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六大功能性粉末涂料,未来发展主流趋势

越来越多的涂料用户欣赏粉末涂料的无污染、贮存稳定、易运输、节省资源和高效率等优点,需求支持下粉末涂料种类日渐趋多,应用范围广泛,从小尺寸零部件到各种大型设备的涂装均能看到粉末涂料的身影。市场预计,到2026年全球粉末涂料市场规模预计将达到150亿美元,复合年增长率为6.8%。
值得注意的是,我国粉末涂料主要包含环氧、聚酯以及环氧/聚酯粉末涂料,高档的丙烯酸、聚氨酯和氟碳粉末所占比例很小,比例不到1% 。外资生产企业占据我国高端粉末涂料市场80%的份额,国内大部分粉末涂料企业创新力不足,技术水平相对落后,生产的粉末涂料以普通粉末涂料为主。
目前,普通粉末涂料市场已经出现供大于求的局面,市场竞争的加剧,核心竞争力不足的企业被市场淘汰。这促使企业不得不转型升级,将目光集中到高端粉末市场,向具有特殊功能的功能性粉末涂料发展,以满足特定用途的表面涂装。
功能性粉末涂料是指适用于特定场合、具有特殊功能的粉末涂料。它在传统的保护和装饰作用基础上,赋予了涂料包括绝缘、防腐、防水、耐高温和防辐射等多种特殊性能。按照功能可分为防腐蚀型、耐候型、耐热型、疏水型和抗菌型粉末涂料等多种类型。同时随着粉末涂料的发展,也正在涌现如防蚊型、抗涂鸦型等新型的粉末涂料。
功能性粉末涂料涵盖了人类生活的方方面面, 例如,防腐蚀粉末涂料覆盖管道设施、能源设施、公路交通、海洋设施和军工设备等领域。但是,我国功能性粉末涂料发展较为缓慢,除装饰型、防腐型、耐候性粉末涂料外,其它功能性粉末涂料均发展不大。
基于此背景,本文重点对重防腐粉末涂料、耐候性粉末涂料、抗菌性粉末涂料、耐高温粉末涂料、疏水粉末涂料和自愈型粉末涂料6种功能性粉末涂料进行介绍。
重防腐粉末涂料
世界各国每年因腐蚀造成的直接损失约占其GDP的2%~4%,危害超过自然灾害和各类事故的损失总和。为防止零部件被腐蚀,人们选择在在表面涂敷防腐涂层,隔绝材料与外界环境的接触,保护涂层内部的金属材料,确保零部件的长期使用。
趣涂料(趣涂网)资料显示,防腐涂料分为一般防腐涂料和重防腐涂料:一般防腐涂料,使用年限为5~10年;重防腐涂料相比于一般防腐涂料具有良好的附着力、抵抗腐蚀介质的渗透性,或对腐蚀介质具有化学抗性,而且涂膜自身具有较强的耐久性,从而为被涂膜材料提供抗腐蚀性,使用年限可以达到 30年以上,防腐效果提升4~5倍。
常见的防腐粉末涂料分为普通改性防腐涂料、熔结环氧粉末涂料和环氧富锌粉末涂料。
常见的重防腐粉末涂料种类及改性方法
* 其它常见的防腐涂料如环氧型、聚酯-环氧型、丙烯酸型经改性后也可作为重防腐涂料。
目前重防腐粉末涂料主要是通过物理屏蔽实现对材料的保护作用,包括基料树脂、颜料和填料改性;同时使用厚涂、多涂或复合涂层的涂装方法,生成一层甚至多层致密的保护膜,提升涂层的重防腐性能。(纳米铁钛粉、石墨烯、金刚砂以及化学改性树脂的使用也能进一步提高树脂的防腐能力。)
由于施工条件等限制,现今重防腐涂料仍以液体涂料为主。环保化、高性能、多功能和低能耗是今后重防腐涂料的发展方向。
耐候性粉末涂料
耐候性粉末涂料指的是能经受室外环境考验、长期保持其装饰和保护功能的粉末涂料。暴露在户外的粉末涂料会因日光曝晒、湿度、温度和污染物质(如酸雨)等多种因素的影响而发生老化降解。像日光曝晒会导致涂层发生黄变和褪色、甚至粉化;淋和冷凝会使涂层出现变色、失光和锈蚀现象。目前粉末涂料在户外的应用日趋广泛,如交通运输、室外装饰、工程机械等,对粉末涂料的耐候性提出了更高的要求。
粉末涂料的耐候性能提高取决于树脂种类、颜填料、助剂的选择和配套使用。一方面可以选择合适的基料树脂或对基料树脂改性并选择合适的固化剂。如聚酯/TGIC体系、聚酯/ HAA体系、丙烯酸酯、聚氨酯、聚偏二氟乙烯 ( PVDF) 、氟碳及有机硅改性聚酯体系等。另一方面可以加入一定量的抗氧化剂、紫外线吸收剂和自由基捕获剂等来减缓涂层的老化,国内已经开始系统地将添加剂用于提高粉末涂料耐候性的研究。
常用的耐候粉末涂料树脂种类
耐候性粉末涂料用树脂种类繁多,但普遍耐久性较差。而氟碳粉末涂料(含氟树脂的粉末涂料的统称)由于其本身特点表现出优良的耐候性能,广泛应用于高端建筑铝型材领域、电气电子和航天航空等领域,生产施工工艺成熟,是当世界公认的超耐候涂料品种。热固性氟碳粉末涂料性能(如耐候性、耐腐蚀性等)远远高于聚酯、环氧粉末涂料。
然而,氟碳粉末涂料具有优异的耐候性能,却在市场中占比很小,国内尚未形成氟碳粉末涂料的系列产品。仍然存在很多问题尚待解决: 包括优化氟碳粉末涂料的生产工艺和降低生产成本;提高氟碳粉末涂料的外观、光泽度和耐冲击等性能。开发出具优异性能的超耐候粉末涂料仍然是具有挑战性的一项任务。
抗菌粉末涂料
抗菌粉末涂料是指可以杀死微生物或者阻碍微生物生长繁殖的粉末涂料。在日常生活中,普通的消毒液等灭菌产品只能起到短暂的杀菌作用,但如果通过提升物体表面涂层本身的抗菌性能,就可以使涂层可自行抑制微生物在表面的生长,能够保持表面的长期清洁。
抗菌涂层中起主要作用的是抗菌添加剂。大部分有机抗菌材料为液体,应用受限;无机类抗菌剂,包括银离子和铜离子等。这类抗菌剂虽然起效较慢,但其具有低毒性、耐热性、持续性、抗菌广谱和不会产生抗药性等优点。PPG、巴斯夫等公司已经将银离子加入到粉末涂料中。
可用于粉末涂料的抗菌剂
可惜的是,无机抗菌剂具有与高分子聚合物的相溶性较差、溶解性不好、杀菌慢和变色等缺点,难以满足人类生活的需要。因此,抗菌型粉末涂料逐渐从单一型发展到复合型抗菌粉末涂料。另外,抗菌剂制备方法仍有许多问题亟待解决。例如,现在广泛使用的银系抗菌剂的流失问题,使得抗菌涂层的耐久性减弱…所以,开发具有耐久性、低毒性等优异性能的通用抗菌涂层仍然是一项具有挑战性的任务。
耐高温粉末涂料
随着粉末涂料的应用范围不断变大,一些极端环境对粉末涂料提出了更高的要求,从而促进了耐高温粉末涂料的开发。该类粉末涂料不仅具有较强的耐热性能,而且具有耐腐蚀性和耐候性等优良性能,广泛应用于烹饪组件、大功率灯饰、锅炉、烘箱、高温炉和汽车零件等多种耐高温设备。
目前市场上一般的粉末涂料的长期耐温性较低,在200 ℃及以上的高温时,涂层会出现褪色、黄变和粉化等现象。故一般把能够承受200 ℃以上的温度的粉末涂料称之为耐高温粉末涂料。趣涂料(趣涂网)了解到,成膜物质的选择是决定粉末涂料的耐温性的关键因素,当下技术上主要的通过物理改性和化学改性获得耐高温粉末涂料:
物理改性指通过有机硅树脂、氟树脂与聚酯/环氧树脂混合,或者通过加入合适的固化剂和颜填料,得到耐高温粉末涂料;
化学改性则是通过化学方法对树脂进行改性,改变高分子聚合物的结构,增加聚合物的相对分子质量,以使树脂可以耐高温。
聚酯树脂是最常见的成膜树脂,但是由于聚酯树脂主链大量C-O键的存在,导致普通聚酯树脂在高温条件下会发生粉化、脱落,因此要通过改性来提升聚酯粉末涂层的耐热性能。而且聚酯树脂与颜填料、有机硅树脂的混溶性较差,流平性不好;环氧树脂也是一种常见的成膜树脂,为了增强环氧树脂粉末涂料的耐热性能,可以对环氧树脂粉末进行改性或加入合适的固化剂和颜填料。
超疏水粉末涂料
疏水性涂料通常指的是一种低表面能涂料,涂料表面的静态水接触角θ大于90°,而超疏水性涂料是一种具有特殊表面性质的新型涂料,水滴在其表面的接触角超过150°,滑动角小于10°,几乎成球形,很容易通过滚动带走涂层表面尘土,因而具有良好的自清洁能力。
构建超疏水涂层主要通过2种方法:
(1)采用低表面能物质如有机氟、硅树脂和含活性基团的长链脂肪烷烃修饰粗糙的基底表面,降低表面自由能。
(2)构筑粗糙的微纳米结构,提高疏水表面的粗糙度,主要包括刻蚀法、模板法、自组装法、光刻法和气相沉积法等多种方法。
除对树脂进行改性外,在常用的粉末涂料中添加疏水助剂是实现超疏水最简单快捷的方式,但这样方式添加量往往较大,通常在10%以上,甚至能达到50%。另一方面,还可以使涂层内外结构相同,即使外层在力的作用下被破坏,露出的内层依然是超疏水层。
值得注意的是,疏水涂层的耐久性与疏水性能成反比,很难同时满足疏水性和耐久性的需求,限制了它在实际生活中的应用。市场上含疏水涂层的产品非常少见,特别是具有超疏水表面的产品几乎没有。这主要是由于低表面能物质与基体的相容性有限,结合强度较低,导致涂层不够牢固,耐久性差。
由于疏水涂层的耐久性与疏水性能之间的矛盾性问题。未来的疏水涂层有3个发展方向:
(1)制备耐久性一般但疏水性较强的超疏水涂层,用于特定需要自清洁的领域;
(2)制备具有极高耐久性但疏水性一般的疏水涂层,可用于长时间需要疏水性的领域;
(3)制备具有多功能的粉末涂料,不仅可以疏水,还有其他如耐候、耐高温和防腐等性能,以满足人们对高性能涂料的要求。
自愈性粉末涂料
目前主要通过改进树脂、颜料、添加剂以及配方技术来保护涂层性能,但涂层一旦被破坏,基材就会在暴露部位被腐蚀,进而不断腐蚀涂层所保护的基材。2001年,自然科学杂志上首次提出了聚合物自愈技术。
常见的自愈性复合材料分为自主和非自主2种自愈机制。
自主愈合机制通常是在涂层中嵌入可聚合的愈合剂或腐蚀抑制剂来实现自修复功能;
而对于非自主愈合机制,则通常是由外部热量或光刺激引发化学反应或物理转变,从而实现自愈合功能。它主要是基于均匀分散到基体材料中的自愈合材料在受到外界应力发生破裂时,释放其内部的修复剂,使催化剂与自修复剂发生交联固化反应填补壁面裂缝。
自愈合粉末涂料作为涂料市场上新出现的一种功能涂料品种,由于其在受到破坏时可以自我修复,具有便捷性、持久性等优点,可以持久地对基材进行保护,必将作为今后涂料发展的一个重要方向。但自愈性粉末涂料制作过程较为复杂,因此开发出方便、利于产业化生产的自愈性粉末涂料尤为重要。
总结
重防腐涂料和耐候性涂料由于其应用广泛仍然是未来发展的主流趋势,疏水涂料以及耐高温涂根据其相应的应用环境也会开发出更多的适应性品种,其它针对特定用途的新型粉末涂料也会不断涌现。
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