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冷邦定法制备金属粉末涂料
来源:董帅 | 发布时间:2019-11-19 | 浏览次数:
 
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文/董帅1,张海萍1,邵媛媛1,张辉1、2,祝京旭1、2
1.天津大学化工学院,天津化学化工协同创新中心
2.加拿大西安大略大学化学与生物工程系
 
摘要:提出了一种常温下金属粉末涂料冷邦定的方法。该法首先由聚乙烯醇(PVA)胶水包裹金属铝粉制备带胶铝粉,而后通过流化床湿空气法处理带胶铝粉和粉末涂料底粉,实现二者在室温下的邦定。通过实验对流化床湿空气法中相关影响因素:流化气体相对湿度、流化时间和流化气体流量进行了考察,得出在该装置上当流化气体为饱和湿空气,流化时间为10min,流化气体流量为0.5L·min-1时,邦定效果最佳。与未邦定的金属粉末涂料相比,沉积到测试板上的样品与初始样品中金属铝粉含量差值大大减小,说明金属铝粉和底粉邦定成功,制备的金属粉末涂料达到工业使用要求。

    粉末涂料作为一种无溶剂、无挥发性有机污染物(Volatile organic compounds)、环保型的涂料,已经广泛地应用于家具、家电等行业。较传统液体涂料,粉末涂料具有高生产率(efficiency)、优良涂膜性能(excellence)、生态环保型(ecology)和经济型(economy)的4E型特点,对环境危害较小,是环保型涂料发展的一种趋势。由于能满足各种高端涂层的装饰效果,具有金属闪光效果的金属粉末涂料越来越受到人们青睐,但其短缺的市场供给满足不了日益上升的需求。其中一个重要原因是金属效果粉末涂料的制备工艺不成熟和制造设备造价高导致金属效果粉末涂料质量不稳定,产量低,售价高。金属粉末涂料生产的关键工艺是金属粉与粉末涂料底粉的邦定(bonding),是指在特定温度下使金属颜料颗粒与粉末涂料颗粒相互粘结,以保证运输和喷涂过程中金属颜料不与粉末涂料发生分离,实现涂膜中
金属颜料的均匀性、一致性和过喷粉的可回收性。

    目前工业上主要的金属粉末涂料邦定是利用邦定机搅拌混合,通过颗粒间摩擦生热和额外加热使粉末涂料颗粒表面熔融从而粘结金属颜料颗粒。这种方法存在一定缺陷,需要相当精确的邦定温度控制和时间控制。操作中若温度过高或时间过长容易结块甚至预固化;若温度过低或时间过短,则达不到所需的邦定效果。

    为避免传统热邦定法中遇到的一系列复杂问题,本文通过实验研究常温下邦定技术的可行性,利用粘结剂实现粉末涂料颗粒与金属铝颜料颗粒在常温下邦定,即在常温下制备金属粉末涂料。相对于现行的热邦定,我们称其为冷邦定。

1 实验部分

1.1 材料与试剂

    聚酯透明粉末涂料(美国TCI粉末涂料公司);金属铝粉(美国Silberline公司),主要性质见表1;Q-panel标准测试底板QD-23.5(美国Q-lab公司)。

    聚乙烯醇(PVA)1788白色粉末(山西三维集团有限公司);硼砂(Na2B4O7·10H2O)(上海麦克林生物化工有限公司)。实验中所用水皆为去离子水。
                              
                    
1.2 实验仪器

    MYP11-2磁力搅拌器(上海梅颖浦仪器仪表制造有限公司),GTM-50型气流粉碎机(江苏精新粉体机械设备有限公司),COLO-800静电喷涂设备(杭州卡罗弗喷涂设备有限公司),SX2-12-10马弗炉(天津市中环实验电炉有限公司),S-4800扫描电子显微镜(Hitachi),XSE105DU分析天平(METTLERTOLEDO),自制流化床装置(图1)。
 

 
1.3 实验方法

    流化床湿空气法为二步法,包括带胶铝粉的制备和带胶铝粉与粉末涂料在流化床中的邦定。为使铝粉具有黏性,首先采用水溶性PVA包裹在铝粉表面,然后通过流化床的湿空气使包裹在铝粉表面干燥的PVA胶重新吸收水分变黏,从而可粘结底粉涂料完成邦定。采用湿空气流化床可同时实现铝粉与底粉的混合以及铝粉的润湿。整个邦定过程是在常温下进行,同时只有铝粉表面带有胶,避免了传统热邦定过程中出现的粉末涂料团聚、预固化等的问题。

1.3.1 制备PVA胶水

    配制10%PVA溶液:称取适量PVA1788白色粉末于烧杯中,加入适量去离子水,磁力搅拌,转速250r·min-1,水浴加热,控制水浴温度90℃,直至PVA完全溶解,冷却至室温,补加水量保证溶液中PVA含量为所配浓度。

    配制5%硼砂溶液:称取适量硼砂于烧杯中,加入适量水,搅拌,可适当加热后冷却,直至硼砂溶解。

    配制PVA胶水(硼砂/PVA=5.5%):取10%PVA溶液10g,5%硼砂溶液1.1g,水88.9g进行混合。

1.3.2 预制带胶铝粉

    取等质量铝粉和PVA胶水在烧杯中预混合均匀,使铝粉表面包覆胶水,晾至半干状态下,通过气流粉碎机分散混合,加料频率80Hz,粉碎压力0Mpa,进料压力0.103Mpa,在收料筒中收集预制带胶铝粉。

1.3.3 粉末涂料与铝粉邦定

    控制铝粉含量为底粉总量的2%,取1.1g带胶铝粉与49g粉末涂料于塑料袋中,手动摇匀预混合后加入流化床,开启钢瓶,通过气体流量计控制流化气体流量,流化气体经过水床加湿处理至不同湿度,然后进入流化床中流化粉末颗粒。流化床内径5cm,高30cm;湿空气水床内径7cm,高60cm。

1.4 测试分析

1.4.1 塑料中灰分含量的测定

    根据标准方法ASTMD5630-06对样品中灰分含量进行测定。

    初始样品灰分含量测定:取喷涂前适量粉末样品于坩埚中,将坩埚置于马弗炉中,530℃下烧2h,冷却2h后称重,通过式(1)计算金属铝粉含量。
 

 
    沉积到测试板上的样品灰分含量测定:将粉末样品喷涂在标准测试板上,喷涂电压60kV,喷涂距离20cm,将喷涂上板后的粉末样品刮下置于坩埚中,后续步骤同初始样品灰分含量测试。

    为了计算沉积到测试板上灰分含量与初始样品灰分含量的差别,做如下定义:
 

 
    Δω为沉积到测试板上灰分含量与初始样品灰分含量差值百分比,可见Δω绝对值越小,喷涂后的样品中金属铝粉含量与喷涂前样品中金属铝粉含量越接近,说明邦定效果越好,过喷粉中铝粉含量与原粉中铝粉含量差值越小,越有利于回收利用。

1.4.2 SEM扫描电镜测试

    对样品进行SEM扫描电镜测试,在不同位置和倍数下观察金属铝粉与粉末涂料的形貌,辅助分析邦定效果。

2 结果与讨论
 
2.1 透明粉末涂料对灰分测定的影响

    灰分含量测定分析方法主要是利用高温下将透明粉末涂料灼烧去除,而只剩下金属铝粉。为了排除透明粉末涂料对灰分实验结果的影响,首先对透明粉末涂料单独进行了灰分测定,主要考察了经过高温灼烧,透明粉末涂料本身的灰分含量。

    取3份透明粉末涂料测定灰分,通过式(1)计算结果见表2。由表2实验结果可知,透明粉灰分含量ω值很小,基本可以忽略,透明粉末涂料对样品灰分测试基本没有影响,因为透明粉末涂料的主要成分是树脂,属于有机物,在530℃高温下燃烧分解。
 

         
2 2 对比样品灰分含量测试分析

    把未经过流化床湿空气法邦定的样品,即金属铝粉与粉末涂料简单混合均匀的样品作为对比样品,对其初始样品灰分含量和沉积到测试板上的样品灰分含量进行测定,实验结果见表3。由表3中可以看出,对比样品的Δω较大,为44.29%,说明喷涂上板的粉中金属铝粉含量远远高于原粉,过喷粉无法回收使用。
 

 
2.3 流化气体相对湿度的影响

    本研究所采用的流化床湿空气法中,相对湿度的高低(即流化气体中含水量的多少),直接影响铝粉表面PVA胶的润湿程度。若PVA胶能被很好地润湿,粘结性能变强,带胶铝粉可以很好的粘结粉末涂料,邦定效果提高;若PVA胶不能被润湿或者润湿程度不够,粘结性能较差,带胶铝粉不能粘结粉末涂料或者粘结不牢,邦定效果降低。实验中通过调节水柱高度得到4个湿度条件下的测试结果见表4,流化气体流量控制在0.9L·min-1,流化时间为20min。
 

 
    从表4中可以看出,灰分含量差值随流化气体相对湿度增加而减小。原因可能是流化气体相对湿度较高时,流化气体中含水量相对较高,铝粉表面的PVA胶吸收水分多,粘结性能变强,邦定效果提高。流化气体相对湿度较低时,湿空气不能很好地润湿铝粉表面的PVA胶,粘结性能不强,邦定效果降低。同时,从水分向铝粉表面PVA胶的传递动力学来讲,饱和湿空气可以快速的润湿铝粉表面PVA胶,实现高效率邦定。综上,选择饱和湿空气进行后续实验。
 
2.4 流化条件的影响

    流化实验中,流化时间是一个重要的影响因素。理论上流化时间越长,湿空气能更好地润湿铝粉表面的PVA胶,粘结性能越强,邦定效果越好。但流化的同时,颗粒间也存在相互碰撞与摩擦,长时间的碰撞摩擦和过湿的PVA胶不利于邦定。同样,在流化过程中,铝粉和底粉在气流作用下可以更好地分散,流化气体流量不同,床内整个粉体的混合强度不同,颗粒间的摩擦、碰撞强度也会不同,当流量逐渐增大时,流化床体粉体的流化状态会发生改变,影响金属铝粉与粉末涂料的粘结。

    为了考察不同流化时间和流化气体流量对金属铝粉和粉末涂料邦定效果的影响,实验中选取了5个不同流化时间:2、5、10、15、25min,4个不同流化气体流量:0.5、0.9、1.3、1.7L·min-1进行测试,其中0.5L·min-1为接近初始流态化下的气体流量,流化气体为饱和湿空气。实验结果如表5所示。
 

   
    从表5中可以看出,随着流化时间的增加,4个不同流化气体流量下的样品其灰分含量差值均先减小再增大,最后趋于不变。当流化时间为10min时,灰分含量差值最小。究其原因可能是:当流化时间为2min或5min时,流化时间较短,铝粉表面的PVA胶与湿空气接触时间短,湿空气还没能很好的润湿PVA胶或者润湿程度不够,PVA胶粘结性不强,不能使金属铝粉粘结粉末涂料。随着流化时间的增加,铝粉表面的PVA胶与湿空气接触时间变长,PVA胶吸收水分增加,被润湿的更好,粘结性变强,金属铝粉粘结粉末涂料,邦定效果提高。到10min时,灰分含量差值最小,说明此时金属铝粉与粉末涂料邦定效果最好。本实验中,流化时间为10min,流化气体流量为0.5L·min-1时,沉积到测试板上的样品与初始样品中金属铝粉含量差值最小为9.30%,邦定效果最佳。

    随着流化时间进一步增加,到15min时,灰分含量差值反而增大,邦定效果降低。这可能是由于流化时间为10min时,PVA胶已经被很好地润湿,继续增加流化时间,PVA胶被继续增加的水汽过分稀释,使得铝粉和底粉的结合力变弱。同时床体内的颗粒处于流化状态,气流不断搅动,颗粒与颗粒间也会发生碰撞和摩擦,当铝粉与底粉的结合力变弱时,容易使铝粉和底粉分开,邦定效果降低。15min时,部分粘连的颗粒由于摩擦碰撞而相互分开,同时分开后的颗粒又不断地相互联结,使得铝粉和底粉颗粒处于不断粘连与被吹散的动态平衡中。

    进一步增加流化时间到25min,在较大流化气体流量1.3L·min-1和1.7L·min-1时,床体内粉末间颗粒碰撞摩擦剧烈,颗粒在不断粘连分离中,25min时邦定状态较15min时未有明显变化。流化气体流量为小流量0.5L·min-1和0.9L·min-1时,床体内粉末间颗粒碰撞摩擦较温和,颗粒更易粘连,所以邦定状态较15min时有所提高。

    同时流量对于初始邦定也有影响。当流化时间为2min或者5min时,小流量0.5L·min-1的样品邦定状态要好于其他3个流量下的样品。从表6中可以看出,小流量0.5L·min-1时,床层膨胀率为1.14,流化状态略高于初始流态化,床层较为平稳,其他3个流量下床层膨胀率较大,为鼓泡流化状态,床层波动较大。因此在PVA未能完全被润湿(2min或5min),铝粉与底粉颗粒结合力较弱的情况下,较小的流化速度可以使颗粒保持粘连状态而不被吹开,从而使样品具有更好的邦定效果。
 

 
2.5 形貌分析

    为了更为直观地观察邦定效果的好坏,选取未邦定样品、邦定效果较好的样品、邦定效果一般的样品和邦定效果较差的样品进行扫描电镜测试,观察金属铝粉和粉末涂料的微观粘结状态。由于电镜拍摄点位的选取存在随机性,铝片与底粉颗粒的粘结状态也不一定能清晰显示,形貌分析在此仅作为定性的辅助分析手段。从图2中可以看出,未邦定样品(a)中的铝粉颗粒处于分散状态,邦定效果较好的样品(b)中铝粉颗粒与粉末涂料颗粒相互粘结,邦定效果一般的样品(c)中金属铝粉部分与粉末涂料颗粒粘结,邦定效果较差的样品(d)中铝粉与粉末涂料颗粒基本不粘结,与(a)中效果类似。
 
                                 
3 结论
 
   
本研究提出了一种常温金属粉末涂料邦定工艺,避免了热邦定带来的一系列复杂问题。金属铝粉与粉末涂料在以湿空气为流化气体的流化床中进行邦定。实验结果表明在本文所选范围内,流化气体相对湿度增大,邦定效果提高;流化时间增加,邦定效果先提高而后下降;小流量下(略高于初始流化状态)特别是在较短的流化时间内要稍好于大流量下的邦定效果。通过实验得到当流化气体为饱和湿空气,流化时间为10min,流化气体流量为0.5L·min-1时,沉积到测试板上的样品与初始样品中金属铝粉含量差值缩小到9.30%,邦定效果最佳。研究结果表明该法能够成功制备金属粉末涂料,促进金属粉末涂料在工业上的应用和发展。

 
 
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