1 前言
（中國粉體技術(shù)網(wǎng)/班建偉）填料也稱(chēng)體質(zhì)顏料。這種顏料的著(zhù)色力和遮蓋力較小，是白色和無(wú)色的超細粉粒。它與著(zhù)色顏料一起分散在粉末涂料中，用以提高粉末涂料的機械 強度等。且應滿(mǎn)足下列條件。
(1)不溶于水和有機溶劑，有很好的分散性，無(wú)色或白色，不含雜質(zhì)的超細粉粒；
(2)耐酸、耐堿、耐候性好；
(3)成本低。
在粉末涂料中常用的填料品種有沉淀硫酸鋇、重晶石粉、輕質(zhì)碳酸鈣、重質(zhì)碳酸鈣、高嶺土、滑石粉、膨潤土、沉淀二氧化硅、云母粉、石英粉和硅微粉等。
每種填料在粉末涂料配方中所起的作用不盡相同，本文探討了沉淀硫酸鋇、云母粉、空心玻璃微珠和納米氧化硅這四種填料對粉末涂料產(chǎn)品性能的影響。
2 四種填料本身的性能
2.1沉淀硫酸鋇
沉淀硫酸鋇化學(xué)成份為BaSO4，晶體屬正交晶系的硫酸鹽礦物。常呈厚板狀或柱狀晶體，多為致密塊狀或板狀、粒狀集合體。質(zhì)純時(shí)無(wú)色透明，條痕白色，玻璃光澤，透明至半透明。三組解理完全，夾角等于或近于90°。摩氏硬度為3～3.5，比重為4.0～4.6。
在粉末涂料方面，沉淀硫酸鋇能增強粉末涂料的流平性和保光性，并且與所有的色料有較好的兼容性?？墒狗勰┩苛显趪娡抗に囍羞_到理想的涂膜厚度，且上粉率高。
2. 2云母粉
絹云母屬云母類(lèi)礦物，是一種片狀細粒白云母。結構呈二八面體，即由兩層硅氧四面體和一層鋁氧八面體構成，四面體的活性氧與附加陰離子位于兩層六面網(wǎng)中央，構成活性結晶水基團。解理完全，可劈成極薄的片狀，徑厚比大。絹云母晶體化學(xué)成份為K:0.5—1(Al，Fe，Mg)2(SiA1)4O10(OH)2nH2O，具有絲絹光澤，徑厚比>80，呈白色或淺灰白色，比重為2.6～2．7，硬度為2～3，富有彈性，可彎曲。耐高溫，耐化學(xué)品腐蝕性強，對紫外線(xiàn)具有極佳的屏蔽作用。它的細磷片狀結晶體結構可提高涂層的致密性，防止水分滲入。
絹云母的化學(xué)結構與高嶺土相近，兼具了云母類(lèi)礦物和粘土礦物的多種特點(diǎn)。其應用于涂料中，可大幅提高涂膜的耐候性，抗透水性，增強涂膜的附著(zhù)力和強度，改善涂膜的表觀(guān)。同時(shí)染料粒子易進(jìn)入絹云母粉的晶格層間，從而保持顏色長(cháng)久不褪色。此外絹云母粉還具有抗藻防霉的功能，國外常用于船舶和海洋涂料。因此，絹云母粉對涂料而言是一種價(jià)格性能比優(yōu)異的多功能填料。
2.3 空心玻璃微珠
空心玻璃微珠是一種微小、中空的圓球狀粉末，密度在0.1g／cm3～0.5g／cm3之間，粒徑可根據需要在1～500微米之間選擇。具有重量輕、體積大、導熱系數低、抗壓強度高、絕緣、自潤滑、隔音、不吸水、耐火、耐腐蝕、防輻射、無(wú)毒，以及分散性、流動(dòng)性、穩定性好等優(yōu)點(diǎn)?？招牟Ａ⒅榭芍苯犹畛溆诮^大部分類(lèi)型的熱固性、熱塑性樹(shù)脂產(chǎn)品中。在粉末涂料中應用時(shí)，空心玻璃微珠可以起到以下作用。 (1)隔熱、絕緣、吸水率低?？招牟Ａ⒅榈膬炔渴钦婵栈蛳”怏w，與環(huán)氧樹(shù)脂存在密度及導熱系數差，所以它具有隔熱的特性，是耐高溫粉末涂料的極佳填充劑。微珠的隔熱特性還可減輕因粉末涂層經(jīng)受急熱和急冷而引起的熱沖擊。極低的吸水率使粉末涂料可以長(cháng)期貯存。
(2)可改善粉末涂層的物理機械性能?？招牟Ａ⒅樘盍峡稍黾臃勰┩苛系挠捕群蛣偠?。但抗沖擊性能下降，下降的多少與對中空玻璃微珠的表面處理有關(guān)。如選用正確的偶聯(lián)劑進(jìn)行預處理，可減少對材料抗沖擊性能的影響。
(3)吸油率低。與常規填充材料碳酸鈣相比，空心玻璃微珠的吸油量更低。不同型號空心玻璃微珠每100g的吸油率在7mg～50mg之間，而每100g輕質(zhì)碳酸鈣的吸油率高達120mg～130mg，重質(zhì)碳酸鈣也高達50mg～60mg。這種低吸油率的填充材料在生產(chǎn)過(guò)程中變相地增加了填充量降低了綜合成本。
2.4 納米氧化硅
納米氧化硅是一種重要的高科技超微細無(wú)機新材料。因其具有粒徑很小、比表面積大、表面吸附力強、表面能大、化學(xué)純度高、分散性能好、穩定性好等，在眾多學(xué)科及領(lǐng)域內具優(yōu)點(diǎn)，有著(zhù)不可取代的作用。納米二氧化硅俗稱(chēng)“超微細白炭黑”，作為添加劑、催化劑載體廣泛用于各行業(yè)中。
將納米氧化硅添加到環(huán)氧樹(shù)脂的基體粉末涂料中，在結構上會(huì )完全不同于用粗晶SiO2。添加的環(huán)氧粉末涂料。粗晶SiO2一般作為補強劑加入，主要分布在高分子材料的鏈中間，而納米氧化硅由于表面嚴重的配位不足、龐大的比表面積以及表面欠氧等特點(diǎn)，使它表現出極強的活性，很容易和環(huán)氧環(huán)狀分子的氧起鍵合作用，提高了分子間的鍵力。同時(shí)尚有一部分納米氧化硅顆粒仍然分布在高分子鏈的空隙中，與粗晶SiO2。顆粒相比較，表現出很高的流漣性，從而大幅度提高添加了納米氧化硅的環(huán)氧粉末涂料涂層的強度和韌性。此外，納米氧化硅的加入還可以提高涂層的耐磨性、抗老化性能，并改善涂層表面的光潔度。由于納米氧化硅是一種松散、無(wú)定形的粉狀物體，將它加入粉末涂料體系中可以防止粉料在夏天的高溫下結團，延長(cháng)粉末涂料產(chǎn)品的貯存期。在生產(chǎn)過(guò)程中，最好采用外加的方法。
3 填料篩選過(guò)程
為了確定上述幾種填料在粉末涂料中的功能，我們設計了一些配方，并將做出的粉末涂料涂塑樣件進(jìn)行了沖擊試驗、水煮試驗、海水浸泡試驗和自然暴曬試驗。
配方1：基礎配方+玻璃微珠+云母粉+沉淀BaSO4；
配方2：基礎配方+玻璃微珠+云母粉；
配方3：基礎配方+玻璃微珠；
配方4：基礎配方+云母粉；
配方5：基礎配方+沉淀BaSO4。
其中自然暴曬試驗時(shí)，還在各配方中加入了一些納米氧化硅。
3.1沖擊試驗
將上述5個(gè)配方粉末涂料涂塑的馬口鐵板樣板進(jìn)行沖擊試驗，結果如表1所示。從表1中可看出，配方5做出的涂塑樣板沖擊后無(wú)裂紋，其它4個(gè)配方的涂塑樣板都有裂紋。
 3.2 水煮試驗
將上述5個(gè)配方粉末涂料涂塑后的黑鐵管樣件，在恒溫水浴鍋中進(jìn)行水煮試驗，結果列如表2所示。
水煮試驗后的效果排序是①填料為玻璃微珠+云母粉及玻璃微珠+云母粉+沉淀BaSO4的復配配方2與配方1最好；②填料全為沉淀BaSO4的配方5其次；③填料全為玻璃微珠的配方3稍差；④填料全為云母粉的配方4最差。
3.3海水浸泡試驗
由于船只航行在大海里，每個(gè)海域的水溫不一樣，有些地方的海水溫度比較高，甚至達到60℃。因此，我們針對不同填料的配方在60℃的海水里做了浸泡試驗。這里為了減少填料目數大小對涂層滲水性的影響，配方中所用填料都選用1250目。
將不同填料的配方做出的粉末涂料樣品，涂塑在厚為3mm的鋼板上。每個(gè)配方涂塑兩個(gè)樣件，涂塑工藝為200℃預熱30min，180℃固化30arin。每種涂料做兩塊樣板，分別定為1#、2#。然后將涂塑好的樣件浸泡于60℃的海水中，浸泡時(shí)間為三個(gè)月。浸泡試驗結果如表3所示。
 經(jīng)海水浸泡后，涂層的重量比未浸泡時(shí)增加了，說(shuō)明涂層吸收了水。在3個(gè)月劃格撬剝測附著(zhù)力試驗時(shí)，發(fā)現全部用玻璃微珠或全部用云母粉的配方3或配方4做成的涂層在海水里浸泡3個(gè)月后，撬剝時(shí)涂層完全脫落，這可能與玻璃微珠和云母粉這兩種填料自身的結構有關(guān)。對于玻璃微珠這種圓球形結構的填料，由于結構比較單一，在圓球與圓球之間可能會(huì )有一些空隙，造成浸泡試驗時(shí)海水容易滲透涂層。
對于云母粉，雖然它本身是鱗片狀結構，在涂層中有防滲水的功能，但是鱗片狀結構不可能完全是平行于涂層表面排列的。如果有些云母粉是垂直于涂層排列的話(huà)，那么云母粉的這種鱗片狀結構反而讓水更容易導人涂層中，造成浸泡后涂層脫落。對于配方2，由于配方中不僅有云母粉這種鱗片狀結構的填料還有圓球形的玻璃微珠做填料，在這種復配的結構中，即使有一些云母粉的鱗片狀結構是垂直于涂層排列的，導人的水會(huì )被圓球形的玻璃微珠擋住一部分，因此此配方的涂層浸泡時(shí)只有一半脫落。對于配方1這種由沉淀BaSO4、玻璃微珠和云母粉共同復配做填料的配方，其涂層在海水中浸泡3個(gè)月后撬不動(dòng)，附著(zhù)力為1級。更驚奇的發(fā)現是，僅用沉淀BaSO4做填料的配方5其涂層在3個(gè)月海水浸泡試驗后也撬不動(dòng)，附著(zhù)力為1級。這可能是因為沉淀BaSO4多為致密塊狀或板狀、粒狀的集合體，不是單一結構，在海水浸泡時(shí)這種互相交錯的結構使涂層的阻水性能大幅提高。
3.4自然暴曬試驗
由于從一些資料上看到納米氧化硅做填料可以提高涂層耐紫外線(xiàn)的性能，并可延長(cháng)粉末涂料的貯存時(shí)間。因此，在自然暴曬試驗時(shí)，重新調整配方，加入一些納米氧化硅。
配方1：基礎配方+沉淀BaSO4；
配方2：基礎配方+沉淀BaSO4+納米二氧化硅(內加)；
配方3：基礎配方+玻璃微珠+云母粉+納米二氧化硅(外加)；
配方4：基礎配方+玻璃微珠+云母粉+納米二氧化硅(內加)；
配方5：基礎配方十云母粉+納米二氧化硅(內加)；
配方6：基礎配方+玻璃微珠+云母粉+納米二氧化硅(內加)。
按上述6個(gè)配方各做5公斤粉末涂料樣品，并在黑鐵管上進(jìn)行涂塑，每個(gè)配方涂塑兩個(gè)樣件，涂塑工藝都是200℃預熱30min，180℃固化30min。將做好的涂塑管件掛在露天空曠位置，過(guò)幾天翻轉一次，并將管件懸掛位置互換。經(jīng)過(guò)三個(gè)月的觀(guān)察，實(shí)驗結果如表4所示。
 只用沉淀BaSO4做填料的配方最耐自然暴曬，此配方做出的涂層在外懸掛5周時(shí)仍然能保持很好的亮度及色澤，懸掛3個(gè)月后，也僅有少量褪色。其次是用沉淀BaSO4做填料，并內加少量納米氧化硅的配方。再次是只用云母粉做填料，并內加少量納米氧化硅的配方。而含有玻璃微珠的配方自然暴曬效果最差，僅懸掛三周，涂層中的黃色顏料就幾乎全部退去，懸掛3個(gè)月后涂層幾乎變成白色。針對這種情況，我們查了許多資料，并咨詢(xún)了玻璃微珠原料的供應商，了解到的結果是，為了使玻璃微珠在基體中的分散效果更好，生產(chǎn)廠(chǎng)家一般會(huì )在玻璃微珠中加入一些硅烷偶聯(lián)劑，對其進(jìn)行表面改性。而有資料表明，目前常用的三烷氧基型硅烷偶聯(lián)劑有可能降低基體樹(shù)脂的穩定性，因此在自然暴曬過(guò)程中添加了玻璃微珠做填料的粉末涂料涂層比較容易粉化，變成白色。
對于配方1與配方2所做的涂層，全用沉淀BaSO4做填料的配方1自然暴曬效果最好，原因是BaSO4具有保光、保色的特點(diǎn)。配方2中內加了一些納米氧化硅，其自然暴曬效果卻比未加納米氧化硅的差一些，這可能是因為納米二氧化硅的表面極性強、表面性能高，處于熱力學(xué)非穩定狀態(tài)，極易發(fā)生粒子團聚，在使用時(shí)影響納米顆粒所具有的功能。并且由于納米二氧化硅表面易與空氣中的水分子作用而帶有羥基，表現出很強的親水疏油性，在有機介質(zhì)中難以均勻分散，難以與基料很好的結合，易造成界面缺陷，導致材料性能下降。而團聚在一起的納米二氧化硅對涂層起到了消光的作用，使得涂層亮度減弱。
4 結論
沉淀硫酸鋇、云母粉、空心玻璃微珠、納米氧化硅這四種填料在粉末涂料生產(chǎn)中經(jīng)常用到。單獨用沉淀硫酸鋇做填料時(shí)涂層的韌性比較好，涂層表面的色澤較飽滿(mǎn)，自然暴曬時(shí)的保色性能也較好；用沉淀硫酸鋇、云母粉、空心玻璃微珠做復配填料時(shí)，涂層的耐水煮性能及耐海水滲透性能較好；納米氧化硅的加入對粉末涂料性能的影響并不明顯，這有可能與納米材料容易團聚，實(shí)際使用時(shí)不能保持納米性能有關(guān)。在粉末涂料配方設計時(shí)，可根據客戶(hù)對產(chǎn)品性能要求選擇不同填料，以達到最佳效果。
|
