CN1326490A - 粉末喷漆的固化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种通过以粉末喷漆涂布基材,并以近红外范围射线(NIR射线)辐照使粉末喷漆固化的方法,其特征在于,固化时间和/或在特定固化时间内借助辐照可达到的粉末喷涂基材的表面温度,可通过将粉末喷漆的硫酸钡和/或氧化铝含量,以粉末涂料组合物总重量为基准,调节在1～50wt%和/或将粉末喷漆的炭黑含量调节在0.1～5wt%来控制。

Description

粉末喷漆的固化方法
本发明涉及利用近红外射线(NIR射线)辐照对金属和非金属基材上的粉末喷漆实施固化的方法。
在金属的涂层中，用粉末喷漆形成的装饰或功能性表面涂层获得了广泛应用，这是由于该方法的效率高以及从环保角度受到好评的缘故。已开发出大量粉末喷漆配方，用于各种不同用途。目前现有的粉末喷漆固化方法要求首先通过加热到超过粉末喷漆配制物玻璃化转变温度和/或熔点的温度使沉积到基材上的粉末熔融。例如，对流炉、红外辐射器或二者的结合被当作热源。在热固化系统的情况下，粉末涂层的固化通常是通过将整个待涂物体置于140～200℃之间加热约10～30min的时间来实现的。
在紫外固化粉末喷漆配制物的情况下，按传统方式熔融的粉末涂层借助紫外射线在数秒内完成固化。粉末喷漆一般是通过双键或环状醚按自由基或阳离子反应机理聚合而固化的。
这2种方法都存在相当多的缺点。热固化粉末喷漆要求在高温下持续约20～30min；一方面，这样高的温度不允许在温度敏感表面，例如木材或塑料上施涂，另一方面其中的金属组分需要大量能量。若采用紫外固化粉末喷漆，则要求2个加工阶段，因为首先必须通过加热使所有粉末先熔融，然后再在第2步中利用紫外射线进行固化。再者，涂层较厚的颜料着色粉末喷漆在固化上有困难，因为紫外射线会被赋予颜色的组分吸收，这使得涂层完全固化变得越发困难。
最近开发的用于产生750～1200nm波长范围的近红外(NIR)高强度射线技术为喷漆配制物的固化提供了另一种可能。然而分析化学或工艺控制领域使用的NIR射线，强度上不足以加热基材或者引发化学反应，例如喷漆的交联。
“粉末喷漆在数秒内的固化”一文(Kai Br，JOT2/98)叙述道，粉末喷漆可借助高强度NIR射线在基本上不加热基材的情况下实现固化。NIR技术使得粉末喷漆在单一加工步骤内完成熔融并固化成为可能，同时克服了上面所描述的传统热固化和/或紫外固化存在的缺点。实现了整个喷漆涂层的均匀加热以及射线在金属表面上的反射。然而，没有提到尤其适合这一固化方法的粉末喷漆，以及具体开发出怎样的方式来利用NIR射线固化此种专门配制的粉末喷漆。
德国专利申请19806445.4描述了一种尤其适合用于利用NIR射线固化的粉末喷漆用粉末喷漆基料。有关用此种基料生产的粉末喷漆的吸收行为，以及该吸收行为对固化特性和涂层性能的影响，文中均未提及。
特别是，具有相同基料体系但其余成分的组成不同的颜料着色粉末喷漆可能在NIR固化中在吸收行为上表现出相当大的差异。在诸如射线强度和辐照时间等均相同的条件下，观察到漆膜的不同加热速率和不同固化速度。例如，按先有技术，传统商业白色粉末喷漆(Durotherm AL93-9010，Herberts Pulverlack公司)，当用传统工业NIR射线源(可由Messrs Industrie SerVis获得)辐照时，在30s内完全固化；然而具有相同基料基础(Durotherm AL93-9017，Herberts Pulvetlack公司)的传统商业黑色粉末喷漆，也对应于先有技术，在相同辐照条件下却达到5s的固化时间。
因此，本发明的目的是提供一种固化粉末喷漆的方法，它能够借助NIR射线来固化粉末喷漆，不论采用什么颜色或基料体系以及其他喷漆成分，其固化时间和基材表面温度实际上一样。再有，还应能够调节粉末喷漆在NIR范围的吸收行为，以便使吸收特性适应要求的施涂条件，例如膜厚或待涂基材。
在本发明中业已证明，粉末喷漆组合物的吸收行为可通过改变其硫酸钡和/或氧化铝和/或炭黑含量而加以改变和/或适配，以便达到要求的条件。
因此，本发明提供利用硫酸钡、氧化铝和/或炭黑来控制用近红外范围射线(NIR射线)固化时粉末喷漆的吸收行为，特别是控制固化时间和/或粉末喷漆涂布基材的表面温度。
本发明还提供一种通过以粉末喷漆涂布基材，并以近红外范围射线(NIR射线)辐照使粉末喷漆固化的方法，其特征在于，固化时间和/或在特定固化时间内借助射线可达到的粉末喷漆涂布基材的表面温度，可通过将粉末喷漆的硫酸钡和/或氧化铝含量设定在1～50wt％和/或将粉末喷漆的炭黑含量设定在0.1～5wt％来控制，其中重量百分率，每种情况均相对于整个粉末喷漆组合物而言。
本发明的程序是，在粉末喷漆中总硫酸钡和氧化铝含量不超过50wt％，而如果另外还存在炭黑的话，总硫酸钡和/或氧化铝含量连同炭黑一起不超过55wt％。
硫酸钡和/或氧化铝和/或炭黑含量决定性地影响整个粉末喷漆组合物的吸收行为，并使NIR固化特性得以调节到适合特定目的。例如，提高硫酸钡和/或氧化铝和/或炭黑含量，粉末喷漆组合物对NIR波长范围射线的吸收能力可大大增加，并且在恒定射线条件下可达到较高表面温度和较短固化时间。
再有，粉末喷漆组合物的吸收行为可调节到适合该粉末喷漆的具体用途。例如，视基材情况而定，可能希望提高漆膜对射线的吸收，以便尽量减少对基材的加热。在这种情况下，优选将配方的硫酸钡和/或氧化铝和/或炭黑含量被提高到，例如，上面所给出用量的上限范围(wt％)。
对于非常厚的粉末喷漆涂层，可能需要减少NIR吸收以保证位于较深处的粉末涂料得以熔融和固化。如果NIR吸收过高，则全部射线都将被漆膜表面吸收，从而导致流动性变差以及基材表面的涂层固化不完全。
适合此种场合的粉末喷漆组合物是，硫酸钡和/或氧化铝和/或炭黑含量降低到，例如，上面所给出用量的下限范围(wt％)的。
在薄涂层的情况下，为达到尽可能高的加热和固化速度，粉末喷漆组合物具有高NIR吸收可能是合意的，因此使用较高硫酸钡和/或氧化铝和/或炭黑含量。
按照本发明，采用1～50wt％，尤其是5～35wt％含量的硫酸钡和/或氧化铝，和/或0.1～5wt％炭黑含量，每种情况均相对于整个粉末喷漆组合物而言，是本发明粉末喷漆组合物的恰当设定。
已证明，硫酸钡和/或氧化铝和/或炭黑，不论其改性、颗粒尺寸以及在结构和组成方面任选存在的差异如何，均可使用。
其余的粉末喷漆成分，例如树脂、颜料和添加剂，也对整个组合物的NIR吸收行为有贡献，尽管它们的贡献明显地小于按照本发明的硫酸钡和/或氧化铝和/或炭黑含量的贡献。
如果起点是已经含有高硫酸钡、氧化铝和/或炭黑的粉末喷漆，则该粉末喷漆组合物中硫酸钡和/或氧化铝和/或炭黑含量方面的改变也可用其他颜料和/或填料予以补偿。例如为延长固化时间，硫酸钡和/或氧化铝可部分地更换为对NIR射线吸收非常低的其他填料。此种颜料和/或填料例如可以是碳酸钙、二氧化钛、氢氧化铝、白云石和滑石粉。
如果改变硫酸钡和/或氧化铝含量，也可任选利用颜料着色来补偿轻微的色移。炭黑含量的变化会导致相当大的颜色改变。
本发明粉末喷漆可包含的其他成分是传统基料/硬化剂体系，例如聚酯树脂配以低分子量环氧或羟烷基酰胺硬化剂、环氧/聚酯混杂体系、环氧树脂配以二氰基二酰胺硬化剂、羧酸硬化剂或酚类硬化剂，或者也可以是环氧官能化的丙烯酸酯树脂配以羧酸或羧酸酐硬化剂，乃至传统颜料和/或填料和传统添加剂，例如流动控制剂、脱气助剂、凸纹剂(texturing agent)。可用传统有机或无机颜料给本发明粉末喷漆配制物着色。
可用于本发明的粉末喷漆可按传统方式制备；硫酸钡、氧化铝和/或炭黑可与其余粉末成分按传统方式混合在一起，或者结合到诸如基料和/或硬化剂之类的粉末成分中。
该粉末在待涂基材上的施涂可采用例如已知的静电喷涂法利用Corona或Tribo喷枪，或者采用其他适合粉末施涂的方法来实施。
为达到固化，施涂上去的粉末喷漆组合物，例如可利用传统高能NIR辐射器，例如白热灯丝的辐射器表面温度介于2000～3000K者进行辐照；例如发射光谱最大值例如介于750～1200nm的辐射器是合适的；其输出例如大于1W/cm2，优选大于10W/cm2；辐照时间，例如介于1～300s。辐照时，粉末首先熔融，然后固化，例如在1～300s内完成。
为实现固化，也可采用NIR辐射器与传统热源如对流炉或红外辐射器的组合。需要的话，还可借助NIR射线反射器实现对三维物体的均匀辐照。
本发明方法尤其适合涂布温度敏感的基材、涂布大而实心的结构零件或者涂布要求高固化速度的对象。温度敏感基材的例子是天然木材或以木材为主的材料表面、塑料表面或另外包含其他热敏感组成部分，例如液体或润滑剂的金属零件。传统金属基材也可涂布。
特别是，也可在管道、混凝土增强用金属部分或结构要素上涂布功能涂层，以及表面面积过大而无法在炉内加热的零件的涂布，例如钢结构、桥梁、船只。
本发明方法还可用于涂布速度大于100m/min的卷材涂布法中。
本发明方法能够调节粉末喷漆的吸收行为，因此尤其可实现粉末喷漆的可控固化行为以及涂布基材的可控表面温度。不同颜色或基料体系的粉末喷漆可由NIR射线在相同条件下进行固化，这意味着在一个涂布车间，用不同粉末喷漆进行粉末喷漆的加工者将获得相当大的便利。因此，例如可以在粉末加工期间很快地改变颜色，而不需要进行复杂的车间参数如固化时间和射线源强度的调整，便可适应新的颜色。
本发明方法用硫酸钡、氧化铝和/或炭黑改性的粉末喷漆可有利地用于该借助NIR射线的固化方法中，生产出质量优异的涂层。
下面的实施例用于说明本发明。
表中列出的粉末喷漆配方通过粉末喷漆的传统生产方法利用诸成分的剧烈混合、挤出和研磨而转化为涂料粉末。该粉末利用Corona粉末喷枪依靠静电喷涂原理喷涂到铝试样片上形成相同厚度的漆膜。固化是在由Messers Industrie SerVis提供的备有输出为400kW/m2最大值的NIR辐射器的卷材喷涂线上进行的。该射线强度以及辐射器与基材表面之间的距离保持恒定。辐照时间通过改变卷材速度来改变。该表给出的辐照时间对应于使涂层完全固化(固化时间)的卷材速度。以机械性能和耐溶剂能力作为固化的检验标准进行测定，并与相同配方放在循环风烘箱内按传统方式进行高温烘烤的样品进行比较。表中给出的固化时间对应于参照样品性能采集时的卷材速度。
各个单独基料体系内，配方组成在很大程度上基本上保持恒定。硫酸钡、氧化铝和炭黑含量方面的改变是通过在配方中替换为二氧化钛来实施的，以便其余的主要成分的浓度得以维持不变。给出的所有数量均以重量百分数表示。
不符合本发明的配方标以星号。未达到固化的实验用“n.c.”标出。在这种情况下，因辐照时间过长而出现流动问题或气泡时，仍不能实现漆膜的固化。
实例1：
以聚酯和Aral dit PT910(汽巴化学公司)为主的室外耐天候老化粉末喷漆。
所有配方均含有57％聚酯树脂、5.2％Aral dit PT910硬化剂和4.5％流动控制剂和脱气剂。红色粉末喷漆系由1％无机红色颜料着色的。黄色粉末喷漆由2％无机黄色颜料着色。
实例1表格
代号 颜色 硫酸钡含量(wt％) 氧化铝含量(wt％) 二氧化钛含量(wt％) 固化时间(s)
1.1* 黄 0 0 31 n.c.
1.2 黄 13 0 18 12
1.3 黄 26 0 5 9
1.4 黄 31 0 0 8
1.5* 红 0 0 33.2 n.c.
1.6 红 16 0 17.2 10
1.7 红 24 0 9.2 9
1.8 红 33.2 0 0 8
1.9 黄 0 20 11.3 12
实例2：
基于环氧树脂的粉末喷漆
所有配方均含有60％环氧树脂、3.3％二氰基二酰胺硬化剂和1.4％脱气剂及流动控制剂。
实例2的表格
代号 颜色 硫酸钡含量(wt％) 二氧化钛含量(wt％) 炭黑含量(wt％) 固化时间(s)
2.1* 白 0 35.3 0 n.c.
2.2 白 20 15.3 0 13
2.3 白 35.3 0 0 10
2.4 灰 35 0.2 0.1 3.5
2.5 灰 25 10.2 0.1 3.7
2.6 灰 15 20.2 0.1 4
2.7 灰 0 34.3 1 5
实例3：
以聚酯/环氧混杂基料为主的粉末喷漆
所有配方均含有40.4％聚酯树脂、18％环氧树脂、1.6％流动控制剂和脱气剂，以及3％有机蓝色颜料。
实例3的表格
代号 颜色 硫酸钡含量(wt％) 二氧化钛含量(wt％) 固化时间(s)
3.1* 蓝 0 37 n.c.
3.2 蓝 15 22 9
3.3 蓝 35 2 7

Claims (6)

1.一种通过以粉末喷漆涂布基材，并以近红外范围射线(NIR射线)辐照使粉末喷漆固化的方法，其特征在于，固化时间和/或在特定固化时间内借助射线可达到的粉末喷漆涂布的基材的表面温度，可通过将粉末喷漆的硫酸钡和/或氧化铝含量设定在1～50wt％和/或将粉末喷漆的炭黑含量设定在0.1～5wt％来控制，其中重量百分率，每种情况均相对于整个粉末喷漆组合物而言。
2.权利要求1的方法，其特征在于，使用5～35wt％硫酸钡和/或氧化铝。
3.权利要求1或2的方法，其特征在于，使用强度分布最大值介于波长范围750～1200nm的NIR射线。
4.权利要求1～3的方法，其特征在于，每种情况的辐照并固化发生在1～300s内。
5.硫酸钡、氧化铝和/或炭黑在以近红外范围射线(NIR射线)辐照固化期间用于对粉末喷漆吸收行为控制的应用。
6.硫酸钡、氧化铝和/或炭黑在以近红外范围射线(NIR射线)辐照固化基材期间用于对固化时间和/或粉末喷漆涂布基材表面温度控制的应用。
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