【常見問題】
六大功能性粉末塗料,未來發展主流趨勢

越來越多的塗料用戶欣賞粉末塗料的無汙染、貯存穩定、易運輸、節省資源和高效率等優點,需求支持下粉末塗料種類日漸趨多,應用範圍廣泛,從小尺寸零部件到各種大型設備的塗裝均能看到粉末塗料的身影。市場預計,到2026年全球粉末塗料市場規模預計將達到150億美元,複合年增長率為6.8%。
值得注意的是,我國粉末塗料主要包含環氧、聚酯以及環氧/聚酯粉末塗料,高檔的丙烯酸、聚氨酯和氟碳粉末所占比例很小,比例不到1% 。外資生產企業占據我國高端粉末塗料市場80%的份額,國內大部分粉末塗料企業創新力不足,技術水平相對落後,生產的粉末塗料以普通粉末塗料為主。
目前,普通粉末塗料市場已經出現供大於求的局麵,市場競爭的加劇,核心競爭力不足的企業被市場淘汰。這促使企業不得不轉型升級,將目光集中到高端粉末市場,向具有特殊功能的功能性粉末塗料發展,以滿足特定用途的表麵塗裝。
功能性粉末塗料是指適用於特定場合、具有特殊功能的粉末塗料。它在傳統的保護和裝飾作用基礎上,賦予了塗料包括絕緣、防腐、防水、耐高溫和防輻射等多種特殊性能。按照功能可分為防腐蝕型、耐候型、耐熱型、疏水型和抗菌型粉末塗料等多種類型。同時隨著粉末塗料的發展,也正在湧現如防蚊型、抗塗鴉型等新型的粉末塗料。
功能性粉末塗料涵蓋了人類生活的方方麵麵, 例如,防腐蝕粉末塗料覆蓋管道設施、能源設施、公路交通、海洋設施和軍工設備等領域。但是,我國功能性粉末塗料發展較為緩慢,除裝飾型、防腐型、耐候性粉末塗料外,其它功能性粉末塗料均發展不大。
基於此背景,本文重點對重防腐粉末塗料、耐候性粉末塗料、抗菌性粉末塗料、耐高溫粉末塗料、疏水粉末塗料和自愈型粉末塗料6種功能性粉末塗料進行介紹。
重防腐粉末塗料
世界各國每年因腐蝕造成的直接損失約占其GDP的2%~4%,危害超過自然災害和各類事故的損失總和。為防止零部件被腐蝕,人們選擇在在表麵塗敷防腐塗層,隔絕材料與外界環境的接觸,保護塗層內部的金屬材料,確保零部件的長期使用。
趣塗料(趣塗網)資料顯示,防腐塗料分為一般防腐塗料和重防腐塗料:一般防腐塗料,使用年限為5~10年;重防腐塗料相比於一般防腐塗料具有良好的附著力、抵抗腐蝕介質的滲透性,或對腐蝕介質具有化學抗性,而且塗膜自身具有較強的耐久性,從而為被塗膜材料提供抗腐蝕性,使用年限可以達到 30年以上,防腐效果提升4~5倍。
常見的防腐粉末塗料分為普通改性防腐塗料、熔結環氧粉末塗料和環氧富鋅粉末塗料。
常見的重防腐粉末塗料種類及改性方法
* 其它常見的防腐塗料如環氧型、聚酯-環氧型、丙烯酸型經改性後也可作為重防腐塗料。
目前重防腐粉末塗料主要是通過物理屏蔽實現對材料的保護作用,包括基料樹脂、顏料和填料改性;同時使用厚塗、多塗或複合塗層的塗裝方法,生成一層甚至多層致密的保護膜,提升塗層的重防腐性能。(納米鐵鈦粉、石墨烯、金剛砂以及化學改性樹脂的使用也能進一步提高樹脂的防腐能力。)
由於施工條件等限製,現今重防腐塗料仍以液體塗料為主。環保化、高性能、多功能和低能耗是今後重防腐塗料的發展方向。
耐候性粉末塗料
耐候性粉末塗料指的是能經受室外環境考驗、長期保持其裝飾和保護功能的粉末塗料。暴露在戶外的粉末塗料會因日光曝曬、濕度、溫度和汙染物質(如酸雨)等多種因素的影響而發生老化降解。像日光曝曬會導致塗層發生黃變和褪色、甚至粉化;淋和冷凝會使塗層出現變色、失光和鏽蝕現象。目前粉末塗料在戶外的應用日趨廣泛,如交通運輸、室外裝飾、工程機械等,對粉末塗料的耐候性提出了更高的要求。
粉末塗料的耐候性能提高取決於樹脂種類、顏填料、助劑的選擇和配套使用。一方麵可以選擇合適的基料樹脂或對基料樹脂改性並選擇合適的固化劑。如聚酯/TGIC體係、聚酯/ HAA體係、丙烯酸酯、聚氨酯、聚偏二氟乙烯 ( PVDF) 、氟碳及有機矽改性聚酯體係等。另一方麵可以加入一定量的抗氧化劑、紫外線吸收劑和自由基捕獲劑等來減緩塗層的老化,國內已經開始係統地將添加劑用於提高粉末塗料耐候性的研究。
常用的耐候粉末塗料樹脂種類
耐候性粉末塗料用樹脂種類繁多,但普遍耐久性較差。而氟碳粉末塗料(含氟樹脂的粉末塗料的統稱)由於其本身特點表現出優良的耐候性能,廣泛應用於高端建築鋁型材領域、電氣電子和航天航空等領域,生產施工工藝成熟,是當世界公認的超耐候塗料品種。熱固性氟碳粉末塗料性能(如耐候性、耐腐蝕性等)遠遠高於聚酯、環氧粉末塗料。
然而,氟碳粉末塗料具有優異的耐候性能,卻在市場中占比很小,國內尚未形成氟碳粉末塗料的係列產品。仍然存在很多問題尚待解決: 包括優化氟碳粉末塗料的生產工藝和降低生產成本;提高氟碳粉末塗料的外觀、光澤度和耐衝擊等性能。開發出具優異性能的超耐候粉末塗料仍然是具有挑戰性的一項任務。
抗菌粉末塗料
抗菌粉末塗料是指可以殺死微生物或者阻礙微生物生長繁殖的粉末塗料。在日常生活中,普通的消毒液等滅菌產品隻能起到短暫的殺菌作用,但如果通過提升物體表麵塗層本身的抗菌性能,就可以使塗層可自行抑製微生物在表麵的生長,能夠保持表麵的長期清潔。
抗菌塗層中起主要作用的是抗菌添加劑。大部分有機抗菌材料為液體,應用受限;無機類抗菌劑,包括銀離子和銅離子等。這類抗菌劑雖然起效較慢,但其具有低毒性、耐熱性、持續性、抗菌廣譜和不會產生抗藥性等優點。PPG、巴斯夫等公司已經將銀離子加入到粉末塗料中。
可用於粉末塗料的抗菌劑
可惜的是,無機抗菌劑具有與高分子聚合物的相溶性較差、溶解性不好、殺菌慢和變色等缺點,難以滿足人類生活的需要。因此,抗菌型粉末塗料逐漸從單一型發展到複合型抗菌粉末塗料。另外,抗菌劑製備方法仍有許多問題亟待解決。例如,現在廣泛使用的銀係抗菌劑的流失問題,使得抗菌塗層的耐久性減弱…所以,開發具有耐久性、低毒性等優異性能的通用抗菌塗層仍然是一項具有挑戰性的任務。
耐高溫粉末塗料
隨著粉末塗料的應用範圍不斷變大,一些極端環境對粉末塗料提出了更高的要求,從而促進了耐高溫粉末塗料的開發。該類粉末塗料不僅具有較強的耐熱性能,而且具有耐腐蝕性和耐候性等優良性能,廣泛應用於烹飪組件、大功率燈飾、鍋爐、烘箱、高溫爐和汽車零件等多種耐高溫設備。
目前市場上一般的粉末塗料的長期耐溫性較低,在200 ℃及以上的高溫時,塗層會出現褪色、黃變和粉化等現象。故一般把能夠承受200 ℃以上的溫度的粉末塗料稱之為耐高溫粉末塗料。趣塗料(趣塗網)了解到,成膜物質的選擇是決定粉末塗料的耐溫性的關鍵因素,當下技術上主要的通過物理改性和化學改性獲得耐高溫粉末塗料:
物理改性指通過有機矽樹脂、氟樹脂與聚酯/環氧樹脂混合,或者通過加入合適的固化劑和顏填料,得到耐高溫粉末塗料;
化學改性則是通過化學方法對樹脂進行改性,改變高分子聚合物的結構,增加聚合物的相對分子質量,以使樹脂可以耐高溫。
聚酯樹脂是最常見的成膜樹脂,但是由於聚酯樹脂主鏈大量C-O鍵的存在,導致普通聚酯樹脂在高溫條件下會發生粉化、脫落,因此要通過改性來提升聚酯粉末塗層的耐熱性能。而且聚酯樹脂與顏填料、有機矽樹脂的混溶性較差,流平性不好;環氧樹脂也是一種常見的成膜樹脂,為了增強環氧樹脂粉末塗料的耐熱性能,可以對環氧樹脂粉末進行改性或加入合適的固化劑和顏填料。
超疏水粉末塗料
疏水性塗料通常指的是一種低表麵能塗料,塗料表麵的靜態水接觸角θ大於90°,而超疏水性塗料是一種具有特殊表麵性質的新型塗料,水滴在其表麵的接觸角超過150°,滑動角小於10°,幾乎成球形,很容易通過滾動帶走塗層表麵塵土,因而具有良好的自清潔能力。
構建超疏水塗層主要通過2種方法:
(1)采用低表麵能物質如有機氟、矽樹脂和含活性基團的長鏈脂肪烷烴修飾粗糙的基底表麵,降低表麵自由能。
(2)構築粗糙的微納米結構,提高疏水表麵的粗糙度,主要包括刻蝕法、模板法、自組裝法、光刻法和氣相沉積法等多種方法。
除對樹脂進行改性外,在常用的粉末塗料中添加疏水助劑是實現超疏水最簡單快捷的方式,但這樣方式添加量往往較大,通常在10%以上,甚至能達到50%。另一方麵,還可以使塗層內外結構相同,即使外層在力的作用下被破壞,露出的內層依然是超疏水層。
值得注意的是,疏水塗層的耐久性與疏水性能成反比,很難同時滿足疏水性和耐久性的需求,限製了它在實際生活中的應用。市場上含疏水塗層的產品非常少見,特別是具有超疏水表麵的產品幾乎沒有。這主要是由於低表麵能物質與基體的相容性有限,結合強度較低,導致塗層不夠牢固,耐久性差。
由於疏水塗層的耐久性與疏水性能之間的矛盾性問題。未來的疏水塗層有3個發展方向:
(1)製備耐久性一般但疏水性較強的超疏水塗層,用於特定需要自清潔的領域;
(2)製備具有極高耐久性但疏水性一般的疏水塗層,可用於長時間需要疏水性的領域;
(3)製備具有多功能的粉末塗料,不僅可以疏水,還有其他如耐候、耐高溫和防腐等性能,以滿足人們對高性能塗料的要求。
自愈性粉末塗料
目前主要通過改進樹脂、顏料、添加劑以及配方技術來保護塗層性能,但塗層一旦被破壞,基材就會在暴露部位被腐蝕,進而不斷腐蝕塗層所保護的基材。2001年,自然科學雜誌上首次提出了聚合物自愈技術。
常見的自愈性複合材料分為自主和非自主2種自愈機製。
自主愈合機製通常是在塗層中嵌入可聚合的愈合劑或腐蝕抑製劑來實現自修複功能;
而對於非自主愈合機製,則通常是由外部熱量或光刺激引發化學反應或物理轉變,從而實現自愈合功能。它主要是基於均勻分散到基體材料中的自愈合材料在受到外界應力發生破裂時,釋放其內部的修複劑,使催化劑與自修複劑發生交聯固化反應填補壁麵裂縫。
自愈合粉末塗料作為塗料市場上新出現的一種功能塗料品種,由於其在受到破壞時可以自我修複,具有便捷性、持久性等優點,可以持久地對基材進行保護,必將作為今後塗料發展的一個重要方向。但自愈性粉末塗料製作過程較為複雜,因此開發出方便、利於產業化生產的自愈性粉末塗料尤為重要。
總結
重防腐塗料和耐候性塗料由於其應用廣泛仍然是未來發展的主流趨勢,疏水塗料以及耐高溫塗根據其相應的應用環境也會開發出更多的適應性品種,其它針對特定用途的新型粉末塗料也會不斷湧現。