摘要

 

本文通过详细阐述邦定的基本原理，说明邦定稳定性的影响因素主要有配方和邦定工艺。通过热粘结邦定试验，用红外光谱、X射线、电镜、干法粒径仪等检测手段，验证了在邦定过程是粉末颗粒表面软化，与金属效果颜料粘结在一起；通过不同的对比试验说明邦定工艺和配方对邦定效果的影响。

 

1. 前言

 

随着人们生活水平的提高，人们对装饰性的要求也越来越高，金属效果粉末涂料在整个粉末涂料的涂装应用中快速增长。但是金属效果粉末的生产的稳定性依然困扰着国内各大粉末厂商，究其原因还是对邦定原理的认识较为模糊，在邦定过程中，粉末颗粒的微观变化状态，金属效果颜料与粉末颗粒是怎么相互作用的认知还是相对片面的，原理认知不清晰是导致研究的方向有偏差，从而事倍功半，差强人意。

 

金属效果粉末的生产工艺主要有三种：常温干混合、熔融挤出热混合、邦定热粘结混合。本文主要研究邦定热粘结混合技术。

 

2.邦定生产技术简介

 

2.1邦定原理及采用邦定技术的原因

 

粉末涂料邦定（Bonding）技术也叫热粘结技术,主要是通过摩擦升温或者夹套升温的方式使粉末颗粒表面具有一定的黏性，使金属效果颜料与粉末底粉结合起来，具体来说就是通过邦定机搅拌桨高速旋转，使粉末与粉末之间，金属效果颜料、粉末与邦定机（搅拌桨、缸壁）之间高速碰撞、摩擦，在一定时间内，粉末颗粒表面温度上升到一定程度，粉末表面发生软化，金属效果颜料颗粒与粉末涂料颗粒粘结在一起，使静电喷涂时得到稳定的具有金属效果的涂层。在一定的金属效果颜料含量下，采取邦定技术使更多的金属效果颜料与粉末紧紧地结合在一起，以保证施工的稳定性。

 

粉末涂料由树脂、固化剂、颜料、助剂、填料等材料加工而成的，其中的树脂属于高分子聚合物。玻璃化温度是高聚物由高弹态转变为玻璃态的温度，指无定型聚合物（包括结晶型聚合物中的非结晶部分）由玻璃态向高弹态或者由后者向前者的转变温度，是无定型聚合物大分子链段自由运动的最低温度，通常用Tg表示，随测定的方法和条件变化有一定的波动。在此温度以上，高聚物表现出弹性；在此温度以下，高聚物表现出脆性。如图一所示，为高分子聚合物的形态-温度变化曲线。

 

 

邦定工艺的设定条件主要包括邦定温度、升温转速、保温转速、保温时间，金属效果颜料与粉末颗粒粘结在一起是因为粉末颗粒表面已经有软化现象，甚至是发粘的现象，此时粉末颗粒表面的瞬时温度已经达到软化点。在搅拌桨与物料发生摩擦的时候，搅拌桨对物料做的功一部分转化为物料的动能，一部分转化为热能，使粉末颗粒的表面瞬时温度接近软化点，或者高于软化点，此时由于搅拌桨对物料的巨大的力，粉末颗粒则与金属效果颜料紧紧地粘结在一起。邦定粉末产品的电镜图如图1-2所示。

 

 

图1-2

 

普通产品粉末涂料各组分经预混合、熔融挤出、冷却、破碎、细粉碎、分级过筛得到的产品。因此，混炼效果较好的产品，可以看作每个粉末涂料粒子的组成基本是一样的，带电性能一样，在高压静电作用下粉末颗粒带电量均匀一致。根据库仑定律,在一定时间里,粉末涂料颗粒的带电量有如下关系:

 

Qs=3πε0（ε-1）/（ε+2）d2E   式（1）

 

式中: Qs—粉末颗粒的带电量;ε—粉末介电常数;d—粉末颗粒的粒径;E—外加的电场强度;

 

ε0=（819×10-11）F/m。[1]

 

所以同一种粉末涂料在经过稳定的喷涂工艺喷涂烘烤出来的涂膜的颜色、外观以及性能是一致的，回收粉在反复使用时，涂膜颜色、外观及性能也是基本稳定的。

 

根据涂膜外观要求，一般金属效果颜料用干混合法添加到粉末涂料中时，这种粉末在高压静电作用下带静电时，底粉和金属效果颜料的带电性能差别较大，所以吸附到工件上的粉末与金属效果颜料的比例，跟原粉末中的比例不一样，这样会导致回收粉末中金属效果颜料的比例与新粉中的金属含量不一致，且随着回收次数的增加，金属含量的差别越来越大，所以添加回收粉末进行喷涂时，涂膜颜色和外观随着回收粉添加量的变化，喷涂产品涂膜金属效果不稳定。

 

为了保证金属粉静电喷涂的产品涂膜外观和金属稳定性，必须采取特殊的工艺对粉末涂料进行处理来保证金属粉的涂装质量，这种处理工艺叫“邦定（粘结）”（bonding），所以在生产带有金属效果（铝粉、珠光粉、铜金粉、镍粉、锌粉）的产品时，必须进行邦定处理。

 

在静电喷涂的过程中，粉末涂料粒子所受的力除了电场力之外还有自身的重力、空气阻力、空气压力。所以结合式（1）可知影响粉末带电量Qs的因素有介电常数、粉末颗粒的粒径、电场强度。介电常数主要是粉末涂料本身的化学组成影响的，电场强度是电压和枪距影响的。影响喷涂稳定性的因素有邦定稳定性（粉末与金属效果颜料的结合程度）、电压、电流、气压、枪距、回收粉的添加量。影响邦定稳定的因素有邦定温度、邦定时间、运行频率、过渡频率、加料顺序、底粉树脂量、底粉粒径、金属效果颜料的种类、金属效果颜料量。

 

邦定工艺是邦定温度、邦定时间、升温频率、过渡频率、降温时间、加料顺序的总称，为了使添加金属效果颜料的粉末涂料在进行静电粉末喷涂时得到稳定的涂膜质量，在一定的温度条件下，使金属效果颜料颗粒粘结到粉末涂料颗粒上面，在静电喷涂时，使金属效果颜料按一定的比例均匀稳定的吸附到工件上面，保证涂膜获得稳定的外观和质量。而温度的设定是邦定的主要因素，主要是根据粉末底粉的玻璃化温度、软化点和邦定的时候粉末的状态综合设定的。

 

2.2邦定效果的检测方法

 

（1）喷板观察法：取邦定好的粉末产品，根据不同电压、气压喷板，观察板面效果是否均匀稳定。

 

（2）卧式喷涂线模拟：根据小喷涂线的工艺来模拟客户现场喷涂工艺，观察板面效果与标准的差距。

 

（3）目视观察法：用干净透明的聚乙烯胶袋接小半袋邦定好的粉末，装半袋空气手工束口摇动几次后提起，轻轻拍打没有粉末的上半部分胶袋。如邦定够温够时可透视看见袋内粉末状态。未邦定好的因银粉吸附胶袋内表面则无法透视袋内状况。

 

（4）仪器观察法：放大镜、显微镜、电镜观察粉末状态和板面情况。

 

（5）粒度分析法：根据干法粒径仪测得的粒度分布，观察邦定前后细粉是否明显减少，粒度分布是否更集中，如果细粉明显减少，粒度分布更加集中，则邦定效果好。

 

3.邦定实验与规律总结

 

为了探索出影响邦定稳定性的主要因素，使用热传导加热型试验机进行试验，根据影响邦定稳定性的主要因素设计实验如下：实验一、邦定温度、邦定时间、运行频率、过渡频率对稳定性的影响；实验二、金属效果颜料的粒径及金属效果颜料量对稳定性的影响；实验三、邦定底粉树脂量对稳定性的影响。

 

判断邦定过程是否达到终点的方法采取观察粉末的状态、实际喷涂效果与微观粒度分布相结合的方法：一、粉末结团、粘缸的程度。二、邦定机电流的波动情况。三、不同电压气压喷涂的板，观察是否有色差、金属效果颜料在板上是否均匀分布。四、对比底粉、干混、邦定成品的干法粒径观察粒度分布。

 

3.1原材料和仪器

 

聚酯树脂；异氰尿酸三缩水甘油酯；安息香；光亮剂；流平剂；增电剂；邦定助剂；流动助剂；硫酸钡；铝粉；金属效果颜料。仪器：干法粒径仪BT-2001，挤出机（E×30型）；磨粉机（ACM-05F型）；邦定机（BD11819X）；全自动喷涂线；实验喷枪（CQ-SJ5型）；烤箱（101-3AS型）。

 

3.2本文测试参照标准

 

 

3.3不同邦定工艺对邦定效果的影响

 

由邦定原理可知邦定工艺中影响因素是邦定温度、邦定时间、运行频率、过渡频率，而邦定温度受转速、底粉树脂量的影响，不同的邦定工艺直接影响最后的邦定效果，因此本实验对此参数进行了如下实验设计：

 

3.3.1邦定时间对邦定效果的影响

 

通过空白实验，相同含量的同一种金属效果颜料在相同质量的同一种底粉中，以特殊的邦定工艺进行邦定，每次邦定2kg，遵循单一变量原则，具体邦定工艺如表2-3-1：

 

邦定工艺：

 

 

A、B、C分别是3个相同的底粉和金属效果颜料的混合物，分别按照3个工艺来邦定，用邦定过后的产品分别测干法粒度分布，干法粒径测试的统计结果如表2-3-2：

 

 

把三个粉用相同的喷涂工艺喷板，从板面效果来看，B的珠光上粉量比C较高，更加闪烁,说明搅拌时间太长导致粗珠光粉被底粉包覆了，不够闪烁。而不同气压下C的涂膜颜色更稳定，说明C的珠光粉被底粉包裹的更好。从表2-3-2粒度分布来看，延长邦定时间，细粉邦定效率更高，粗粉也变得更多，所以邦定时间延长，珠光颜料容易被底粉包覆的更好，闪烁度下降。

 

3.3.2搅拌桨不同频率对邦定效果的影响

 

金属效果颜料与粉末颗粒粘结在一起是因为粉末颗粒表面已经达到Tg点有软化现象，甚至是发粘的现象，此时粉末颗粒表面的瞬时温度已经使粉末颗粒表面发生软化。在搅拌桨与物料发生摩擦的时候，搅拌桨对物料做的功一部分转化为物料的动能，一部分转化为热能，使粉末颗粒的表面瞬时温度达到软化点，或者略低于软化点，此时由于搅拌桨转速较快，对物料碰撞产生巨大的力，粉末颗粒则与金属效果颜料紧紧地粘结在一起。所以在实际生产过程中，控制搅拌桨转速的变化非常关键，一般是在升温的过程中转速较快（30-40Hz），当温度升到一定程度，电流产生异常波动时，转速降到（22-28Hz）,维持一段时间（2-5min）后，降温放料。一般金属效果颜料较细时，可以用较高的转速，金属效果颜料较粗时，用相对低的转速。

 

3.3.3邦定温度对邦定效果的影响

 

聚酯树脂的玻璃化温度一般在63-67℃，在此温度下树脂还没有发生软化，而实际的设定邦定温度一般在玻璃化温度左右，不同型号的邦定机邦定温度存在差异，如果粉末颗粒表面的温度是邦定显示温度的话，粉末颗粒不会产生包裹金属效果颜料颗粒的现象。而实际结果是粉末颗粒已经与金属效果颜料发生粘结，甚至是包裹，所以邦定粘结的温度远高于设定的邦定温度，粉末颗粒表面由于与搅拌桨的高速摩擦已经达到软化点。所以实际设定的邦定温度是一个经验值，在实际生产中作为参考值。

 

在实际生产中，关键是使邦定机中上下的温度均匀，才能使粉末与金属效果颜料颗粒结合的均匀，防止一部分金属效果颜料没有与粉末颗粒粘结在一起，而粉末颗粒之间已经大量吸附粘结在一起，发生结块现象，导致邦定不稳定。

 

3.4金属效果颜料的种类和用量对邦定效果的影响

 

3.4.1珠光颜料粒径对邦定效果的影响

 

a、b、c是粒径较粗、中等、较细的珠光颜料，使用同一个底粉，分别添加3%的 a、b、c。邦定工艺均为启动频率15Hz，运行频率32Hz，过度频率20Hz，预热温度64℃，邦定温度69℃，邦定时间300s，邦定产品的粒度分布如表2-4-1所示：

 

 

把邦定好的样品分别在电压为60kv时喷板，对比不同气压下的板面效果，稳定性由好到差为a>c>b。由表 2-4-1可知D10的变化均无明显规律，说明粒径较大的珠光粉，喷涂的稳定性相对较好，粒径较细的珠光粉容易完全邦定到粉末颗粒上。

 

3.4.2、铝粉粒径对邦定效果的影响

 

选取三种铝银粉A、B、C，中位径D50大小分别是52μm、31μm、10μm。用同一种底粉，分别取2Kg，铝银粉添加量均是5%，进行邦定。启动频率15Hz，运行频率32Hz，过度频率20Hz，预热温度66℃，邦定温度69℃，邦定时间360s。邦定过后的样粉，用干法粒径仪，分别测粒度分布，数据如表 2-4-2所示：

 

 

把邦定过后的样品进行喷板对比，结果是粒径越小的金属效果颜料，遮盖力越好。耐酸碱性15min内无明显变化，30min-60min会明显变差。从表2-4-2中可知，银粉C在邦定过后，P10μm明显减小，说明细粉、细银粉更容易产生邦定效果，即是细银、细粉更容易被包裹起来，只是粒径较小的金属颜料不容易被全部粘结上去。

 

3.4.3金属效果颜料用量对邦定效果的影响

 

不同品牌的金属效果颜料表面处理的方式与效果均不同，做出相同金属闪烁度时金属效果颜料的使用量也会存在较大的差异，特别是铝银粉更加明显。在一个铝粉添加量7%的产品中，通过检测分析，X光结果如下图所示：

 

 

图 2-1 XRD结果

 

配方中的TiO2质量分数为10.5%，占无机物总量的50.99%，由此推算出金属效果颜料中铝粉占配方含量的3.8%左右，由于实际添加了7%的量，说明该铝粉使用了45.7%的有机物进行了处理。如果添加另外一个品牌金属效果颜料，达到类似的涂层金属效果时只需使用2%，但是耐碱性明显的降低。所以在配方设计的时候不能盲目使用过高的金属量，应该是在保证各项性能（耐酸碱性、耐候性）达标的情况下，选择适当的金属粉，添加的金属粉量太大也是引起最终颜色不稳定的重要因素。

 

国产的粉末涂料用铝粉在最近几年进步较大，但是与国外的品牌的铝粉相比，在邦定后往往存在耐碱性变差的现象。所以做高含量金属的产品时，要注意邦定过后的耐碱性变化是否符合相关要求。

 

在实际应用中发现，金属效果颜料的用量对邦定金属粉涂膜流平有影响，因此对珠光颜料的成分做能谱分析，结果如表 2-4-3所示：

 

 

在粉末涂料中用的珠光颜料主要是用天然云母矿制作而成的，内含有复杂的金属元素成分，添加过多，吸油量增加，流平自然会变差，改善方法是增加配方的树脂量；在邦定的过程中，粉末涂料颗粒表面温度升高，部分金属元素可能会含有催化作用加快粉末的反应速度，造成涂膜流平变差。

 

3.5底粉的树脂量对邦定效果的影响

 

有A，B，C三个底粉，树脂量分别为50%，70%，85%，各取2Kg进行邦定实验，启动频率15Hz，运行频率32Hz，过度频率20Hz，预热温度68℃，邦定温度71℃，邦定时间360s。所用的金属颜料相同，邦定过后分别测干法粒径，结果如表2-5-1：

 

 

把邦定好的产品分别在电压为60kv时喷板，对比不同气压下的板面效果，上银的多少跟树脂量呈现正相关关系。由表 2-5-1、表 2-5-2、表 2-5-3对比可知在相同的邦定工艺下，树脂量越高，粒度分布变得越窄，说明粉末涂料中树脂量越大，黏性越大，金属效果颜料与粉末涂料颗粒粘结的越牢固，邦定效果相对就越好。

 

4.结论

 

（1）本文通过分析不同条件邦定后邦定产品的粒度分布发现，邦定过后细粉一般明显减少，粒度分布变得更窄。

 

（2）邦定工艺的主要影响因素是邦定时间、邦定温度、搅拌桨的运转频率，其中邦定温度决定能否和金属效果颜料颗粒邦定粘合在一起；邦定时间决定粉末颗粒是否有足够的时间与金属效果颜料颗粒充分粘合；搅拌桨的运转频率决定着粉末颗粒与金属效果颜料之间的碰撞程度、粉末颗粒表面的温度和邦定效率，还决定着整体的升温速度、混合均匀程度。三个工艺参数相辅相成，要综合考虑。

 

（3）邦定金属效果产品的配方设计应该综合考虑金属效果颜料的种类、含量和粉末颗粒的树脂含量，特别是珠光粉得用量较大时，连续返邦会影响板面的流平性。

 

（4）金属效果颜料的使用，邦定后耐酸碱性、耐候性的变差，对于耐酸碱要求较高的产品，要把邦定对耐酸碱的影响考虑进去。