuǎn)和普通流化床膨脹比較大。這主要是由于商業(yè)細粉涂料顆粒粒徑較小，分子間作用力(主要是范德華力)遠遠大于顆粒自身的重力，顆粒容易相互粘結(jié)，流動性能較差;加入配方型納米流化助劑后，流化助劑很好地分散并吸附于顆粒表面，大大增加了涂料顆粒之間的距離，從而大幅減小了分子間范德華力，改善了顆粒的流動性。綜上，通過對2種粉末多種流動性參數(shù)的對比發(fā)現(xiàn)，HEUF粉末流動性能明顯提升，有利于粉末的流態(tài)化傳輸，并有利于噴涂后形成更平滑和更薄的涂膜。
為確定流化助劑對噴涂過程的影響，本實驗對噴涂過程中上粉率、反向電離特性和對沖擊融合(表征粉末涂料氣流輸送過程中在噴槍和彎道等曲率變化處發(fā)生熔融結(jié)塊的現(xiàn)象)的敏感性進行了測試，結(jié)果如表3所示。從表3中可以看到，在9種噴涂條件下(噴涂電壓范圍為60～80kV，噴涂距離為19～27cm，噴涂速率約為315～510g/min)，改性后的粉末涂料平均上粉率與商業(yè)粉末接近，表明添加劑對上粉效率基本沒有影響。反向電離測試中，在與汽車涂裝生產(chǎn)線相近的噴涂條件下(噴涂電壓為80kV，噴涂距離為23cm，噴涂速率約為315g/min)，反復(fù)噴涂2種粉末涂料。結(jié)果發(fā)現(xiàn):相比于商業(yè)涂料在90μm膜厚出現(xiàn)反向電離現(xiàn)象，實驗涂料在更多次噴涂(110μm膜厚)后才出現(xiàn)反向電離現(xiàn)象。粉體的沖擊融合測試中，在固定的噴涂時間內(nèi)，噴槍和彎道均未發(fā)現(xiàn)粉末積累和碰撞融合現(xiàn)象，表明實驗粉末的氣流傳輸性能良好，可實現(xiàn)長時間連續(xù)涂裝。涂層性能測試主要考察了中涂粉末涂料所需要的耐濕性、附著力、平整度、機械性能，以及與底色層和透明涂層的相容性等。為了得到更具代表性的結(jié)果，測試均在完整涂層(包括電泳涂層、中涂層、液體涂料底色層和清漆層)上進行，其中電泳層、底色層(白色、黑色、銀色或紅色)和清漆與實際生產(chǎn)線相同，中涂層為改性后粉末或商業(yè)粉末涂料。
實驗首先根據(jù)ASTMD3359—2017考察了原始涂層以及濕空氣處理后(粉末涂料在相對濕度99%、
溫度23℃的濕空氣中暴露96h)涂層的附著情況。結(jié)果顯示:實驗粉末的原始涂層和濕空氣處理后的涂層均未發(fā)生涂膜脫落現(xiàn)象，實驗粉末表現(xiàn)出與商業(yè)粉末相同的附著力和耐濕性。抗石擊實驗根據(jù)ASTM D3170/D3170M—2014在完整涂層上進行。與附著力測試相同，所有改性后涂料樣板均顯示出與商業(yè)粉末涂料相同的測試結(jié)果，說明添加劑的使用未造成漆膜抗石擊性能下降。
涂膜橘紋測試分別在首次出現(xiàn)反向電離現(xiàn)象時及相同膜厚(75μm)的條件下進行。2種情況下，實驗粉末涂料的R值(本研究合作汽車廠商所采用的反映橘皮程度的參數(shù)。R值越大，橘皮越少，涂膜越平整)均高于商業(yè)粉末涂料，表現(xiàn)出更優(yōu)異的涂膜外觀。同時發(fā)生反向電離的涂膜的鮮映性(DOI)也優(yōu)于商業(yè)粉末，結(jié)果如表4所示。結(jié)果表明改性后的粉末涂料能夠表現(xiàn)出更清晰更光滑的漆面，有利于粉末在汽車外飾的應(yīng)用。
綜上可知，加入流化助劑后，實驗粉末的流動性能顯著提高。在噴涂性能和涂層性能方面，實驗粉末與商業(yè)粉末表現(xiàn)相似或更優(yōu)。結(jié)果說明這一技術(shù)在改善粉體流動性同時，未對噴涂過程及涂膜性能產(chǎn)生任何負面影響。該技術(shù)可成功應(yīng)用于車身涂裝，解決超細粉末涂料的流動性問題。同時該技術(shù)的進一步開發(fā)有望繼續(xù)降低顆粒尺寸，實現(xiàn)更小粒徑粉體的噴涂，更低的涂膜厚度和更高的涂膜平整度，滿足車身涂裝的外觀要求，并進一步降低成本。
2 低溫固化粉末涂料在汽車涂裝領(lǐng)域的應(yīng)用
低溫固化粉末涂料由于烘烤溫度較低，可節(jié)省能源消耗，降低生產(chǎn)成本;同時該技術(shù)使粉末涂料的應(yīng)用領(lǐng)域從常規(guī)耐熱基材擴展至塑料制品、紙張紙板及木材等熱敏性基材，極大地擴大了粉末涂料的應(yīng)用范圍。從節(jié)約能源、降低成本、提高效率、擴大應(yīng)用范圍考慮，低溫固化粉末涂料的開發(fā)具有重要的意義。
粉末涂料的低溫固化是通過提高樹脂與固化劑的反應(yīng)活性來達到的。涂料行業(yè)一直致力于借助固化促進劑來改變熱固性樹脂的交聯(lián)反應(yīng)動力學(xué)。市場上各種粉末涂料配方中，環(huán)氧、聚酯/TGIC、GMA－丙烯酸、混合聚酯/環(huán)氧等體系均可成為低溫固化粉末涂料。常用的固化促進劑主要包括鎓鹽、有機鋅或錫(如乙酸鋅、金屬螯合物)或咪唑類化合物(如2－甲基咪唑)等。在汽車零件進行粉末涂裝時，快速固化對于汽車車身和金屬部件的涂層更為理想，而對于熱敏性的汽車塑料件，低溫固化則是最佳選擇。
2.2 低溫固化粉末涂料在汽車領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀
汽車塑料零件耐熱性差，只能使用低溫固化粉末涂料或其他固化方式的粉末涂料。汽車制造商(如通用汽車、克萊斯勒、寶馬等)在20多年前就分別在歐洲和北美的工廠開始使用粉末中涂和清漆。但目前大部分車用低溫固化粉末涂料仍處于研究和專利階段。這種類型的粉末涂料在多方面具有局限性，限制了其在商業(yè)上大量應(yīng)用。比如，這些低溫固化粉末涂料在擠出過程中易發(fā)生預(yù)固化，保存時間短，冷藏運輸和貯存費用高，形成的涂膜有橘紋和霧影加重之類的缺陷等。這使得市場上銷售的低溫固化粉末涂料很難滿足汽車行業(yè)高標準的外觀要求，大多僅用于低光澤飾面和亞光飾面，而無法應(yīng)用在高光澤飾面上。目前低溫固化粉末涂料僅能對由片狀模壓料(SMC，Sheet Molding Compound)和聚苯醚/聚酰胺(PPE/PA)等制成的復(fù)合材料或塑料件進行外部噴涂。
最近加拿大西安大略大學(xué)顆粒技術(shù)研究中心利用納米助劑技術(shù)，開發(fā)出一種新型節(jié)能的低溫固化超細粉末涂料。該技術(shù)采用后混合添加工藝，可避免在熔融擠出過程中由于局部固化促進劑濃度過高而交聯(lián)預(yù)固化的現(xiàn)象。負載有固化促進劑的納米助劑在促進固化反應(yīng)的同時，還可作為流化助劑改善超細粉末涂料的流動性。經(jīng)過測試，在0.5%助劑添加量(質(zhì)量分數(shù)，以低溫固化促進劑及納米載體總量計)及120℃、15min條件下固化的該涂料在30%玻璃纖維增強聚酰胺塑料底材上具有優(yōu)異的涂膜性能。同時這種新型節(jié)能超細粉末涂料的貯存時間和流動性能均明顯提高，粉末固化所消耗的能量節(jié)省了50%，涂膜光澤和鮮映性基本保持不變，而且?guī)缀鯖]有霧影和橘皮。該涂料同時具有優(yōu)越的涂裝適用性和貯存穩(wěn)定性，有望提高粉末涂料在汽車涂裝市場的占有率。
此外除采用低溫固化促進劑外，開發(fā)特種低溫固化樹脂或固化劑，也可以完成低溫固化反應(yīng)，實現(xiàn)對熱敏性塑料件的噴涂。
超細粉末涂料技術(shù)可以提供更薄的涂膜和更好的平整度，是汽車涂裝特別是車身涂裝的發(fā)展方向。本文中介紹的加拿大西安大略大學(xué)顆粒技術(shù)研究中心開發(fā)的流化助劑技術(shù)能夠有效解決超細粉末涂料的流動性問題，為超細粉末涂料的應(yīng)用提供保障。本文考察了新型流化助劑技術(shù)在車身中涂上的應(yīng)用，結(jié)果表明該技術(shù)可以顯著提高粉體的流動性，同時能夠保證優(yōu)異的涂膜性能。這一結(jié)果驗證了該技術(shù)在車身涂裝領(lǐng)域的可行性，也使更小粒徑粉末涂料的應(yīng)用成為可能，有望為車身提供革新性的涂裝方案。
隨著越來越多的塑料部件應(yīng)用于汽車中，針對塑料材質(zhì)涂裝的低溫固化技術(shù)成為粉末涂料行業(yè)的另一個熱點。基于納米固化促進劑的超細粉末涂料能夠成功克服常規(guī)低溫固化粉末涂料的缺點，有望在工業(yè)上實現(xiàn)汽車塑料部件的粉末噴涂，拓展粉末涂料的應(yīng)用范圍。來源：張海萍, 閆寶偉, 楊帥, Krantz Matthew, 邵媛嬡', 張輝" ,祝京旭 (1.天津化學(xué)化工協(xié)同創(chuàng)新中心,天津大學(xué)化工學(xué)院,天津300072; 2.加拿大西安大略大學(xué)化學(xué)與生物化學(xué)工程系,安大略省倫敦市N6A 5B9)免責(zé)聲明：所載內(nèi)容來源于互聯(lián)網(wǎng)及微信公眾號等公開渠道，我們對文中觀點保持中立，文中觀點不代表本公眾號觀點，所有文章僅供參考，交流之目的。轉(zhuǎn)載的稿件版權(quán)歸原作者和機構(gòu)所有，如有侵權(quán)，請聯(lián)系我們刪除。
- END -
|
|
|
|
|
