持续成功：从智能添加剂到智能粉末涂料

作者：Andy Noble-Judge，研发经理；Chris Barbé，首席技术官；Ceramisphere公司；Tyler Siska，研发经理，Erie粉末涂料公司

通过不断的创新，粉末涂料领域持续快速成长和发展。目前，粉末涂料市场约占全球涂料市场的10-15%（到2025年将超过170亿美元）， ¹随着新添加剂的出现，新的应用领域正在探索之中。原材料供应商必须迎接挑战，帮助施工方和制造商满足客户对粉末涂料的新需求。未来粉末涂料面临的一些关键挑战包括：用低碳足迹取代VOC涂料；改善流动性和边缘覆盖性能；提高固化温度和时间，从而扩大可涂覆材料的种类（例如塑料、木材、纤维板等）；在应用过程中降低能耗；防腐蚀， ² 这仍然是整个行业的一个关键、并希望得到改进的性能领域。

粉末涂料的防腐蚀性能由几个关键参数决定。首先是基材预处理，正确和适当的预处理和基材清洁将确保一致的耐腐蚀性能，与所能达到的附着力水平直接相关。 ³ 第二个关键参数是粉末涂层的相对抗渗透性。与传统的液体涂料相比，由于热固性聚合物的高交联密度，水渗透到涂层和基材表面的速度要慢得多。这有助于减缓腐蚀的发生，但通过涂层的水分渗透程度也受到许多其他因素的影响，包括但不限于涂层厚度、固化、涂料化学和颜料用量。随着粉末涂料市场的增长，对粉末涂料所能实现的目标也在增长。

防腐蚀助剂的选择是腐蚀控制的关键因素。只有很少的添加剂适用于粉末涂料，以帮助减轻腐蚀或降低腐蚀的可能性。这种局限性主要是由于热固性粉末涂料本身就具有优良的耐腐蚀性。在液体涂料行业成功运营和销售的绝大多数耐腐蚀助剂，其水平可以一直被证明是可量化的改进体系，但都无法在热固性涂料中提供增强效果。例如，在液体涂料中使用的硅烷附着力促进剂，可以通过显著增加涂料与基材的附着力而使液体涂料体系中的耐腐蚀性几乎加倍。同一种添加剂加入到工业标准的TGIC固化聚酯热固性涂料中时，几乎没有可量化的改善，因为其附着力已经大大优于硅烷增强的液体涂料。

在热固性涂料制造商可用的为数不多的添加剂中，锌颜料是迄今为止最常见的。由于要达到镀锌效果所需的锌量，富锌涂层的颜料含量非常高（>50%）。此外，锌被列为重金属，含有如此高重金属含量的涂料会贴上环境危害标签（对土壤和水污染，即GHS“死鱼死树标签”）。随着人们对重金属对环境影响的认识不断提高，相对于富锌涂料，能够生产出标签要求更低的产品是更有利的。

新发展

Inhibispheres?是一种用于粉末涂料的新型缓蚀剂。 4-6 它利用了一种基于二氧化硅基质微胶囊化缓蚀剂的缓释技术。这些有机和金属有机缓蚀剂比现有的重金属缓蚀剂更有效，它的颗粒具有很强的机械韧性，能够承受粉末挤压过程中经受的强大机械力。它们的热稳定性也很高，能够经受粉末涂料制造和后固化过程中的温度。当湿气通过涂层破裂（裂缝/划痕）或冷凝渗入涂层时，它们可以通过增溶释放出抑制剂，来抑制腐蚀。标签方面，由于Inhibispheres是一种对环境低影响的产品，因此不需要贴任何额外的危险或环境标签。

目前，对粉末涂料的需求仍在不断增长，这种涂料能够在钢铁基材上提供优异的耐腐蚀性，而无需费时费力地使用富锌底漆。Smart Seal产品的开发在粉末涂料领域独树一帜，它提供了一种不含锌的单涂层体系，可以大大提高性能，远远超过目前市场上的单涂层应用体系的性能。这种单涂层体系利用了Inhibispheres的缓释特性来提高其防腐蚀潜力。这是一个卓越的替代富锌底漆的方案，特别是在需要加强防腐蚀保护，而双涂层体系难以或不可能实施的情况下。B117中性耐盐雾试验表明，Smart Seal粉末涂料的耐腐蚀性是行业标准TGIC固化聚酯体系的两倍。

配方

Erie粉末涂料公司的Smart Seal产品是粉末涂料配方的独特进步。它利用Inhibispheres腐蚀抑制剂，在不影响光学或机械性能的情况下，使单涂层体系具有与两层富锌涂层体系相当的耐腐蚀性能。Inhibispheres腐蚀抑制剂已被加入一个超级耐用（PIA）的聚酯涂料中。在120℃下挤出的预混料和熔融混合物中加入该抑制物，产品很容易分散到了混合物中，使用单螺杆或双螺杆挤出机时，也不会对吞吐量造成可量化的损害。在试验中，我们制备了三种不同的涂层体系（表1），进行了涂施（表2），并比较了它们的耐腐蚀性能（表3）和涂层性能（表4）。

应用参数

在7级处理的冷轧钢上涂敷一层涂层，并使用手动静电喷枪进行喷涂，使所有面板上形成70-80微米（2.8-3.2mil）的漆膜。双涂层体系由40-50微米（1.5-2.0mil）的底漆涂层和50-60微米（2.0-2.5mil）的面漆组成，总涂层厚度为90-110微米（3.5-4.5mil），如图1所示。底漆体系为富锌聚酯，面漆体系为超耐用（PIA）聚酯，它在耐盐雾试验中具有优异的性能，额定性能要超过2000小时。

防腐蚀性能

根据ASTM B117方法，使用NSST来进行耐腐蚀试验。 7将样板划线至金属基材，然后在盐雾箱中暴露1000/2000小时。通过腐蚀测试标准，每隔一段时间对样板进行检测，并根据ASTM D1654规定的方法对划线部分进行腐蚀评级。

将Inhibispheres作为一种防腐蚀剂加入涂料中，提高了涂层的耐腐蚀性，使单涂层体系达到了与双涂层体系相似的性能。在表3中的图中，可以看到不同间隔时间的耐腐蚀性能。很明显，与单涂层参考样品相比，在1000小时和2000小时的盐雾试验中，Smart Seal涂层的性能有着显著改善。将Smart Seal产品与双涂层参考样品进行比较，结果表明性能略有下降，但在腐蚀控制方面仍具有可比性。在2000小时时，两个体系的划线处蠕变均小于1/8英寸（3mm）。这是单涂层无锌体系的重大成果。

机械和光学性能

Inhibispheres防腐蚀剂的加入，并不会影响涂层的机械性能和光学性能。与参考涂层相比，划格法试验（5B）和铅笔硬度（H）都未产生变化。Inhibispheres的添加对涂层的光学性能几乎没有影响。在配方、固化和测试过程中，光泽和颜色也都保持稳定。采用单涂层体系的半光泽面漆，可与具有双涂层半光泽面漆的体系相媲美。由于Inhibispheres对光泽度几乎没有影响，因此可以在单涂层产品中生产高光泽涂层，同时保持其耐腐蚀性能（表4）。

涂料应用

任何要求比现有单涂层体系具有更高耐腐蚀性的钢基材，都是采用Inhibispheres技术制备Smart Seal系列耐腐蚀粉末涂料的主要候选应用。如果不希望采用双涂层锌基耐腐蚀工艺，或出于安全考虑不可能采用，则强烈建议使用SmartSeal粉末涂料作为最佳替代方案。除了提供几乎媲美双涂层锌基体系的耐腐蚀性能外，Smart Seal粉末涂料还将应用时间缩短了一半。这不仅简化了涂覆工艺，而且消除了锌底漆固有的层间分层风险。缩短涂覆时间、大幅减少重涂风险，将大大降低成本。

农业设备的使用寿命可以延长，暴露在严酷的冬季盐渍路面上的基材也可以使用更长的时间，放置在户外条件下的装饰物品也可以长时间地保持美观。如果生锈是一个问题，那使用了Inhibispheres 腐蚀抑制剂的Smart Seal粉末涂料可能会是较好的解决办法。

总结

一般来说，粉末涂料对钢材具有较好的附着力和耐腐蚀性能。在ASTM B117盐雾试验中，将7级处理冷轧钢基材上的涂层从划线处3mm（1/8?）进行测试，发现最好产品的耐盐雾性能将达到1000小时。然而，从来没有一种不含锌的产品能够在盐雾测试中通过1000小时。其他经过广泛测试并得到高度评价的竞争产品仍然只能达到约1000小时。Erie粉末涂料公司利用Ceramisphere公司新的Inhibispheres腐蚀抑制缓释技术生产了Smart Seal系列产品。在该涂料中添加Inhibispheres助剂，可形成具有独特性能的单涂层体系，并可提供与双涂层体系几乎相同的耐腐蚀水平。根据时间和涂覆周期看，该粉末涂料为施工方大大节约了成本，同时，还实现了最佳保护。此外，这种涂料是环保的，不会贴上额外的危险标签。Ceramisphere和Erie粉末涂料公司之间的合作，为市场带来了出色的防腐蚀粉末产品。添加剂和涂料制造商之间的这种相互作用，产生了非凡的结果，并有助于粉末涂料市场的进一步创新。

参考资料

1 Locicero,A.Coatings World,Nov 2019,pg.29-32.
2 Challener,C.CoatingsTech,Vol.15,No.8,Aug 2018,pg.32-39.
3 Chalk,D.B.Powder Coating Tough,Jan-Feb 2020,pg.16-20.
4 Noble-Judge,A.;Barbé,C.Paint and Coatings Industry,Oct 2016,pg.22-26.
5 Noble-Judge,A.;Barbé,C.Paint and Coatings Industry,Feb 2019,pg.26-31.
6 Noble-Judge,A.;Barbé,C.Paint and Coatings Industry,Mar 2020,pg.44-50.
7 ASTM B117 - Standard Practice for Operating Salt Spray (Fog) Apparatus.
8 ASTM D714 - Standard Test Method for Evaluat-ing Degree of Blistering of Paints.
9 ASTM D1654 - Standard Test Method for Evalua-tion of Painted or Coated.
10 ASTM D2794 - Standard Test Method for Resis-tance Of Organic Coatings To The Effects Of Rapid Deformation (Impact).
11 ASTM D3363 - Standard Test Method For Film Hard- ness By Pencil Test.
12 ASTM D3359 - Standard Test Methods for Rating Adhesion by Tape Test.
13 ASTM D522 - Standard Test Methods for Mandrel Bend Test of Attached Organic Coatings.