粉末涂料与涂装工艺简介
2020-12-18 17:41:24
粉末涂料指的是一种新型的不含溶剂100%固体粉末状涂料，是公认的符合4E标准的涂料。粉末涂料与传统的液体涂装工艺区别在于不需要将成膜物质溶解于溶剂中进行涂装施工。因此它获得的涂膜没有针孔缺陷，又无需使用的大量挥发性有机溶剂，节约资源又避免了环境污染。
备注：目前世界涂料发展力求“4E”原则指的是经济（Economy）、能源（Energy）生态（Ecoology)、效率（Efficicncy)。
图1环氧树脂粉末涂料常用于管道防腐
一、粉末涂料的品种
按成膜物质分粉末涂料主要有两大类“热塑性粉末”及“热固性粉末”涂料。（备注：其他类型的粉末涂料未在本文的阐述范围。）
1、热固性粉末涂料
热固性粉末涂料是由热固性树脂、固化剂、颜料、填料和助剂等组成。热固性粉末涂料包括：环氧树脂系、聚酯系、丙烯酸树脂系。
2、热塑性粉末涂料
热塑性粉末涂料是由热塑性树脂、颜料、填料、增塑剂和稳定剂等成分组成的。热塑性粉末涂料包括：聚乙烯、聚丙烯、聚酯、聚氯乙烯、氯化聚醚、聚酰胺系、纤维素系、聚酯系。
3、粉末涂料对粒度的要求
一般来说，粉末粒径越小，涂料固化时平整性越好；在相同的喷涂厚度下，粒径小的粉末更不容易出现质点；涂膜的外观越平整、光滑。
但粉末粒度太小也会影响涂料的其他品质，例如：采用静电喷涂时主要吸附力是静电力，粉末的带电量和粉末的粒径的平方成正比，但太大的粉末由于重力作用，在未到达工件表面已掉落，导致上粉率下降，通常粉末小于10μm基本不带电；小于10μm的粉容易成团及吸潮，影响喷涂；此外，当粉末粒度小于10μm时，粉末回收率将会极低。
图2 多彩的粉末涂料
二、粉末涂料的优缺点
粉末涂料的优势在于其不含有机溶剂，可以避免有机溶剂带来的环境污染、溶剂的自身浪费等问题，再者粉末喷涂的涂料可以回收再用，涂料的有效利用率高，如果回收设备的效率高，粉末涂料的利用率可高达99%。除此之外粉末涂装生产效率高，一道涂装就能达到溶剂型或者水性涂料的几道甚至十几道涂装的厚度，且其涂装不受气温的影响，自动化程度通常较高。
粉末涂装优势明显，但也是存在一些局限性。例如：粉末粉体需要专用的喷涂设备；生产及涂装过程中，换涂料颜色和品种相对较麻烦；涂料只宜厚涂不宜薄涂；粉末涂料烘烤温度多在180℃以上，除紫外光固化粉末涂料外，大部分品种不适用于耐热性差的塑料，木材和纸张等热敏性基材。
图3 粉末喷涂铝材
三、粉末涂料涂装工艺
粉末涂料技术起始于1940，这种涂膜的防腐性、环保能明显优于传统的涂覆工艺。对于使用了近十个世纪的液态涂装技术来说，是一场涂装技术革命。
1、粉末涂料热涂装工艺
最早出现的粉末涂装方法是滚涂法。将热态（高于聚乙烯树脂的熔点10～20℃）的金属零件在盛有聚乙烯粉末的容器内反复滚动，使粉末不断地熔粘于零件的整个表面。这种工艺方法非常原始，得到的涂膜厚度很不均匀，外观也粗糙不平，不适用于工业化生产。
随后，人们根据热涂装原理，研究成功聚乙烯火焰喷涂法。它拉开了粉末涂装的序幕。当时除了火焰喷涂法外，还采用散布法。这是一种将树脂粉末均匀地撒在加热工件表面，使粉末熔融形成涂膜的施工方法。瀑布法类同于散布法，只是它的粉末浓度比散布法要高得多，因而能够方便地得到较厚的涂膜。
1952年德国人改进了散布法，通过气体作用使粉末在专门容器内流动悬浮并且有液态特征。然后预热工件浸沉于流化床中，流态化的粉末就会均匀地熔融附着于工件表面，通过加热使其熔融流平，从而得到光滑连续的涂膜。这种工艺称为流化床法，它使粉末涂料的应用进入了一个重要的发展阶段。
上面介绍的各种工艺方法的必备工艺条件是必须把工件预热到相当高的温度，因此主要应用于金属零件的涂装。
2、冷涂装工艺——涂装工艺的新篇章
粉末热熔涂装施工的操作必须在高温下进行，涂装质量控制十分困难。热熔涂装的涂膜如果出现缺陷，返修工作比较麻烦。同时工人在高温下操作的劳动强度大、工作环境恶劣。
为了克服这些缺点，人们开始研究在常温下将粉末涂料均匀涂布到工作表面，再通过加热使附着于工作表面的粉层熔融流平成光滑连续的涂膜。这种施工方法也可以称之为粉末的冷涂装工艺。60年代法国Sames公司发明的粉末静电涂装技术，为粉末冷涂装工艺开拓了广泛的应用领域。
图4 热涂装工艺及冷涂装工艺
上面列出的是粉末涂装工艺发展过程中曾经研究使用过的一些工艺方法。原则上可以划分为热涂装工艺和冷涂装工艺两大类。
总之，不管用什么方法，只要能使粉末涂料均匀地涂布于被涂件的表面，经过加热熔融流平成膜，这种工艺方法就可归类于粉末涂装工艺。如果工件需要预热来熔融粉末的，则属于热涂装工艺范围。工作能够在常温下进行涂装技术，再进行热熔平成膜的就属于冷涂装工艺范围。当前广泛应用的冷涂装工艺主要是粉末静电涂装技术。
静电涂装法简介
粉末静电喷涂技术的特点是工件可以在室温下涂装；粉末的利用率高，可达95%以上；涂膜薄而均匀，平滑、无流挂现象，即使在工件尖锐的边角和粗糙的表面亦能形成连续、平整、光滑的涂膜，便于实现流水线生产。
图5 静电喷涂工艺流程图
喷涂原理：高压静电喷涂中，在净化的压缩空气作用下，粉末涂料由供粉器通过输粉管进入静电喷粉枪。喷枪头部装有金属环或极针作为电极，电极尖端产生电晕放电，在电极附近产生了密集的负电荷。粉末从静电喷粉枪头部喷出时，捕获电荷成为带电粉末，在气流和电场作用下飞向接地工件，并吸附于其表面上。
粉末静电喷涂过程中，粉末所受到的作用力可分为粉末自身重力、压缩空气推动力和静电场引力（库仑力）。粉末借助空气推力和库仑力，克服自身重力，吸附于工件表面，随着粉末沉积层的不断加厚，粉层对飞来的粉粒排斥力增大，当工件对粉末的吸引力与粉层对粉末的排斥力相等时，继续飞来的粉末就不再被工件吸附了。
吸附在工件表面的粉末经加热后，原来“松散”堆积在表面的固体颗粒熔融形成均匀、连续、平整、光滑的涂膜。经冷却固化后形成固态涂膜。
四、粉末喷涂的应用领域
我国粉末涂料涂装市场的最大增长领域是：船舶工业和管道工业。存在的问题是耐冲击性及吸湿性有待改善和提高，研究人员把主要精力集中在用各种基料的改性上。国内生产的管道防腐环氧粉末涂料涂装在贮存稳定性及涂覆施工性方面，与国外优质产品相比尚有一定差距。
图6 粉末喷涂可用于船舶防腐及防污层
由于国外汽车粉末涂料制备技术取得进展，汽车罩光、木材和塑料用涂料涂装都是最具活力的潜在市场。汽车行业将是其消费大户，希腊、土耳其和东欧粉末涂料涂装市场的增长势头很好，亚太地区市场潜力更大，已被认为是全球增长最快的地区。
图7 粉末喷涂用于汽车面漆等
：小花