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氧化铁颜料在粉末涂料中的应用与发展
浏览: 发布日期:2018-09-23

摘要:介绍了环境友好型粉末涂料的发展,以及氧化铁颜料在粉末涂料中的应用。随着粉末涂料对颜料的粒径、耐温性等指标要求较高,使得超细、耐温系列氧化铁在粉末涂料中的应用也越来越引起关注。因此,重点介绍了氧化铁颜料中的超细、耐温系列的发展与在粉末涂料中的应用。

    0前言

    在过去的5年中,国内粉末涂料得到了较稳定的发展,已经逐步从单一水平走向产品专业化道路。随着粉末涂料的发展,面对国内环保压力逐渐增大的局面,由于粉末涂料具备节省能源、减少污染、工艺简单、易实现工业自动化、涂层性能优异等特点使其在环境友好型涂料中脱颖而出。我国是全球最大的粉末涂料的生产国和使用国,在世界各国对能源的需求越来越大、降低能源消耗、保护环境日益严峻等形势下,我国对粉末涂料的发展也相当重视,并在“十三五”规划中提出2020年粉末涂料产量达400万t。氧化铁颜料作为传统的无机颜料,具有无毒、无污染、耐候性好、耐温性好等特点被应用在粉末涂料上。随着氧化铁颜料的不断发展,相继推出超细系列、耐温系列等产品,来不断适应市场的需求。面对部分有机颜料的不够环境友好,氧化铁颜料将在粉末颜料中取得更大的应用空间。

    1氧化铁颜料的发展

    1.1超细氧化铁颜料

    超细粉体通常分为微米粉体(>1μm)、亚微米粉体(0.1~1μm)和纳米粉体(0.001~0.1μm),图1是粉体微细化过程图。超细粉体不仅本身是一种功能材料,而且为新的功能材料的复合与开展展现了广阔的应用前景。粉体在超细的过程,会具备粒径分布窄、质量分布均匀、表面活性高和化学反应速率加快等特点,因而可以广泛应用于一些高科技领域。氧化铁颜料作为传统的无机颜料,有着上百年的发展历史。随着科学技术的不断进步,超细氧化铁粉体由于具备高着色力、易分散等特点已经在各个领域得到了广泛的应用,表1是粉体粒径对氧化铁红指标的影响。通过表1可知,随着超细氧化铁红粉体的粒径改变,粉体性能和指标也在发生改变。

氧化铁颜料在粉末涂料中的应用与发展

氧化铁颜料在粉末涂料中的应用与发展

氧化铁颜料在粉末涂料中的应用与发展

氧化铁颜料在粉末涂料中的应用与发展

    目前,国外超细氧化铁粉体的生产主要集中在拜耳、亨斯迈等公司,随着近几年国内氧化铁公司的不断发展,浙江华源颜料股份有限公司收购德清户田三峰颜料有限公司,得到了日本户田三峰的技术支持推出了超细氧化铁粉体,并在粉体指标上达到国际领先水平。表2是浙江华源颜料股份有限公司超细氧化铁红、铁黄部分指标,通过图2可以可知,粒径的改变可以提升铁红、铁黄的着色力。

氧化铁颜料在粉末涂料中的应用与发展

氧化铁颜料在粉末涂料中的应用与发展

    粉末涂料对颜料的两大要求是颜料的分散性要好和耐温性要好,耐温性通常要保证180℃下30min内不变色。颜料粉体的分散性有两个含义,一个方面是颜料在自然条件下的分散性,分散性好的颜料不聚集、不结团;另一方面是在溶剂中形成分散体系的速度和分散体系的稳定性,颗粒越细,表面自由能越大,越有结团的倾向,不易分散。通常情况下,颜料分散性与颜料的平均粒径有关,良好的分散性可以提升颜料的着色力、遮盖力、色相等指标,来降低使用过程中的成本。因此,浙江华源颜料股份有限公司制备的超细氧化铁颜料在粒径上可以进行控制,使得其在粉末涂料中得到较好应用。

    1.2耐温氧化铁颜料

    氧化铁颜料的耐温性是衡量氧化铁性能的一个重要指标。通常根据应用领域不同,测试方法也不同,最常见的有烘箱耐温性、注塑耐温性等。由于不同颜色的氧化铁颜料的内部组成结构不同,导致其耐温性也不同,如铁红的耐温性较好,铁黄、铁黑的耐温性比较差,因此,提升铁黄、铁黑颜料的耐温性是氧化铁颜料发展的一个重要课题。竺增林和潘国祥研究了通过包覆手段提升铁黄、铁黑耐温性的课题,并成功开发出了耐温氧化铁黄、耐温氧化铁黑产品,使得铁黄的烘箱耐温性能达到500℃以上,铁黑的烘箱耐温性可以达到600℃以上,较大程度地拓宽了铁黄、铁黑的应用领域。

    下面以氧化铁黄为例来介绍一下氧化铁颜料耐温产品。图2为浙江华源颜料股份有限公司铁黄色卡烘箱耐温图片。通过图2可知,图2(a)和(b)是普通硅铝包覆的氧化铁黄在240℃、5min和270℃、5min耐温后制成的涂料色卡,图2(c)和(d)是缓释包覆的氧化铁黄在240℃、5min和270℃、5min耐温后制成的涂料色卡。通过观察可知,图2(a)和(b)其色差已经比较明显,而通过缓释包覆的图2(c)和(d)氧化铁黄同样在270℃、5min的耐温处理后其涂料色卡的色差仅为1.48(小于3.0为允许色差)。这说明制备出的耐温铁黄颜料粉体能满足粉末涂料行业的需求。

氧化铁颜料在粉末涂料中的应用与发展

氧化铁颜料在粉末涂料中的应用与发展

氧化铁颜料在粉末涂料中的应用与发展

氧化铁颜料在粉末涂料中的应用与发展

    图3为氧化铁黄表面包覆过程示意图。所谓的包覆是指在粒子的表面吸附或包覆一种或多种物质,形成核-壳结构的不同物质复合过程,其形成机理大致可以分为化学键合、库伦引力和过饱和度理论等。目前常用的包覆方法有水热法、沉淀法和表面聚合反应法等。通过图3可知,表面包覆的最终目的是使得铁黄颜料的粒子表面包覆一层物质来抑制氧化铁黄的结构水的消除,使其在高温下稳定存在。目前氧化铁颜料的耐温性可以满足粉末涂料的耐温性,但氧化铁颜料在色相稳定和鲜明度上的研究依旧是更好适用于粉末涂料的重要课题。

    2颜料在粉末涂料中的作用

    2.1粉末涂料的组成

    粉末涂料的是一种新型的、不含溶剂的、100%固体粉末状涂料,具备环境友好的特点,是今后涂料发展的一个大方向。粉末涂料不仅产品是粉末状,在使用过程中依旧是粉末状态,只有在烘烤成膜的时候才出现熔融成液态过程。除此之外,粉末涂料在使用过程中基本不含挥发性成分,成膜物100%为涂料,理论产品率也为100%。目前,粉末涂料的分类按成膜物质可分为热塑型和热固型两类,粉末涂料的组成通常是成膜物质、助剂、颜料和功能组分4部分。成膜物质是涂料的基础,又叫基料;助剂是增加粉末涂料的成膜性,改善粉末涂料的缺陷;颜料主要是为粉末涂料增加色彩和遮盖力;功能组分的作用则是增加粉末涂料的特殊功能,如防腐、阻燃、抗菌等。在使用过程中,成膜物质决定了粉末涂料的主要性质和用途。因此,在不同的使用场合要选用合适的成膜物质以及相应的助剂来满足粉末涂料的涂装。

    2.2粉末涂料对颜料的选择

    颜料在粉末涂料中的使用主要起到着色和装饰效果的作用。常用的有无机颜料和有机颜料,无机颜料具备成本低、耐光耐候好、耐热好、遮盖力强、色相稳定等特点,但是在色相的鲜艳度上要稍逊有机颜料;有机颜料具备颜色鲜度明亮、色相可调节范围宽、着色力高等特点,但是有机颜料往往有成本较高、耐热性差、耐光耐候有限、遮盖力较差等缺点。因此在粉末涂料的使用中无机颜料占有一定优势。在无机颜料中,部分品种的颜料有毒(如含有镉、铬、铅元素的颜料),因此,氧化铁颜料作为传统的环境友好型无毒颜料成为粉末涂料的首选。除此之外,氧化铁颜料还具备色相品种全、颜色可调范围宽等特点。

    2.3粉末涂料用颜料的要求

    目前,适用于粉末涂料的颜料按照性质和用途分可以分为着色颜料、金属颜料、功能颜料、体质颜料等4大类。颜料除了赋予粉末涂料各种色彩外,还能改进粉末涂料的相关机械性能,降低成本。在使用过程中,粉末涂料对颜料的要求为:颜料在粉末涂料的制备、贮存、运输和使用过程中不发生反应;颜料要稳定,不受空气、湿度和环境的影响;颜料在着色方面,要求颜料的分散性、着色力、遮盖力和耐温性要好,通常情况下最佳分散粒径在0.2~0.7μm,耐温性要在180℃以上,因为一般的粉末涂料烘烤在180~200℃;颜料要具备优良的耐光耐候性,特别是在耐候性粉末涂料中,要求耐光性最好达到7~8级,耐候性也要达到5级以上;最后就是要求颜料的吸油量要适中,抗渗性要好;另外,最好不要使用含有毒性的颜料,如铅、镉、铬有毒金属颜料。氧化铁颜料的性质基本满足上面叙述的特点,在粉末涂料中的使用有着巨大的潜力。面对氧化铁颜料存在颜色鲜明度差的问题,通常采用有机颜料和氧化铁颜料混用调色来达到需要色相。

    2.4功能性粉末涂料的发展

    随着粉末涂料的不断发展,功能性粉末涂料成了粉末涂料的研究热点。功能性粉末涂料除了具备传统粉末涂料的装饰和保护作用,还具备了某种特殊的功能。目前,功能性粉末涂料的研究主要包括绝缘、耐热、阻燃、导电、防腐、抗菌、防辐射等领域。功能性粉末涂料的制备方法主要通过对传统的粉末涂料进行优化改进,主要包括生产工艺优化、新物质掺杂、表面处理等手段来制备。由于功能性粉末涂料的用途广泛,应用领域潜力巨大,且国内功能性粉末涂料发展处于起步阶段,因此,功能性粉末涂料在国内的发展空间巨大。

    3氧化铁颜料在粉末涂料中应用分析

    3.1普通氧化铁颜料分析

氧化铁颜料在粉末涂料中的应用与发展

氧化铁颜料在粉末涂料中的应用与发展

    表3是普通氧化铁红、铁黄粉末涂料的配制表格。实验颜料选用浙江华源颜料股份有限公司的普通铁黄(NO313)和普通氧化铁红(190),对比颜料为市面上常用的普通无机红和无机黄,具体配方如表3所示。实验过程中采用三立试验型挤出机,挤出条件:Ⅰ/Ⅱ区,100℃/120℃;预混过程采用高速混合,混速为3000r/m,混合2min;粉碎方式采用咖啡磨;粉体过筛采用180目筛网;板材选用3mm铁板,在喷涂前用砂纸打磨进行除锈除油处理,涂层厚度控制在80μm。

氧化铁颜料在粉末涂料中的应用与发展

氧化铁颜料在粉末涂料中的应用与发展

    表4是实验数据分析表格,通过分析可知,普通铁黄(NO313)和普通氧化铁红(190)在光泽度上要优越于市面上的普通无机红和无机黄。通过对耐温性进行分析,在200℃、10min时,华源铁黄(NO313)的ΔE为0.06,当条件为240℃、25min时,ΔE为0.58;相比与市面上的无机黄在240℃、25min时ΔE已经为1.58。说明华源铁黄(NO313)在粉末涂料中的耐温性要明显优越于市面上的普通无机黄。同理,可以分析出华源铁红(190)在粉末涂料中的耐温性要明显优越于市面上的普通无机红。也说明普通铁黄(NO313)和普通氧化铁红(190)粉体在粉末涂料中的耐温性优越于市面上普通无机黄、无机红,且分散性、光泽度较好。

    3.2耐温氧化铁颜料分析

    实验颜料选用耐温氧化铁黄(980T)和市面上的普通耐温氧化铁黄,详细配方见表5。每种颜料分别按两种配方配制,耐温铁黄(980T)对应配制表格中的1和2,市面上的普通耐温氧化铁黄对应配制表中的3和4,并采用两组分1∶1混合进行涂装。实验过程中依旧采用三立试验型挤出机,挤出条件:Ⅰ/Ⅱ区,100℃/120℃;预混过程采用高速混合,混速为3000r/min,混合2min;粉碎方式采用咖啡磨;粉体过筛采用180目筛网;板材选用3mm铁板,在喷涂前用砂纸打磨进行除锈除油处理,涂层厚度控制在80μm。

氧化铁颜料在粉末涂料中的应用与发展

氧化铁颜料在粉末涂料中的应用与发展

氧化铁颜料在粉末涂料中的应用与发展

氧化铁颜料在粉末涂料中的应用与发展

    表6是耐温氧化铁黄实验数据分析表格。通过分析可知,耐温氧化铁黄(980T)在最终应用铝型材转印产品上的图案一直保持清晰状态,与市面上的普通耐温铁黄相比较有明显优势。如今环保盛行,各个行业向绿色转型,全铝制家具随着市场的需求一呼而出,由于其具有环境友好、轻质化、耐腐蚀性、使用周期长、可循环利用等优点,给社会带来了巨大的利益,得到越来越多的家庭的认同和使用,整个家具行业开始向全铝制热转印木纹粉方向转型。目前国内颜料企业紧跟粉末涂料市场发展动向,在耐温系列粉体方面开展了相关研究。

    4结语

    随着环保政策的逐步加紧,粉末涂料作为环境友好型涂料,其发展潜力巨大。同时,粉末涂料也将在原材料的选择上更加注重原材料的性能和环境友好。

    氧化铁颜料作为传统的无机颜料,具有环境友好、色相种类多等特点得到广泛应用。目前,氧化铁也在不断往高端发展,其中超细系列、耐温系列均在传统粉体上进行了改进,提升了粉体的耐温性、分散性等指标,能较好的满足粉末涂料的发展。

    粉末涂料的发展正逐步从传统往功能性粉末涂料发展。功能性粉末涂料在国内应用潜力巨大。同时,随着功能性粉末涂料的发展,对制备工艺优化、原材料性能指标的提升也是一大挑战。