Краткое обсуждение тенденций применения и развития порошковых наполнителей

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 продукта 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 со 100% содержанием твердых веществ и без летучих органических соединений (ЛОС). Порошковые покрытия обладают рядом преимуществ: экономия энергии, снижение загрязнения, простая обработка, простота промышленной автоматизации и превосходные характеристики покрытия.

Порошковые покрытия изготавливаются из комбинации полимеров, пигментов, наполнителей и добавок. 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, при этом коэффициент использования достигает 99%. Эти покрытия безопасны в использовании и экономически эффективны. Как решение без растворителей, 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, спрос на порошковые покрытия также увеличивается. Растущий спрос со стороны как развитых, так и развивающихся отраслей промышленности способствовал росту рынка порошковых покрытий. По данным исследовательской компании Markets and Markets, прогнозируется, что мировой рынок порошковых покрытий достигнет 134,9 млрд долларов к 2022 году, а среднегодовой темп роста (CAGR) составит 6,75% с 2017 по 2022 год.

Из-за нескольких 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 порошковой лакокрасочной промышленности Китая с 2009 по 2016 год (единица: 10 000 тонн)

С точки зрения объема производства порошковые покрытия в настоящее время составляют примерно 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 ожидается, 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 улучшить эксплуатационные характеристики продуктов покрытия. Например, наполнители могут улучшить износостойкость, стойкость к царапинам, коррозионную стойкость и влагостойкость покрытия. Они также помогают уменьшить провисание покрытия во время процесса выравнивания расплава.

При выборе наполнителей для порошковых покрытий необходимо учитывать такие факторы, как плотность, дисперсионная эффективность, 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 максимально 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 служит нескольким целям. 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 тальковым порошком. По сравнению с тальком карбонат кальция помогает снизить скорость порошкообразования, улучшает сохранение цвета в светлых красках и повышает устойчивость к плесени. Однако его плохая кислотостойкость ограничивает его использование 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. Это особенно полезно в тех случаях, когда 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 порошок барита, 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 атмосферостойкость 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 превосходным 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 суспензионной 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 порошок барита, которые имеют низкое поглощение масла. Кроме того, его износостойкость относительно низкая, поэтому необходимо добавлять другие наполнители, 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 диоксид кремния обычно используется в порошковых покрытиях в качестве разрыхляющего и противослеживающего агента. Пирогенный диоксид кремния является многофункциональным пигментом для тела и эффективным агентом для 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 противоосадочной способности. 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 — это крошечные полые сферические порошки, которые обладают 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 дает 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) Низкое поглощение масла: Скорость поглощения масла полыми стеклянными микросферами составляет от 7 мг до 50 мг на 100 г в зависимости от модели. Это низкое поглощение масла увеличивает количество наполнителя в продукте, эффективно снижая общую стоимость.

8. Применение волластонита в порошковых покрытиях

Основным компонентом волластонита является силикат кальция с плотностью 2,9 г/см³, показателем преломления 1,63 и степенью маслоемкости 30-50%. Он имеет игольчатую структуру и превосходную 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 наполнители для порошковых покрытий полярны, в то время как смолы для порошковых покрытий 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, повышая производительность обработки, 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 диапазону диоксида 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 для порошковых покрытий

Тенденция развития функционализированных порошковых покрытий направлена на улучшение физических, химических и механических свойств покрытий в определенных областях или на внедрение 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 с простого снижения затрат на включение более функциональных исследований, разработку новых наполнителей с превосходными характеристиками при низких затратах для удовлетворения меняющихся потребностей индустрии порошковых покрытий.

Заключение

ЗаключениеРост рынка порошковых 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, экономической эффективности и экологического воздействия. С постоянным развитием инновационных порошковых наполнителей и технологий покрытий будущее этой отрасли выглядит многообещающим.