В эпоху защиты окружающей среды и трансформации лакокрасочной промышленности разработка экологически чистых покрытий стала неизбежным выбором для предприятий. Однако экологически чистые покрытия не ограничиваются покрытиями на водной основе. Если компании спешат разрабатывать покрытия на водной основе, однородность продукции неизбежно возникнет. Помимо покрытий на водной основе, покрытия с высоким содержанием твердых частиц, покрытия без растворителей и порошковые покрытия также являются экологически чистыми вариантами и должны стать ключевыми направлениями развития лакокрасочной промышленности. Согласно исследовательскому отчету, ожидается, что Азиатско-Тихоокеанский регион испытает самый высокий рост как по стоимости, так и по объему рынка порошковых покрытий с 2017 по 2022 год. Технология порошковых покрытий стремительно развивается, чтобы удовлетворить спрос на рынке. Под влиянием рыночных сил исследования по применению различных порошковых материалов в покрытиях становятся все более важными.
I. Обзор порошковых покрытий
1. Введение в порошковые покрытия
Порошковые покрытия появились в 1950-х годах как экологически чистая альтернатива с содержанием твердого вещества 100% и без летучих органических соединений (ЛОС). Порошковые покрытия предлагают несколько преимуществ: экономия энергии, снижение загрязнения, простота обработки, простота промышленной автоматизации и превосходные характеристики покрытия.
Порошковые покрытия изготавливаются из комбинации полимеры, пигменты, наполнители и добавки. Поскольку они не выделяют летучих растворителей, они экологичны и обеспечивают превосходную экологическую защиту. Порошковые покрытия могут образовывать более толстые слои за одно применение, повышая эффективность производства. Они также обеспечивают превосходные механические свойства, стойкость к химической коррозии и высококачественную отделку. Использование порошковых покрытий экономит как энергию, так и ресурсы, с коэффициентом использования до 99%. Эти покрытия безопасны в использовании и экономически эффективны. Как решение без растворителя, порошковые покрытия соответствуют всемирно популярным принципам «четырех E»: экономичность, защита окружающей среды, эффективность и превосходная производительность.
2. Обзор рынка порошковых покрытий
По мере роста спроса на электроприборы и легковые автомобили, растет и спрос на порошковые покрытия. Растущий спрос как со стороны конечных отраслей развитых, так и развивающихся стран способствовал росту рынка порошковых покрытий. По данным исследовательской компании Markets and Markets, прогнозируется, что мировой рынок порошковых покрытий достигнет $134.9 млрд к 2022 году, с годовым темпом прироста (CAGR) 6.75% с 2017 по 2022 год.
Из-за ряда факторов, в частности быстрой урбанизации и роста в жилищном, строительном и автомобильном секторах, спрос на порошковые покрытия в Китае рос быстрее, чем в любой другой стране. В 2016 году объем производства порошковых покрытий в Китае достиг 2,07 млн тонн, что сделало его крупнейшим рынком порошковых покрытий в мире.
Рисунок 1: Изменения в объеме производства порошковых покрытий в Китае с 2009 по 2016 год (единица измерения: 10 000 тонн)
Что касается производства, то порошковые покрытия в настоящее время составляют около 11% от общего объема производства покрытий в Китае. Согласно «13-му пятилетнему плану», ожидается, что общий объем производства лакокрасочной промышленности к 2020 году увеличится примерно до 22 миллионов тонн. Из этого объема экономически эффективные и экологически чистые покрытия, как прогнозируется, составят 57% от общего объема производства. К 2020 году доля порошковых покрытий, как ожидается, вырастет примерно до 18%, а объем производства составит около 4 миллионов тонн. Быстрое развитие порошковых покрытий неизбежно приведет к росту спроса на порошковые наполнители.
II. Анализ применения различных порошковых материалов в порошковых покрытиях
Наполнители в покрытиях не только помогают снизить затраты, но и значительно повышают эксплуатационные характеристики продуктов покрытия. Например, наполнители могут улучшить износостойкость, стойкость к царапинам, коррозионную стойкость и влагостойкость покрытия. Они также помогают уменьшить провисание покрытия в процессе выравнивания расплава.
При выборе наполнителей для порошковых покрытий необходимо учитывать такие факторы, как плотность, дисперсионная способность, распределение размера частиц и чистота. Как правило, чем выше плотность наполнителя, тем меньшее покрытие он обеспечит в порошковом покрытии. Более крупные частицы, как правило, лучше диспергируются, чем более мелкие. Наполнитель должен быть химически инертным, чтобы не реагировать с другими компонентами порошковой формулы, такими как пигменты, а его цвет должен быть как можно более белым. Обычные порошковые материалы, используемые в порошковых покрытиях, включают карбонат кальция, сульфат бария, тальк, порошок слюды, каолин, кремнезем и волластонит.
1. Применение карбоната кальция в порошковых покрытиях
Карбонат кальция выпускается в двух формах: легкий карбонат кальция (осажденный карбонат кальция) и тяжелый карбонат кальция. Независимо от типа, размер частиц карбоната кальция существенно влияет на блеск покрытия. Однако карбонат кальция, как правило, не рекомендуется для использования на открытом воздухе из-за его более низкой устойчивости к атмосферным воздействиям.
В порошковых покрытиях тяжелый карбонат кальция выполняет несколько функций. Он может частично заменить диоксид титана и цветные пигменты, заменить легкий карбонат кальция и осажденный сульфат бария, предотвратить коррозию и действовать как частичная замена антикоррозионных пигментов.
При использовании в архитектурных красках для внутренних помещений тяжелый карбонат кальция можно применять отдельно или в сочетании с тальковой пудрой. По сравнению с тальком карбонат кальция помогает снизить скорость пудрообразования, улучшает сохранение цвета в светлых красках и повышает устойчивость к плесени. Однако его низкая кислотостойкость ограничивает его применение в наружных покрытиях.
С другой стороны, легкий карбонат кальция имеет меньший размер частиц, более узкое распределение размеров частиц и более высокую абсорбцию масла и яркость. Он особенно полезен в приложениях, где требуется максимальный матирующий эффект.
2. Применение сульфата бария в порошковых покрытиях
Сульфат бария, используемый в покрытиях, можно разделить на два типа: природный и синтетический. Природная форма известна как баритовый порошок, а синтетическая форма называется осажденным сульфатом бария.
В порошковых покрытиях осажденный сульфат бария улучшает выравнивание и сохранение блеска покрытия, а также имеет хорошую совместимость с красителями. Он помогает достичь идеальной толщины покрытия в процессе распыления, обеспечивая высокую скорость порошкового покрытия.
Баритовый порошок в основном используется в промышленных грунтовках и автомобильных промежуточных покрытиях, которые требуют высокой прочности покрытия, заполняющей способности и химической инертности. Он также используется в верхних покрытиях, где требуется более высокий блеск. Благодаря высокому показателю преломления (1,637) мелкий баритовый порошок может функционировать как полупрозрачный белый пигмент, что делает его отличной заменой части диоксида титана в покрытиях.
3. Применение слюдяного порошка в порошковых покрытиях
Слюдяной порошок состоит из сложных силикатов и имеет хлопьевидные частицы. Он высоко ценится за свою отличную термостойкость, кислото- и щелочестойкость, а также за его влияние на текучесть расплава порошковых покрытий. Слюдяной порошок обычно используется в термостойких и изоляционных порошковых покрытиях, а также может служить наполнителем в текстурных порошковых покрытиях.
Среди различных типов слюды серицит имеет химическую структуру, похожую на структуру каолина, и сочетает в себе характеристики как слюдяных, так и глинистых минералов. Его применение в покрытиях может значительно улучшить устойчивость к атмосферным воздействиям и водопроницаемость, усилить адгезию и прочность, а также улучшить общий внешний вид покрытия. Кроме того, частицы красителя могут легко проникать в промежуточный слой решетки порошка серицита, помогая цвету оставаться ярким с течением времени. Порошок серицита также проявляет противоводорослевые и противоплесневые свойства, что делает его многофункциональным наполнителем с отличным соотношением цены и качества для покрытий.
4. Применение талька в порошковых покрытиях
Тальковый порошок, также известный как водный силикат магния, напрямую измельчается из тальковой руды. Его частицы представляют собой игольчатые кристаллы с жирным ощущением, мягкой текстурой и низкой абразивностью. Тальк обладает хорошей суспензией и диспергируемостью, а также некоторой тиксотропностью, что существенно влияет на текучесть расплава порошковых покрытий. Его часто используют в текстурных порошках.
Тальк является экономически эффективным материалом; однако у него есть несколько недостатков, которые ограничивают его использование. Например, он имеет высокую скорость поглощения масла, и в приложениях, требующих низкого поглощения масла, его необходимо сочетать с наполнителями, такими как баритовый порошок, которые имеют низкое поглощение масла. Кроме того, его износостойкость относительно низкая, поэтому другие наполнители должны быть добавлены, когда требуется высокая износостойкость. Тальк, содержащий другие неметаллические минералы, не подходит для наружных покрытий, которые требуют высокой устойчивости к атмосферным воздействиям, поскольку примесные минералы склонны реагировать с кислотами (например, кислотными дождями). Тальк также обладает матирующими свойствами, что означает, что его обычно избегают в высокоглянцевых покрытиях.
5. Применение диоксида кремния в порошковых покрытиях
Пористый порошкообразный кварц, тип кремнезема, известен своей безопасностью и широко используется в порошковых покрытиях, включая огнезащитные покрытия, водонепроницаемые покрытия и антикоррозионные покрытия. Низкая стоимость пористого порошкообразного кварца позволяет снизить общую стоимость порошковых покрытий. Он также заменяет сульфат бария, снижая содержание растворимого бария и помогая соответствовать стандартам защиты окружающей среды.
Кроме того, пирогенный кремнезем обычно используется в порошковых покрытиях в качестве разрыхляющего и противослеживающего агента. Пирогенный кремнезем является многофункциональным пигментом для тела и эффективным средством контроля реологии в покрытиях. В жидких покрытиях он выполняет такие функции, как загущение, тиксотропия, противодействие провисанию и покрытие краев. В порошковых покрытиях он улучшает текучесть порошков, предотвращая агломерацию и способствуя псевдоожижению.
6. Применение каолина в порошковых покрытиях
Каолин используется в порошковых покрытиях для улучшения тиксотропии и противоосаждения. Прокаленный каолин, который не влияет на реологические свойства, также может придавать матирующий эффект, увеличивать укрывистость и улучшать белизну, подобно тальку.
Каолин обычно имеет высокое водопоглощение, что делает его непригодным для улучшения тиксотропности покрытий или для приготовления гидрофобных покрытий. Размер частиц каолина составляет от 0,2 до 1 мкм. Каолин с более крупными частицами имеет более низкое водопоглощение и обеспечивает лучший матирующий эффект, в то время как каолин с более мелкими частицами (менее 1 мкм) подходит для полуглянцевых покрытий и внутренних покрытий.
Каолин можно разделить на прокаленный каолин и промытый каолин. Как правило, прокаленный каолин имеет более высокую абсорбцию масла, непрозрачность, пористость, твердость и яркость по сравнению с промытым каолином.
7. Применение полых стеклянных микросфер в порошковых покрытиях
Полые стеклянные микросферы представляют собой крошечные полые сферические порошки, обладающие рядом преимуществ, включая малый вес, большой объем, низкую теплопроводность, высокую прочность на сжатие, изоляцию, коррозионную стойкость, нетоксичность, хорошую диспергируемость, текучесть и стабильность.
В порошковых покрытиях полые стеклянные микросферы выполняют следующие функции:
1) Теплоизоляция: Внутренняя часть полых стеклянных микросфер заполнена вакуумом или разреженным газом, что создает разницу в плотности и теплопроводности с эпоксидной смолой. Это свойство обеспечивает им превосходную теплоизоляцию и делает их идеальными для порошковых покрытий, устойчивых к высоким температурам.
2) Улучшенные физические и механические свойства: Эти микросферы могут повысить твердость и жесткость порошковых покрытий. Однако ударопрочность может снизиться в зависимости от обработки поверхности микросфер. Правильные связующие агенты могут смягчить это снижение ударопрочности.
3) Низкая абсорбция масла: Скорость абсорбции масла полыми стеклянными микросферами колеблется от 7 мг до 50 мг на 100 г в зависимости от модели. Такая низкая абсорбция масла увеличивает количество наполнителя в продукте, эффективно снижая общую стоимость.
8. Применение волластонита в порошковых покрытиях
Основным компонентом волластонита является силикат кальция, плотность которого составляет 2,9 г/см³, показатель преломления — 1,63, а скорость поглощения масла — 30-50%. Он имеет игольчатую структуру и отличную яркость.
В порошковых покрытиях обычно используется порошок натурального волластонита. Он обрабатывается из натурального волластонита и служит в качестве основного пигмента, который может заменить часть белого пигмента, улучшая покрытие и снижая стоимость покрытия. Благодаря своей хорошей проводимости волластонит часто используется в эпоксидных изоляционных порошковых покрытиях. Кроме того, белая игольчатая структура волластонита улучшает изгибные и разрывные свойства порошковых покрытий.
III. Тенденция развития порошковых наполнителей для порошковых покрытий
1. Обработка поверхности порошковых наполнителей
Все порошковые наполнители полярны, в то время как порошковые смолы также высокополярны. Это может привести к плохой совместимости между ними, что отрицательно скажется на обработке и эксплуатационных характеристиках покрытия. Чтобы решить эту проблему, часто необходимо обрабатывать порошковые наполнители либо физическими методами (такими как поверхностное покрытие и адсорбция), либо химическими методами (такими как поверхностное замещение, гидролиз, полимеризация и прививка). Эти обработки помогают значительно уменьшить размер частиц агрегатов или улучшить текучесть системы, улучшая эксплуатационные характеристики, качество поверхности (такое как блеск и яркость цвета) и механическую прочность покрытия.
2. Микронизация порошковых наполнителей
Когда соотношение смолы порошкового покрытия и наполнителя остается постоянным, чем меньше размер частиц наполнителя, тем лучше поверхностные характеристики и механические свойства покрытия. Если размер частиц наполнителя уменьшить до диапазона, аналогичного диоксиду титана (0,2-0,5 мкм), агломераты в формуле могут быть изолированы, создавая более эффективные центры дисперсии и улучшая укрывистость диоксида титана. Это принцип пространственного разделения микронизированных наполнителей. Аналогично, микронизированные наполнители могут уменьшить количество необходимого пигмента, тем самым повышая эффективность.
3. Нанотехнология порошкового наполнителя
Обычно используемые наноматериалы включают нанодиоксид кремния, нанодиоксид титана и нанокарбонат кальция. Отчеты показывают, что нанодиоксид титана улучшает прозрачность, механические свойства и поглощение ультрафиолета покрытиями. Он особенно полезен в автомобильных лаках, где он значительно улучшает атмосферостойкость порошковых покрытий. Однако, поскольку наноматериалы представляют собой чрезвычайно мелкие частицы с высокой поверхностной активностью, они склонны к агломерации и флокуляции. Поэтому поверхностная обработка нанонаполнителей, наряду с правильными методами добавления, диспергирующим оборудованием и оптимальными количествами, имеет решающее значение для их успешного применения в порошковых покрытиях. При разработке формул порошковых покрытий следует выбирать различные наполнители на основе требований к эксплуатационным характеристикам продукта для достижения наилучших результатов.
4. Функционализация наполнителей порошковых покрытий
Тенденция развития функционализированных порошковых покрытий направлена на улучшение физических, химических и механических свойств покрытий в определенных областях или введение новых функций. Например, порошки каолина и волластонита используются для создания электроизоляционных порошковых покрытий, которые снижают затраты и улучшают электроизоляцию. Гидроксид алюминия и гидроксид магния обладают огнестойкими свойствами и могут использоваться для производства огнестойких порошковых покрытий. Эти наполнители также могут контролировать реологию, улучшать адгезию, регулировать блеск и повышать укрывистость. Поэтому фокус наполнителей в порошковых покрытиях смещается от простого снижения затрат к включению более функциональных исследований, разработке новых наполнителей с превосходными характеристиками при низких затратах для удовлетворения меняющихся потребностей индустрии порошковых покрытий.
Заключение
Рост пудра Рынок покрытий отражает более широкий сдвиг в сторону экологически чистых и высокопроизводительных решений для покрытий. Поскольку отрасли стремятся к устойчивости, порошковые покрытия предлагают убедительную альтернативу со значительными преимуществами с точки зрения энергоэффективности, рентабельности и экологического воздействия. С постоянным развитием инновационных порошковых наполнителей и технологий покрытий будущее этой отрасли выглядит многообещающим.
