粉末涂料冒烟改善分析

　　1、前言

　　粉末涂料是公认的具高效率、优良涂膜性能、生态环保、高经济效益为一体的4E型涂料产品，近年来得到高速发展。

　　然而与传统的溶剂型涂料相比，粉末涂料虽然没有易挥发的有毒物质对环境造成的污染。

　　但在固化过程中的反应会有小分子物质的释放，这些小分子物质聚集在一起会产生烟雾，就所谓的冒烟现象。

　　一般来说，粉末涂料涂装冒烟会受喷涂设备的影响，立式喷涂线产量大，单位时间内用粉量多，经过固化炉的型材多，且一般没有排风装置，产生的烟雾会多。

　　粉末涂料产生的烟雾除了受喷涂现场排风口的影响外，最主要就是粉末涂料原材料本身的特性所决定的。

　　从上图可以看到在烤炉的进出口处冒烟大，若车间排烟不力，则会对生产有很大的影响。

　　从喷涂现场来看，不管是平面粉还是砂纹粉，亮光粉的还是平光粉、哑光粉，都有冒烟的现象，尤其以哑光粉最为严重。

　　粉末涂料一般由树脂、固化剂、颜料、填料和助剂组成，而助剂又包括流平剂、光亮剂、脱气剂、消光剂、纹理剂、抗氧剂等，根据情况按量添加，不同种类的原材料对于粉末涂料冒烟所起的作用不太一样。

　　2、产生原因分析

　　2.1树脂的分析

　　树脂作为最主要的成膜物，一般占总量的50%-60%，树脂决定了粉末涂料的绝大多数性能，粉末冒烟首先考虑是不是树脂本身的问题，所以，我们首先从树脂来研究。

　　常用树脂的烘烤失重及冒烟情况如下表所示。从下表可以看出，不管树脂的失重是大是小，在单独烘烤过程中均不会产生明显的烟。

　　我们知道聚酯一般都是由多元酸与多元醇反应而来，残留的有机小分子都是无色无味的，在烘烤过程中也不会产生烟雾，所以从理论上说树脂不是粉末涂料产生烟雾的根本原因。

　　用同一树脂制作7个不同的粉末，测试这7个粉末涂料失重与冒烟之间的关系，结果如下。

　　从以上两个表的数据分析可知，粉末涂料的冒烟必然是一个失重的过程，但是不能以失重量的大小来判断冒烟的大小。

　　再好的粉末也不可能达到零失重的效果，以上七个粉所用的树脂是一样的，但冒烟多少却大不相同，所以很难确定树脂是否是冒烟最主要的来源。

　　2.2颜料和填料的分析

　　同时我们也做了颜料和填料的失重与冒烟对比，发现填料的失重都在0.02%以下，而且常用的填料都是无机物，在常温或者较高的温度下都难以分解。

　　理论上，填料的失重是来自于其所含的水分或者是结合水，在挤出或者磨粉的过程中就已经完全挥发，不会对粉末冒烟有任何影响。

　　而颜料的失重更小，经过反复精密的测量，绝大部分的颜料失重率在0.01%以下，在烘烤过程中也没有任何的烟雾放出，使用常规用量的5倍均没有观察到烟雾。

　　2.3固化剂的分析

　　经以上分析，粉末涂料冒烟最有可能就是来自于固化剂与助剂，相对而言，助剂在粉末涂料中用量很少，但起着重要作用，同样的由它带来的冒烟问题也不容忽视。

　　固化剂和树脂相类似，但有一定区别，首先它在固化过程中与树脂反应而形成成膜物质，所以对于固化剂，在反应过程中小分子的挥发是必然的。

　　失重的对比就显得没有太大的必要，所以我们直接测固化过程中冒烟量的多少来分析TGIC的冒烟大小。

　　由于条件的限制，我们这里判断冒烟的大小既无法做到与喷涂现场那样大批量的喷涂，也无法做到能够精确的测定它的数值。

　　因此我们模拟喷涂厂，将一定量的粉末喷涂在铝材上，放进烤箱进行烘烤，观察烤箱中烟雾的大小来判断。这虽然会存在一定的误差及人为的因素，但却是最简单、最有效的方法。

　　首先我们测量了不同TGIC失重的大小，结果下表所示。

　　从以上可以看出，不同TGIC虽然失重有明显的差别但冒烟量却没有太大的区别。我们再来测试在相同的配方中，不同的TGIC产生的烟到底有没有区别。

　　用同一配方、不同TGIC制作4个不同的粉末，测试这4个粉末涂料冒烟量的大小，结果如下。

　　我们知道，聚酯与TGIC之间的反应是粉末涂料固化过程中最主要的反应，反应过程会伴随小分子物质的放出，不同厂家的TGIC只在失重率上有本质的差别，在冒烟大小方面没有明显的区别，所以通过筛选TGIC来减少冒烟量的潜力不大。

　　2.4助剂的分析

　　如以①号配方添加助剂，然后再与①号进行冒烟对比，发现加了助剂之后冒烟达到3级以上，虽然只添加了4-8%的助剂，却对冒烟量产生如此大的影响。

　　可以确定的说，粉末涂料冒烟是来源于所添加的助剂中含有的小分子物质在烘烤过程中遇到了水蒸气或者被氧化而产生烟雾。

　　而粉末涂料常用的助剂主要有流平剂、光亮剂、蜡粉、消光剂、抗氧剂等，虽然用量都很少。但是却是冒烟的主要来源。

　　我们常用的流平剂有丙烯酸均聚物、丙烯酸酯共聚物以及它们的有机硅改性物，在烘烤过程中会有少量的烟雾冒出，光亮剂也同样如此。

　　但是流平剂与光亮剂的用量仅为0.8%-1%，而且都不参与反应，对冒烟的影响不大，改进的潜力不大。

　　一些功能助剂，如常用的聚乙烯蜡，外观为白色小微珠状或片状，由乙烯聚合橡胶加工剂而形成的，其具有熔点较高、硬度大、光泽度高、颜色雪白等特点。

　　在高温中熔融，在冷却至常温时析出，以微晶形式存在于涂料中且能迁移到涂膜表层，最终与涂料其他组分形成一个“蜡化”的表层，达到抗划伤的效果。

　　蜡粉高温易熔融的特性，使得它在烘烤过程中不可避免的有大量的小分子物质从表层析出，最终与空气接触，产生冒烟现象。

　　不同种类的蜡粉烘烤失重以及冒烟大小测试结果如下。

　　由上可知，蜡粉的冒烟大小与蜡粉的性质有关，聚四氟乙烯蜡由于聚合度比较高，而且C-F键不容易断裂，在常规的烘烤过程中不会产生烟雾。

　　而改性蜡与聚乙烯蜡相比，虽然都是聚乙烯蜡，但是普通的聚乙烯蜡失重较大，其含有的小分子物质较多，产生烟雾多，同时烘烤过程容易泛黄，推测是发生了键的断裂和小分子物质的溢出。

　　由于种种原因，聚四氟乙烯蜡不可能大批量的应用在一般耐候性的粉末涂料当中，所以通过使用改性蜡替换聚乙烯蜡可以减少冒烟。

　　安息香作为粉末涂料优异的脱气剂，一直都是别的脱气剂所无法取代的。安息香的作用机理是依靠在烘烤散发的小分子物质带走粉末涂料固化过程产生的小分子物质，从而消除涂膜针孔现象，因此冒烟是无可避免的。

　　虽然安息香的用量只有0.3%-0.5%，冒烟量却非常大。市场上常用的脱气剂为安息香、消泡剂和由安息香改进的消泡剂。

　　后两种即使能把冒烟控制在很合理的范围（1级），但是脱气效果明显都不如安息香好。不同种类脱气剂的脱气效果和冒烟情况如下表所示。

　　消泡剂作为一种辅助的脱气剂不可能起到完全脱除气体的作用，不能单独使用，常常与安息香搭配，以达到优良的表面效果，而且冒烟明显比使用安息香的粉末少。

　　改性安息香的表面效果比消泡剂好，可以单独使用，但亮光粉中要慎用，如果体系反应过快可能会出现针孔。如果对表面要求不是特别高的配方，可以使用改性安息香来减少冒烟。

　　以上是针对一般粉末中都常用到的助剂的冒烟改善方法，还有一类粉末—哑光粉比较特殊，需要用到消光剂，而且用量不少。

　　消光剂作为粉末涂料哑光粉常用的消光手段，往往能获得细腻丰满的表面效果。然而哑光粉的光泽通常在20-30%之间，消光剂的添加量一般在2.5-3.5%之间，与其他助剂相比，用量相对较大。

　　而市场上的消光剂大多属于蜡型消光剂，其成分复杂，不同成分反应的差异导致反应过程中有很多的小分子物质溢出，从而产生明显的冒烟现象。

　　一般来说，市面的消光剂都差别不大，在烘烤过程中都会明显冒烟。经过供应商改进过的消光剂虽然能在冒烟上有一定改善。

　　但是会牺牲它本身的部分性能，比如消光能力、表面的细腻度、耐沸水性能和耐老化性能等。经过对比，只有极个别的消光剂能达到较理想的要求。

　　消光剂对粉末的机械性能和表面效果等有很大的影响，如没有特殊的要求，一般的哑光粉建议用双组分干混法来制作，避免消光剂的使用，从而减少冒烟。

　　砂纹粉中冒烟的主要因素是蜡粉，砂纹粉所用的蜡粉与平面粉是一样的，所以不再说明。所以说砂纹粉的冒烟问题比较简单，就是针对蜡粉的种类和用量进行改善。

　　以上为粉末涂料常用或者必须用到的基本助剂，还有一些助剂如紫外线吸收剂、增电剂、抗氧剂等虽然也有冒烟。

　　但是一般只在少量特殊的粉末中才用到，只要选择好种类以及控制好用量就不会产生很多的烟，所以在日常的生产就不会有太大的问题。

　　3、总结

　　本文详细分析了粉末涂料冒烟的主要来源，针对粉末涂料的特点和配方结构，分别从树脂、固化剂和助剂各方面寻找减少冒烟的办法。

　　即对于可以替换成冒烟少而不影响其他性能的材料，可进行相应的替换，尽量少用一些冒烟大的助剂，从而达到减少冒烟的效果。