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如何选择粉末涂料用钛白粉颜料
2019年07月02日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:137
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摘要:粉末涂料具有良好的环保特性和优异的涂装效果。本文就如何选用适合粉末涂料用的钛白粉颜料进行介绍,建议考虑钛白粉的下列性质:(1)钛白粉的种类;(2)钛白粉的表面处理;(3)钛白粉的粒径分布;(4)钛白粉的pH值;(5)钛白粉的含水量。

关键词:钛白粉,粉末涂料,表面处理,粒径分布

一、引言

随着国内对环保力度的加大,涂料工业逐渐往高固含量涂料,水性涂料上发展。粉末涂料作为无溶剂型高固含量涂料的代表[1],其挥发性有机物 (volatile organic compounds即 VOC)排放量远低于传统的溶剂型涂料,部分产品已经做到了零VOC 排放;涂料利用率高,涂装过程中产生固体废弃物很少,能防止空气污染及火灾,是一种环境友好型涂料。

粉末涂料是由聚酯树脂、聚氨酯、聚丙烯酸、环氧树脂等聚合物与颜料、添加剂等均匀混合而成[2]。粉末涂料施工简便,一般只需要一道涂层即可达到使用要求,在涂装工艺控制优良的情况下,漆膜基本不产生孔隙,有耐酸碱性,耐蚀性性能;粉末涂装设备体积小,占地面积少,成套装置综合投资小于传统溶剂型涂料;粉末涂料不是易燃品,在使用、贮存和运输上更为安全方便、简单经济;过量喷涂的涂料粉末还可以回收再利用;粉末涂料由于上述等优点,自发明以来就受到了广泛的关注。粉末涂料的涂装工艺可分为粉末流化床涂装法、静电喷涂法、静电振荡法、电流化床法、低容量静电云雾室法、粉末电泳法和火焰喷涂法等。静电粉末喷涂法由于粉末利用率高、容易实现自动化、并且在工件尖端和粗糙面均能形成平滑的涂膜,目前应用最为广泛。以粉体涂料涂装为主的行业包括;家具制造业,家电厨具制造业,钢管工业、汽车工业、农业机械工业,消防器材、电机工业及建筑工业等。

二、钛白粉的性质

钛白粉的主要成分为TiO2,是目前应用效果最好的白色颜料[3-7]。由于它有较高的折射率,偏折光线的能力较其它的白色颜料大,所以在涂料应用中有着较佳的遮盖力。常见白色颜料的折射率见表1。以钛白粉制备的涂料功能是覆盖基材,美化基材,保护基材,避免光、热及水汽影响而使基材生锈、腐蚀。总而言之,钛白粉在工业界的基本效能就是“覆盖-美化-保护”。

1常见白色颜料的折射率

物    质

折射率

物    质

折射率

金红石型二氧化钛

2.71

碱式碳酸铅

2.00

锐钛型二氧化钛

2.52

碱式硫酸铅

1.93

硫化锌

2.37

硫酸钡

1.64

氧化锌

2.02

滑石粉

1.57


三、钛白粉在粉末涂料中的重要作用

在粉末涂料的研发配方设计中,大都把树脂和交联剂的配合视为粉末涂料的主要性能发挥所必须考虑的方向;所以都致力于树脂和交联剂的开发。但这不表示钛白粉就不那么重要,可以任意调整更换。

钛白粉对粉末涂料的生产,涂装及涂膜性质都有着影响。在生产过程中,钛白粉分散性的好坏直接影响混合的效果,也影响在压出加工生产中热熔体的分散性及产能的高低。在涂膜加热硬化过程中,钛白粉的表面性质也会影响热熔体的流动性,硬化速度及过度烘烤时产生的黄变性。在涂膜表现性上,钛白粉更影响涂膜的遮盖力、光泽性及耐候性。

所以在研制粉末涂料时,考虑如何选用合适的钛白粉。选用钛白粉时,建议考虑钛白粉的下列性质:(1)钛白粉的种类(2)钛白粉的表面处理(3)钛白粉的粒径分布(4)钛白粉的pH值(5)钛白粉的含水量。

1)钛白粉的种类

商用钛白粉可分为锐钛型和金红石型钛白粉两大类。二氧化钛的晶体特性和物理常数见表2。由于化学结构的不同,虽同属钛白粉,但其表现性则有所不同。使用锐钛型钛白粉制成涂料,在日光下,容易产生粉化的现象。较用金红石型钛白粉则抗粉化性较优。所以在钛白粉类别的选用上,建议用金红石型钛白粉。

2 二氧化钛的晶体特性和物理常数

物性

金红石型

锐钛型

晶系

四方

四方

晶型

针形

锥形

d (μm)

0.2-0.5

0.1-0.5

相对密度

4.2-4.3

3.8-3.9

折射率

2.71

2.52

莫氏硬度

6-7

5.5-6

熔点

1858℃

转变成金红石型

比热Cal/℃.g

0.17

0.17

紫外线吸收率%

90

67

遮盖力  m2/kg

30.1

23.6

消色力 Reynolds

1650

1270

晶格常数

a=0.459

c=0.296

a=0.378

c=0.951


2)钛白粉的表面处理

为了钛白粉在不同粉末涂料体系下发挥特殊功能,必须在钛白粉生产中进行不同的表面包覆处理。如为了表现分散性,光泽性用水合氧化铝(氢氧化铝)处理;为了增强耐候性而用水合二氧化硅、水合氧化锆的表面处理。为了加强湿润效果和生产的流动性,而用多元醇类,胺类或硅烷、硅醚类的有机表面处理。

钛白粉的白度决定于钛白粉中二氧化钛含量的多少;表面处理剂的含量越多,钛白粉中二氧化钛含量就相对降低,因而影响钛白粉的白度。所以希望粉末涂料涂膜时有较高白度,则选用表面处理剂含量较低的钛白粉更适合。

涂膜光泽度除取决于树脂及配方设计外,钛白粉的表面包覆也扮演辅助的角色。氧化铝的表面包覆处理有助于钛白粉在树脂体系中分散,因而强化钛白粉在树脂体系中的光学性质,如光泽度、遮盖力等。而氧化铝本身的结晶性也有助于光泽度的提升。若要设计半光或平光涂料,则可选择表面有氧化硅处理的钛白粉。一般市面上商用钛白粉多具有氧化铝和氧化硅的表面处理,根据光泽度的功能性有所谓的高光型钛白粉, 有光泽型钛白粉和平光型钛白粉。

氧化硅的表面包覆处理有两种方式。一种为疏松吸附式;处理后表面结构如绒毛状松散,粉体粒径较大,有效表面积增大,吸油量高。在功能表现上,因其结构宽松,避免过度的拥挤而产生空间效应, 有助于干膜遮盖力提升。另一种属于沉淀式的表面处理;此种方式是将氧化硅紧密地包裹在TiO2颗粒外围,犹如巧克力糖外的彩色糖衣。因其紧密结构减少TiO2表面上活性钛离子与外界环境高分子聚合物的结构,使其不致于黄变,褪色或粉化。所以钛白粉又可依耐侯性的程度分为室外高耐候钛白粉,及室内型钛白粉,不用应用的钛白粉包覆TEM图如图1。

1钛白粉TEM图

钛白粉特性,虽可从表面包覆氧化物的处理来区分,但详细的表面包覆化学及结构特性,则必须与相关的科学技术人员讨论,才能进一步了解如何根据产品设计来选择适当的钛白粉。

3)钛白粉的粒径分布

钛白粉的粒径大小,决定涂膜的色调。钛白粉在制造时会为了要产生最佳的光学性能,常将粒径控制在0.2微米附近,而粒径分布曲线从 0.15 到 0.3 微米。粒径愈小的钛白粉,偏折蓝光的程度愈大,所以涂膜会表现出“蓝白” 的色相;若粒径愈大则色相倾向“黄白”。粒径与散色力如图2。但有时钛白粉粉末泛黄,则是因为在制造时纯化过程未至理想,而有钒离子或铁离子等显色杂质残留在在钛白粉中。所以在粉末涂料生产时,若有特殊色相指定时,建议注意钛白粉的粒径大小及分布。除钛白粉的分散性影响遮盖外,钛白粉的粒径大小也影响遮盖力,趋势如图3

2粒径与散色力

3粒径与相对遮盖力

4)钛白粉的pH值

钛白粉的pH值,一般对水性涂料的影响比较显著;因其会影响到系统分散剂,增粘剂的表现。在粉末涂料则依所选用树脂中游离酸浓度或促进剂类别而必须考虑。一般酸催化过程,pH值偏高的钛白粉会中和催化剂,使硬化不完全,涂膜硬度下降。pH值偏低的钛白粉,会加速酸催化效果,使涂膜硬化过速,易造成涂膜表面缺陷。一般选用以pH值7-8较适合。

5)钛白粉的含水量

钛白粉粉料多少都会吸附一些环境中的湿气,而造成含水量的升高。而钛白粉粉料含水量的提高会造成分散不良,流动性变差, 架桥堵塞输送管道,涂膜表面则易造成褶皱,针孔、鱼眼等缺陷。钛白粉吸附湿气的程度与表面处理剂浓度高低有关,一般而言,处理剂含量高的钛白粉吸湿程度较高。所以在储存物料时,最好能控制环境的温度及湿度。建议仓库温度不超过27°C,相对湿度不超75%,为了避免发生“粉体尘爆”的危险,可加强通风设备的设施,保持空气流通,降低室内粉尘浓度。建议粉体(包括钛白粉,填充料等粉料)的含水量,以不超过0.5%为宜。

四、钛白粉在粉末涂料适用性的评估方法

钛白粉和其他原物料一样、无法兼顾所有的设计要求特性。在某些特性上能充分表现,但在其他方面可能会有负面的效果, 所以在选择钛白粉时,必须考虑产品的特性。

在评价钛白粉是否选用适当,常分为三大性质来对比:

1)粉体性质包括:粉体的细度分布、粉体流动性、胶化活性。

2)涂膜光学表现性包括:颜色、遮盖力、光泽度( 20°,60°)、过度烘烤的黄变程度。

3)涂膜机械性质包括:硬度测试、耐溶剂性测试、柔曲性测试、冲击性测试。

五、结语

粉体涂料配方设计中,常根据不同的需求而调整。基本配方中常见的是树脂、架桥剂、颜料、填充料和其他添加剂。钛白粉在粉末涂料也是重要的组成部分。希望此篇的叙述,能给涂料、钛白粉行业内提供另一个研发的角度。对钛白粉的生产,钛白粉新产品的开发,钛白粉产品在粉末涂料中的应用具有参考意义。

参考文献

[1]蒋文嵘.绿色涂料研究进展[J].广东化工,2009,36(5):68-69.

[2] 林凌,周斌.粉末涂料概述[J].广东化工,2012,39(2):79-80.

[3] 陈朝华,刘长河.钛白粉生产及应用技术[M].北京:化学工业出版社,2005:28-72

[4] 邓捷,吴立峰.钛白粉应用手册[M].北京:化学工业出版社,2005:1-35

[5] 耿耀宗.现代水性涂料工艺·配方·应用[M].北京:中国石化出版社,2013:186-198

[6] 汪云华,李海艳,张笑盈,王磊,李保金,龙翔.后处理工艺对氯化法金红石型钛白粉性能的影响研究[J].无机盐工业,2015,47(3):16-18

[7] 赖主恩,钛白粉应用的理论和技术之若干问题[C]2007年全国钛白行业年会论文集

作者:杨振昆明冶金研究院


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