超细粉末涂料和功能粉末涂料的制备技术与工业应用

张海萍1  邵嫒嫒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：本文介绍了西安大略大学颗粒技术研究中心所开发的先进粉末涂料技术，包括超细粉末涂料技术和低温固化、抗菌、疏水、耐高温、防腐等功能性粉末涂料技术，以及与之相关的新型粉末涂料加工和喷涂技术。      

前言

粉末涂料具有不用溶剂、无污染、节省能源和资源、减轻劳动强度和涂膜机械强度高、耐候性好等特点。同时其生产效率高且便于实现自动化涂装，生产过程基本无“三废”排放，产品回收率接近100％。它已成为发展迅速的绿色环保的涂料新产品和新工艺，是公认的4E(efficiency高效,excellence高性能,ecology环保,economy经济）型涂料产品。

由加拿大皇家学院院士、加拿大工程院院士祝京旭院士领导的加拿大西安大略大学颗粒技术研究中心（Particle Technology Research Centre, PTRC）数十年来一直致力于先进粉末涂料技术的研究和工业应用，已与国内外数十家科研机构及企业合作实现产学研一体化。2014年，祝京旭院士和天津市千人计划张辉教授在天津大学建立颗粒学和流态化技术研究课题组（Particle and Fluidization Technology Research Laboratory），成为国内首家具有完整粉末涂料全流程研究的高校科研团队。国内外团队拥有完整的从前端到终端的粉末涂料制备、涂料粉体性能检测、喷涂工艺和涂层性能测试设备，主要研究方向涉及粉末涂料的各个方面，包括超细粉末涂料技术，低温固化、抗菌、疏水、防腐、耐高温等功能性粉末涂料技术，金属粉邦定技术，颗粒分级技术，粉末喷涂设备改造等。                 

1 超细粉末涂料技术

粉末涂料与传统油漆相比，具有漆膜机械性能好、无污染、成本低、易操作、可回收（利用率高）等优点。但现行的粉末涂料表面外观质量不如油漆；漆膜厚度较大（一般是油漆膜厚的2-3倍），造成浪费，而且过厚的漆膜还导致附着力、弯曲性能等漆膜指标降低。这些缺点是由于现行的粉末涂料颗粒粗大（大于35微米）所造成。减小涂料颗粒粒径，可以改善涂膜性能。但当颗粒细到25微米以下时，按粉体技术中常用的Geldart分类法，粉体就变为了极易聚团、难于操作的C类颗粒，无法进行喷涂施工。

针对超细涂料由于范德华力等团聚力的作用，无法流化和喷涂的问题，自上世纪九十年代初以来，全球许多公司和研究机构都一直在进行超细粉涂料项目的研究。目前国外最领先的“薄膜型”粉末涂料的平均粒径最小能做到26-29微米，对应的漆膜厚度一般在55微米以上。这种“薄膜型”粉末涂料只能算是“偏细粉末涂料”，还不是真正意义上的超细粉末涂料。西安大略大学颗粒技术研究中心（UWO-PTRC）采用全新的纳米添加剂技术及生产工艺成功地解决了小于25微米甚至更细粉末涂料的团聚问题，实现真正的超细粉末涂料（小于25微米）的喷涂。该技术采用特殊配方的纳米添加剂和独特的生产工艺（添加方式），使纳米添加剂均匀分布和牢固地附着在涂料颗粒表面，涂料颗粒间的相互吸引力（团聚力）大大降低（降低几十倍到几百倍），从而使聚团的、无法喷涂的超细粉末涂料具有极高的流动性和可喷涂性，能够直接在现有喷涂设备上使用。

采用这种超细粉涂料既实现了超薄喷涂（膜厚小于40微米）《表1），大量减少涂料用量，降低用户成本，节约资源，又能大大提高粉末喷涂的外观质量，得到近似液体涂料那样薄而平整的涂层（表1，图1）。由于超细粉末涂料优异的流平性，使其不仅可用于所有现行粉末涂料所使用的场合，而且可以满足高端应用市场的需求，大幅提高粉末涂料的应用范围。

2 功能粉末涂料技术

2.1 低温固化粉末涂料技术

低温固化粉末涂料被誉为绿色涂料中的绿色产品，是涂料行业公认的发展方向。它除了不含任何溶剂外，施工过程中的能耗指标和生产效率都比普通粉末涂料更优越。近年来世界几大涂料公司都投入大量资源研发低温固化粉末涂料，但受制于关键的技术瓶颈，目前它的产量仍很小、市场应用不宽，其市场占有率不到1％。粉末涂料的低温固化特性一般是靠改变涂料的树脂系统以及在原料中添加固化促进剂来实现的。低温固化粉末涂料能有效降低炉温或缩短烘烤时间，达到节能和提高生产效率的目的。这种传统的低温固化技术在生产和使用中会遇到三大问题：第一，生产较困难。原料中的固化促进剂降低了热挤出的上限温度，使涂料的生产过程更难操控，废品率高。第二，运输储存困难。低温固化粉末涂料容易预固化，增加了涂料的运输和储藏的难度，同时还影响了最终漆膜的表观性能。低温固化粉通常需要冷藏车运输，并储藏在冷藏库中。第三，涂层表观质量下降大，一般表现为橘皮纹增加和表面光泽下降。这些问题与困难大大提高了低温固化粉末涂料的成本，缩小了它们的使用范围和使用便利性，其节能的优势也被掩盖和遗忘。

UWO-PTRC团队开发了一种新型低温固化技术来解决传统低温固化粉末涂料所遇到的问题与困难。这项技术使用了一套独特的干混式固化催化剂DBC（Dry-blended Catalyst）来代替现有的低温固化催化剂。避开了热挤出过程，而是直接干混入成品粉，从而不会造成粉末生产上的困难。同时，DBC在粉末涂料成膜之前，并不与树脂和固化剂发生作用，因而有效地避免了预固化，保证了涂料运输、储藏的方便性以及漆膜的表观性能不受影响。这项技术完全解决了传统低温固化粉末涂料的生产和运输储存问题，大大降低了成本，扩大了使用范围，使其节能的优势得以更好地运用于工业生产中。

以一种黑色高光纯聚酯粉末涂料为例，使用PTRC低温固化技术，可使固化温度从200℃降低到165-150℃，节能15-20‰或在相同温度下使固化时间缩短一半，能耗降低50％。同时涂料成本与普通高温涂料相仿，涂膜的各项物理化学性能均达到普通高温粉末涂料的指标（表2）。这一新技术可用于生产纯聚酯粉、环氧·聚酯混合粉、环氧粉以及聚氨酯粉等的各种粉末涂料，具有广泛的适用性，是一项引领粉末涂料发展方向、促进环保、带动涂料行业产业升级的绿色环保技术。

2.2 抗菌粉末涂料技术

抗菌涂料是一种具有杀菌（含病毒）功能的涂料。它能在数分钟至数小时内将涂层表面的细菌和病毒杀死，避免许多疾病的传播。其抗菌功能来自于加入到涂料中的抗菌功能材料。抗菌涂料在医院设施、医疗用品、食品加工业、办公楼、公共交通工具、家用电器、个人电子产品、儿童玩具等领域有着....