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  • 新聞資訊

    減少粉末涂料冒煙的技術方案


           粉末涂料是公認的具高效率、優良涂膜性能、生態環保、高經濟效益為一體的4E型涂料產品,近年來得到高速發展。然而與傳統的溶劑型涂料相比,粉末涂料雖然沒有易揮發的有毒物質對環境造成的污染,但在固化過程中的反應會有小分子物質的釋放,這些小分子物質聚集在一起會產生煙霧,就所謂的冒煙現象。

           一般來說,粉末涂料涂裝冒煙會受噴涂設備的影響,立式噴涂線產量大,單位時間內用粉量多,經過固化爐的型材多,且一般沒有排風裝置,產生的煙霧會多。粉末涂料產生的煙霧除了受噴涂現場排風口的影響外,最主要就是粉末涂料原材料本身的特性所決定的。

    QQ截圖20160426082130.png       從上圖可以看到在烤爐的進出口處冒煙大,若車間排煙不力,則會對生產有很大的影響。從噴涂現場來看,不管是平面粉還是砂面粉,亮光粉的還是平光粉、啞粉,都有冒煙的現象,尤其以啞光粉最為嚴重。

           粉末涂料一般由樹脂、固化劑、顏料、填料和助劑組成,而助劑又包括流平劑、光亮劑、脫氣劑、消光劑、紋理劑、抗氧劑等,根據情況按量添加,不同種類的原材料對于粉末涂料冒煙所起的作用不太一樣。

    2 產生原因分析

    2.1樹脂的分析

           樹脂作為最主要的成膜物,一般占總量的50%-60%,樹脂決定了粉末涂料的絕大多數性能,粉末冒煙首先考慮是不是樹脂本身的問題,所以,我們首先從樹脂來研究。

           常用樹脂的烘烤失重及冒煙情況如下表所示。

           從下表可以看出,不管樹脂的失重是大是小,在單獨烘烤過程中均不會產生明顯的煙。我們知道聚酯一般都是由多元酸與多元醇反應而來,殘留的有機小分子都是無色無味的,在烘烤過程中也不會產生煙霧,所以從理論上說樹脂不是粉末涂料產生煙霧的根本原因。

    1.png        

    用同一樹脂制作7個不同的粉末,測試這7個粉末涂料失重與冒煙之間的關系,結果如下。

    2.png    注:以上均為密閉烤箱,烘烤條件為200℃/10min

        從以上兩個表的數據分析可知,粉末涂料的冒煙必然是一個失重的過程,但是不能以失重量的大小來判斷冒煙的大小。再好的粉末也不可能達到零失重的效果,以上七個粉所用的樹脂是一樣的,但冒煙多少卻大不相同,所以很難確定樹脂是否是冒煙最主要的來源。

    2.2顏料和填料的分析

           同時我們也做了顏料和填料的失重與冒煙對比,發現填料的失重都在0.02%以下,而且常用的填料都是無機物,在常溫或者較高的溫度下都難以分解。理論上,填料的失重是來自于其所含的水分或者是結合水,在擠出或者磨粉的過程中就已經完全揮發,不會對粉末冒煙有任何影響。而顏料的失重更小,經過反復精密的測量,絕大部分的顏料失重率在0.01%以下,在烘烤過程中也沒有任何的煙霧放出,使用常規用量的5倍均沒有觀察到煙霧。

    2.3固化劑的分析

           經以上分析,粉末涂料冒煙最有可能就是來自于固化劑與助劑,相對而言,助劑在粉末涂料中用量很少,但起著重要作用,同樣的由它帶來的冒煙問題也不容忽視。

           固化劑和樹脂相類似,但有一定區別,首先它在固化過程中與樹脂反應而形成成膜物質,所以對于固化劑,在反應過程中小分子的揮發是必然的,失重的對比就顯得沒有太大的必要,所以我們直接測固化過程中冒煙量的多少來分析TGIC的冒煙大小。由于條件的限制,我們這里判斷冒煙的大小既無法做到與噴涂現場那樣大批量的噴涂,也無法做到能夠精確的測定它的數值,因此我們模擬噴涂廠,將一定量的粉末噴涂在鋁材上,放進烤箱進行烘烤,觀察烤箱中煙霧的大小來判斷。這雖然會存在一定的誤差及人為的因素,但卻是最簡單、最有效的方法。

        首先我們測量了不同TGIC失重的大小,結果下表所示。

    3.png

        注:以上均為密閉烤箱,烘烤條件為200℃/10min

           從以上可以看出,不同TGIC雖然失重有明顯的差別,但冒煙量卻沒有太大的區別。我們再來測試在相同的配方中,不同的TGIC產生的煙到底有沒有區別。用同一配方、不同TGIC制作4個不同的粉末,測試這4個粉末涂料冒煙量的大小,結果如下。

    4.png

     注:  

    1 以上均為密閉烤箱,烘烤條件為200℃/10min;四組實驗所用的粉量相同。

             2 冒煙等級只是為了方便直觀的對冒煙量進行對比,不作為標準。0級到5級代表煙少到煙大。

            我們知道,聚酯與TGIC之間的反應是粉末涂料固化過程中最主要的反應,反應過程會伴隨小分子物質的放出,不同廠家的TGIC只在失重率上有本質的差別,在冒煙大小方面沒有明顯的區別,所以通過篩選TGIC來減少冒煙量的潛力不大。

    2.4助劑的分析

           如以①號配方添加助劑,然后再與①號進行冒煙對比,發現加了助劑之后冒煙達到3級以上,雖然只添加了4-8%的助劑,卻對冒煙量產生如此大的影響,可以確定的說,粉末涂料冒煙是來源于所添加的助劑中含有的小分子物質在烘烤過程中遇到了水蒸氣或者被氧化而產生煙霧。

           而粉末涂料常用的助劑主要有流平劑、光亮劑、蠟粉、消光劑、抗氧劑等,雖然用量都很少,但是卻是冒煙的主要來源。我們常用的流平劑有丙烯酸均聚物、丙烯酸酯共聚物以及它們的有機硅改性物,在烘烤過程中會有少量的煙霧冒出,光亮劑也同樣如此。但是流平劑與光亮劑的用量僅為0.8%-1%,而且都不參與反應,對冒煙的影響不大,改進的潛力不大。

           一些功能助劑,如常用的聚乙烯蠟,外觀為白色小微珠狀或片狀,由乙烯聚合橡膠加工劑而形成的,其具有熔點較高、硬度大、光澤度高、顏色雪白等特點,在高溫中熔融,在冷卻至常溫時析出,以微晶形式存在于涂料中且能遷移到涂膜表層,最終與涂料其他組分形成一個“蠟化”的表層,達到抗劃傷的效果。蠟粉高溫易熔融的特性,使得它在烘烤過程中不可避免的有大量的小分子物質從表層析出,最終與

        空氣接觸,產生冒煙現象。

        不同種類的蠟粉烘烤失重以及冒煙大小測試結果如下。

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    注:   

    1 以上均為密閉烤箱,烘烤條件為200℃/10min;四組實驗所用的粉量相同

             2 冒煙等級只是為了方便直觀的對冒煙量進行對比,不作為標準。

        0級到5級代表煙少到煙大。

           由上可知,蠟粉的冒煙大小與蠟粉的性質有關,聚四氟乙烯蠟由于聚合度比較高,而且C-F鍵不容易斷裂,在常規的烘烤過程中不會產生煙霧。而改性蠟與聚乙烯蠟相比,雖然都是聚乙烯蠟,但是普通的聚乙烯蠟失重較大,其含有的小分子物質較多,產生煙霧多,同時烘烤過程容易泛黃,推測是發生了鍵的斷裂和小分子物質的溢出。由于種種原因,聚四氟乙烯蠟不可能大批量的應用在一般耐候性的粉末涂料當中,所以通過使用改性蠟替換聚乙烯蠟可以減少冒煙。

           安息香作為粉末涂料優異的脫氣劑,一直都是別的脫氣劑所無法取代的。安息香的作用機理是依靠在烘烤散發的機理是依靠在烘烤散發的小分子物質帶走粉末涂料固化過程產生的小分子物質,從而消除涂膜針孔現象,因此冒煙是無可避免的。雖然安息香的用量只有0.3-0.5%,冒煙量卻非常大。市場上常用的脫氣劑為安息香、消泡劑和由安息香改進的消泡劑,后兩種即使能把冒煙控制在很合理的范圍(1級),但是脫氣效果明顯都不如安息香好。不同種類脫氣劑的脫氣效果和冒煙情況如下表所示。

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        注:

    1 以上均為密閉烤箱,烘烤條件為200℃/10min;三組實驗所用的粉量相同,2 冒煙等級只是為了方便直觀的對冒煙量進行對比,不作為標準。0級到5級代表煙少到煙大。

           消泡劑作為一種輔助的脫氣劑不可能起到完全脫除氣體的作用,不能單獨使用,常常與安息香搭配,以達到優良的表面效果,而且冒煙明顯比使用安息香的粉末少。改性安息香的表面效果比消泡劑好,可以單獨使用,但亮光粉中要慎用,如果體系反應過快可能會出現針孔。如果對表面要求不是特別高的配方,可以使用改性安息香來減少冒煙。

           以上是針對一般粉末中都常用到的助劑的冒煙改善方法,還有一類粉末——啞光粉比較特殊,需要用到消光劑,而且用量不少。

         消光劑作為粉末涂料啞光粉常用的消光手段,往往能獲得細膩豐滿的表面效果。然而啞光粉的光澤通常在20-30%之間,消光劑的添加量一般在2.5-3.5%之間,與其他助劑相比,用量相對較大。而市場上的消光劑大多屬于蠟型消光劑,其成分復雜,不同成分反應的差異導致反應過程中,有很多的小分子物質溢出,從而產生明顯的冒煙現象。一般來說,市面的消光劑都差別不大,在烘烤過程中都會明顯冒煙。經過供應商改進過的消光劑雖然能在冒煙上有一定改善,但是會犧牲它本身的部分性能,比如消光能力、表面的細膩度、耐沸水性能和耐老化性能等。經過對比,只有極個別的消光劑能達到較理想的要求。消光劑對粉末的機械性能和表面效果等有很大的影響,如沒有特殊的要求,一般的啞光粉建議用雙組分干混法來制作,避免消光劑的使用,從而減少冒煙。

           砂紋粉中冒煙的主要因素是蠟粉,砂紋粉所用的蠟粉與平面粉是一樣的,所以不再說明。所以說砂紋粉的冒煙問題比較簡單,就是針對蠟粉的種類和用量進行改善。

           以上為粉末涂料常用或者必須用到的基本助劑,還有一些助劑如紫外線吸收劑、增電劑、抗氧劑等雖然也有冒煙,但是一般只在少量特殊的粉末中才用到,只要選擇好種類以及控制好用量就不會產生很多的煙,所以在日常的生產就不會有太大的問題。

    3 總結

           本文詳細分析了粉末涂料冒煙的主要來源,針對粉末涂料的特點和配方結構,分別從樹脂、固化劑和助劑各方面尋找減少冒煙的辦法,即對于可以替換成冒煙少而不影響其他性能的材料,可進行相應的替換,盡量少用一些冒煙大的助劑,從而達到減少冒煙的效果。


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