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粉末涂料在铝型材喷涂中的应用
摘要：本文主要讨论粉末涂料应用在铝型材上种类及性能，具体探讨了铝型材用粉末涂料喷涂的处理的特点，以及喷涂时注意事项，最后附录中有一份铝型材用粉末涂料国家标准。
关键词：铝型材；粉末涂料；喷涂处理；注意事项；盐雾；人工加速老化；
１．前言
自20世纪70年代初粉末涂料问世以来，粉末涂料因完全不含溶剂，可以全部转化成涂膜，涂装效率高，保护和装饰性综合性能好等优点，受到全世界的广泛重视，从而获得飞速的发展．金属型材以期优异的耐久性，装饰性和加工成型性的特点，广泛应用于建筑物的各个方面．而铝型材因其加工性能佳，质轻等特点，用量占金属型材的80%以上．粉末涂料在铝型材方面的应用得到了迅速增长．目前，粉末涂料应用在铝型材方面的应用已经由欧洲扩大到美洲，澳洲，远东，中东和非洲．
目前，铝型材的表面处理方式大体存在着阳极氧化、电泳涂装及粉末喷涂三种处理方式，每一种方式都各有优势，占有相当的市场份额。在铝型材的涂装中，具有代表性的粉末涂料品种有环氧型，聚酯型，丙烯酸型及有机硅树脂粉末涂料等，作为应用，如部分铝框架，门窗，阳台，走廊，隔墙板等高防腐蚀性铝型材，大多数采用聚酯，丙烯酸粉末涂料，此外，由于环氧树脂粉末涂料具有优异的附着性，防腐蚀性，但耐候性较差，故一般用于户内或者作为底漆用．
2.铝型材粉末涂料的制造种类及性能
目前常应用于铝型材中的粉末涂料为耐候性聚酯粉末涂料，粉末涂料用的聚酯树脂大多数为饱和型的，通常我们按其端基的结构可分为端羧基和端羟基两大类。
端羧基聚酯的数均分子量在2000-8000之间，酸值从20-100 mgKOH/g。其中，中、高酸值（45-85）一般用于环氧/聚酯混合型粉末涂料中，低中酸值（20-45）的聚酯用异氰脲酸三缩水甘油酯（TGIC）、羟基酰胺作固化剂制备耐候性卓越的纯聚酯粉末涂料。
聚酯/TGIC粉末涂料耐侯性能，按照佛罗里达天然暴晒测试结果分类，可将该体系的粉末涂料分为三类：
1）标准型耐候型粉末涂料（可通过佛罗里达暴晒实验标准1-2年）
2）改进型耐候型粉末涂料（可通过佛罗里达暴晒实验标准2-3年）
3）超耐候型耐候型粉末涂料（可通过佛罗里达暴晒实验标准5年以上）
通常用的铝型材的TGIC固化聚酯的基本参考配方如下：
聚酯树脂（酸值32-40） 600
TGIC 42
钛白 200
沉淀硫酸钡 50
群青 0.2
安息香 5
流平剂 10
其它助剂 20
当然，市场也有提供10-20年的产品，最近，已开发出一种可利用一般粉末涂装生产线进行涂装的热固性氟树脂粉末涂料。这种热固性氟树脂粉末涂料的耐候性、保光性、耐久性要比环氧树脂粉末涂料、聚酯树脂粉末涂料以及丙烯酸树脂粉末涂料都要好，甚至可以与溶剂型氟树脂涂料相媲美。对于铝型材用的耐侯性粉末涂料，可以查阅本人编写的＜粉末涂料配方技术及相关理论＞(V1.2版，2005年＜粉末涂料与涂装＞培训班材料），此处不在一一叙述，只是对其做简单的比较和概括。如下表：

性能
 
 
体系
 特点
性能
优点
不足
 外观
机械性能
耐化学品性
耐候性
 
聚酯/TGIC
占耐候性粉末涂料市场中的35-40%
TGIC有一定毒性，国外已限制使用
8
8
7
8
 
聚酯/Primid
Primid是目前性能最接近TGIC类的无毒替代品，占耐候性粉末涂料市场的30-35%
该体系涂层致密性不够，易泛黄
6
8
7
8
聚酯/PT910
 
TGIC替代型固化剂
耐热性，耐候性比TGIC略差
8
7
8
6
 
聚酯/Link1174
甘脲类固化剂，用于固化羟基聚酯，占耐侯性粉末涂料市场的5-8%
固化过程有甲醇放出，易出现针孔、气泡，储存稳定性较差
7
8
8
8
聚酯/有机硅
以硅氧键O-Si-O为主键链，有良好的综合性能
 
7
7
9
9
聚酯/氨基甲酸酯
综合性能优良，占耐候性粉末涂料市场的15-20%
固化时释放封闭剂 ，气味难闻
10
7
9
8
聚酯/丙烯酸
涂层的各项性能优异，尤其光滑度、饱满度
无光体系的抗冲击差
9
7
7
9
丙烯酸/葵二酸
 
特出的保光保色性，附着力优异，易于薄涂
 
9
9
8
9
氟树脂
优良的耐酸雨、臭氧、紫外线，户外使用年限长
颜料不易分散，涂膜表面光泽低
8
8
10
10
说明：表中数字，1级表示最差，10级表示最好

２． 铝型材粉末涂料喷涂处理特点
粉末涂料喷涂处理方式在铝型材表面处理的应用经过一段时期的发展低潮后，现在经过近几年的与其他处理方式对比使用，一些优点已得到了业界的普遍认同，成为现在国内铝型材公司表面处理中的一个热点，也是许多新老铝型材厂家竞相引近的项目，通过与其他处理方式的生产过程对比来看，粉末涂料喷涂存在着以下优点：
(1)加工工艺相对较为简单。对一些主要的技术参数已经可以实现微电脑控制，有效地降低工艺操作难度，同时辅助设备大为减少．如：通风设施、加热管道、冷冻装置；
(2)成品率高．一般情况下，如果各项措施得当，可最大限度地控制不合格品的产生；
(3)能耗明显降低，在普通的阳极氧化、电泳涂装的生产过程中，水、电的消耗是相当大的，特别是在氧化工序。整流机的输出电流可达到8000-11000A之间，电压在15～17.5V之间，再加上机器本身的热耗，需要不停地用循环水进行降温，吨电耗往往在1000度左右，同时辅助设施的减少也可以降低一些电耗；
(4)对水、大气的污染程度降低，碱、硫酸及其它液体有机溶剂的不再使用，减少水及大气污染，也有效地提高铝型材与作为环保产品的塑钢型材的竞争实力，相应地减少了一些生产成本；
(5)工人的劳动强度明显降低，由于采用自动化流水线作业，上料方式以及夹具的使用方式已经得到明显简化，提高了生产效率，也降低了劳动强度；
(6)对毛料的表面质量要求标准有明显降低，粉末涂层并且可以完全覆盖型材表面的挤压纹，掩盖一部分铝型材表面的瑕疵，提高铝型材成品的表面质量；
(7)涂膜的一些物理指标较其他表面处理膜有明显提高，如硬度、耐磨性、耐酸性，可有效地延长铝型材的使用寿命。
当型材用粉末喷涂再结合热转印技术，使其更具有更时尚的潮流，使粉末喷涂型材具有了更大的发展空间。
3。粉末喷涂型材生产过程中应注意的几点问题
(1)夹具的制作
夹具从整体上来看分为两种，一种是放于型材两端的夹具，另一种是放于型中间部位的夹具，两者在应用上有显著的不同。两端挂放的夹具应保证其能承受相当重量的压力，因为在上料方式上采用一种类似串联的连结方式，受型材自重及挂具与型材接触面积较小的影响，使挂具必须保持相当的承重力；中间部位使用的夹具在制作及使用过程中应遵循一个基本原则，那就是应尽量减少夹具与型材的外表面(即建筑装饰面)接触点的大小，接触点阻碍了粉末在型材表面的吸附，形成一些细小的瑕疵；接触点越大，瑕疵的面积越大，所以应尽量减少夹具型材的接触面积，另外中间部位的夹具在设计中有一个竖向放置的挂杆，在生产过程中吸附了一些粉末，阻碍了粉末在后面型材上的吸附，所以应及时对这些部位进行补粉。
（2）型材的挂具
型材的挂具中的挂放位置也应遵循相应的原则，包括复杂面尽量放于水平位置，水平左右两面是最易吸附粉末的地方，并且最复杂的一面尽量偏向于同一个方向，这时偏向一面的喷枪出出粉量及压缩空气的压力可适当提高，而且粉末喷出方向与凹槽处于平行位置，喷粉的力度易于粉末的吸附。对于一些凹槽较深的型材。增加出粉量与推近喷枪与型材的距离都是适用的。表面积较大或结构复杂的表面应禁止放于向下的位置，同时也要区分型材的装饰面与非装饰面。一般情况下，消费者对型材装饰面的要求往往高于对非装饰面的要求，与墙壁及型材之间的咬合可掩盖一部分瑕疵。对于一些形状特殊的型材，及时调整夹具的位置，使型材在挂具的位置保持一定的倾斜角度，以增强运行过程中的平稳性，易于粉末吸附。另外对于一些重量较重的型材在使用中间位置的夹具时，应使弯头部分具有一定的弧度，因为重量较大时，产生类似翘尾现象，在运行过程中容易产生脱落现象，夹具的弧度可以保证型材处于垂直位置上，确保生产过程顺利。另外导电梁及挂具随着循环使用次数的增多，涂膜会越积越多。涂膜本身是不导电的，会影响导电梁及挂具的导电性，进而影响到粉末在型材表面的均匀分布，导电梁及挂具上的涂膜应选择适当的方式进行清除。可以参见本人的《粉末涂料涂膜的脱除》一文，此处不再叙述。
(3)前处理工序较普通的氧化处理的前处理工序较简便
主要为脱脂与硌化，原料消耗较低，日常维护工作相对来说比较容易。在前处理工序我们应注意的事项。为了提高生产效率，并且减少烘干过程中的能耗，前处理过程中多采用比较大的料架，尽可能多装待处理的型材，型材间的间隙及疏密程度是前处理过程中首先考虑到的问题。对于一些质地较软的型材，应多在型材中间位置放置横旦，并且让凹槽部分尽量向下放置，这样有利于水份的蒸发。当烘干过程完毕后，仍有水份残留时，为避免破坏型材表面的硌化膜，及温度过高时型材容易产生变形，不应再放入炉内烘烤，可采用凉干或用气枪吹干的方式。另外型材出入各槽及在滴干过程中，必须保持适当的倾斜角度，但容易造成部分型材滑落，应采用在料架某一端头部分捆绑千块钢丝网作为预防措施。
(4)喷房中应注意的问题。
喷房生产是喷涂生产过程中的关键工序，喷涂型材表面质量的好坏关键在于喷涂过程中各项工艺参数的控制。出粉量及雾化空气是两项关键的技术指标，正式喷粉前，可试喷几次，这时可在喷房两端观察出粉量的大小及粉末分布的均匀程度。此时的粉末在距离喷枪端头10cm-15cm以内部分沿直线运行、以外部分便是以雾化粉形式存在，吸附在型材表面的粉末其实就是这种雾化效果的粉末，是否存在这种雾化效果的粉末是作为控制喷枪与型材之间距离的标准。除了工艺参数以外，一些必要的细小环节也应要注意。
(a)喷枪的位置，
喷枪应保持一定的倾斜度，偏向于型材运行的方向，喷枪在排列上保持竖向平行，端头部分保持在一条直线上，喷枪之间不应有重叠部分，上、下喷枪的位置以粉末覆盖所有型材为宜。
(b)流化气压的控制，流化床的作用是利用气流的作用，使粉末形成一种适当的流化状态，手感类似于液体流动的状态，检测流化达到充分状态，最简单的操作是：用手或棍棒搅动粉末时，感觉不到阻力的存在。流化便于粉末吸入导管，在加速风的作用下，产生雾化的效果，压力不足或压力过大都会造成流化不充分的产生。
(c)粉末的回收再利用，吸附于型材表面的粉末仅占所有喷枪出粉量的1／3左右，散落在喷房内的粉末较多，回收粉必须与新添加粉按适当的比例混合使用，效果比较好，所以粉末应及时回收再利用。
(d)喷房内的封闭性，粉末容易受到外界空气悬浮物的污染，喷粉后型材表面容易产生絮状物或缩孔，经烘烤后影响到型材表面的平整性，所以喷房应采取封闭措施，防止污染物的侵入。
(e)气管内残留粉应及时进行清理清洁，长时间不用，容易结块，粉末容易产生吐粉的现象，影响喷涂效果。
(f)备用粉桶，以备换粉时使用，可有效提高劳动效率，备用粉桶防尘、防潮等保养工作必须做好，保证粉桶内剩余粉的质量，
(g)此外补粉的工作也应得到重视，虽然各项技术参数在生产正常前已调试完，也要时时通过补粉窗口对型材进行不间断的监控，发现粉末较浅及未吸附粉末的地方及时进行补粉。由于手动磨擦枪的喷出粉量较自动枪要大，所以手动磨擦枪用手摆动速度可适当加快。另外，某些型材由于自身结构的影响，喷粉过程中产生一些死角，即使通过补粉，也无法达到正常效果，这些位置应加以区分，切不可盲目进行补粉，否则粉末过多，涂膜较厚，影响到型材表面质量，又浪费了粉末。这种位置多位于凹槽较深，且宽度较窄的型材上面，这些凹槽大多位于型材的非装饰面．对于型材的整体外观效果影响并不是很大，原因在于凹槽中两个对立面处于同极且距离过于接近，形成了相互排斥的电场，即法拉第屏蔽效应，阻碍了粉末在凹槽内部的吸附。
(5)烤炉生产过程中应注意的问题，粉末喷涂生产过程中，由于生产线的限制，造成了型材在烤炉中的运行时间即完成了整个烘烤过程，尽管烤炉在操作程序上相对来说比较简单，但在工艺参数控制上要求比较严格，如输送带的运行速度、炉温控制，运行速度可由调整变频电机的频率进行控制，炉温控制涉及到的关键一点在于供气压力的调节，供气压力要求稳定在1kg/cm2左右，要实现这个要求，一般采用管道煤气，运用加压机不断对供气压力进行调整，确保燃烧装置的正常运转。
(6)粉末喷涂生产过程中极易造成粉末污染，因此对操作人员特别是对喷房操作人员身体造成危害，所以要加强劳动保护工作，采取必要的防范措施。
（7）粉末涂料属于易燃、易潮物品，生产保管过程中，应注意防火，防潮。
3 结束语
目前，应用于铝型材涂装的粉末涂料，根据产品颜色的不同，我们可以提供5-20年的质量保证期，可提供高光（80%以上），半光（50-80%），平光（20-50%）和无光（20%以下）（按照标准ISO2813/60*）。同时提供皱纹，美术，砂纹等产品，不断满足铝型材客户的要求。
粉末喷涂是现阶段铝型材发展的一个重要趋势，粉末喷涂生产中的许多工艺也存在着许多需要改进的地方，要求厂家不断对现有工艺进行改造，以提高国内铝型材表面处理水平，推动铝型材行业向更新、更深、更高方向发展，满足消费者更高生活水准的要求。
参考文献：
１． 张华东，粉末涂料配方技术及相关理论(V1.2)，2005年＜粉末涂料与涂装＞培训班材料
2．冯素兰，粉末涂料，化学工业出版社，２００４，７
作者简介： 张华东（1978- ），男，安徽巢湖人，2001年毕业于安徽巢湖学院建材与化工专业。毕业后曾在广东一家外资粉末涂料企业工作，现在专门从事粉末涂料的研究、开发和客户处技术服务．2005年受邀于中国化工学会涂料涂装专业委员会在常州举办的“2005年粉末涂料技术培训班”，作为授课教师，主讲《粉末涂料配方技术及相关理论》的课程，从事讲学活动。已经在国内外公开发表的涂料类期刊上发表论文二十多篇．
附录1：
铝型材参照标准有GB/T5327.4《粉末静电喷涂铝合金建筑型材》，按国标应符合的涂层性能及检测方法：
检测项目 GB/T5327.4
光泽 60度光泽值
颜色和色差 标准色板目视对比，或者△E≤1.5
膜厚um 装饰面局部厚度≥40和≤120
硬度 压痕试验值≥80（GB9275）
附着力 划格法；0级
耐冲击性 1.0mm铝板（GB1732）正面无开裂和脱落，凹面允许细小皱纹
耐杯突性 1.0mm铝板（GB9753）
抗弯曲性 1.0mm铝板（GB6742）
耐化学稳定性 耐盐酸无气泡，耐溶剂（二甲苯）不软化，耐灰浆不脱落
耐盐雾腐蚀性 醋酸盐雾试验（GB10125）1000h，交叉划痕试板无脱落或腐蚀R≥9.5
耐湿热性 1000h试验（GB1740），变化≤1级即涂膜轻微变色，涂膜无气泡、生锈和脱落
人工加速耐候性 氩弧辐射（GB1865）250h，涂膜不发生粉化，无可见开裂，保光率85%以上，即轻微失光，轻微变色。
耐沸水性 沸水2h后无气泡，皱纹、水斑、脱落等，允许颜色有轻微的变化 6/7/2006

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