摘要：討論了玻璃化溫度與邦定工藝的關係，以及邦定設備、工藝控制、金屬粉顏料、配方設計等因素對邦定效果的影響。
1、前言
金屬效果粉末塗料的生產以往大多採用幹混法(Dry-Blending），時常發生金屬效果顏料與底粉分離，回收粉噴塗時顏色差異大，金屬效果顏料堵槍頭，靜電噴塗施工困難等問題。
用珠光顏料配製的粉末塗料上述問題更加明顯。隨著我國粉末塗料行業的飛速發展，通過技術創新和消化國外技術，我國已經擁有自主研發的邦定設備和邦定工藝技術。
聚合物在宏觀上呈現玻璃態、高彈態和粘流態三種力學狀態。玻璃化轉變溫度(Glass transition temperature)又稱玻璃化溫度，是指無定形或半結晶型聚合物從高彈態向玻璃態轉變(或相反方向轉變)的溫度範圍(近似中點溫度)，通常以Tg表示，聚合物的溫度-形態關係曲線如圖1所示。
邦定(Bonding)技術是在專用的邦定設備中，將粉末塗料底粉加熱到接近玻璃化溫度的臨界溫度，在惰性氣體保護和攪拌條件下加入金屬效果顏料，使其粘結在軟化的粉末塗料粒子表面，然後快速冷卻，避免「粘接」有金屬效果顏料的粉末塗料粒子結塊，從而得到邦定粉末塗料。
粉末塗料的Tg與邦定工藝技術息息相關，若邦定工藝溫度比粉末塗料的Tg高很多，粉末就會結塊；若邦定工藝溫度比粉末塗料Tg低很多，底粉就不能與金屬效果顏料「粘接」。
適合的邦定工藝以Tg等相關參數為基礎，要製備高質量的邦定粉，先進的邦定設備以及工藝條件的控制均十分重要。
2、玻璃化溫度的測試方法
測定聚合物玻璃化溫度的方法主要有：膨脹計法、折光率法、動態熱機分析(DMA)、靜態熱機分析(TMA)、核磁共振法(NMR)、差示掃描量熱分析(DSC)等。DSC是粉末塗料行業廣泛用於玻璃化溫度測定的分析方法。
2.1 膨脹計法
在膨脹計內裝入適量的待測聚合物，抽真空使對待測聚合物沒有溶解作用的惰性液體充入膨脹計內，然後在油浴中以一定的升溫速率對膨脹計加熱，記錄惰性液體柱高隨溫度的變化。
高分子聚合物在玻璃化轉變前後體積發生突變，對應在惰性液體柱高-溫度曲線上產生折點。折點對應的溫度即為待測聚合物的玻璃化溫度Tg。
2.2 折光率法
利用高分子聚合物在玻璃化轉變前後折光率發生突變的特點，通過測定折光率突變點確定高聚物的玻璃化轉變溫度Tg。
2.3 動態熱機分析DMA
聚合物在周期性變化的外力作用下產生的形變，且材料形變與溫度有關，DMA分析可以得到儲能模量、損耗模量和阻尼因子tgδ隨溫度變化的曲線。曲線峰值標誌著材料內部的結構變化，相應的溫度即為材料的玻璃化轉變溫度Tg。
2.4 靜態熱機分析TMA
TMA技術用於分析聚合物材料在恆力作用下隨溫度或時間變化所產生的形變，形變值隨溫度或時間的變化曲線上之折點即為材料的玻璃化轉變溫度Tg。
2.5 核磁共振法NMR
隨溫度升高聚合物的分子運動加快，質子環境被平均化[處於高能量的帶磁矩質子與處於低能量的帶磁矩質子在數量上開始接近；N-/N+=exp(－E/kT)]，共振譜線變窄。
當溫度升高至玻璃化轉變溫度Tg時，譜線寬度發生很大改變。利用聚合物材料核磁共振譜的特性，通過分析譜線獲得聚合物的玻璃化轉變溫度Tg。
2.6 DSC法
差示掃描量熱法DSC可以看作是DTA分析的繼續，即將試樣和參比物在程序升溫或降溫的相同環境中，測量用補償器使兩者溫度差保持為零所必須的熱量對溫度(或時間)的依賴關係。
DSC熱譜圖的橫坐標為溫度T，縱坐標為熱量變化率dH/dt，在(dH/dt)-T曲線中出現的熱量變化峰值溫度或基線突變溫度與聚合物的形態轉變溫度相對應。DSC曲線上基線出現特徵的臺階狀突變，據此可確定材料的Tg。
聚合物材料的玻璃化溫度Tg受熱力學約束，玻璃化轉變溫度與測定時的冷卻或加熱速率有關。升溫速率越快，測得的Tg值越高。所以在材料的Tg檢驗報告中應當註明在測試時的加熱速率，粉末塗料通常採用的加熱速率為5℃/min。
3、邦定機的結構
邦定(Bonding)工藝最初由奧地利Benda-Lutz公司推出，很多粉末塗料廠隨後都應用了這項技術。
邦定混合機(Bonding Mixer)有單缸和雙缸兩種機型。單缸型為第一代產品，邦定和冷卻在同一個缸內進行，外觀與翻轉混合機類似，但攪拌槳的形狀和攪拌槳的轉速有所不同。
現在的邦定機多為雙缸結構，邦定和冷卻在兩個不同的缸內完成，從而保證邦定粉末塗料迅速冷卻，結塊機率大大下降，粉末利用率接近100%。
邦定混合機組由主(副)攪拌槳、料缸、機架、電控系統、溫控系統、氮氣通入系統組成。粉末與之接觸的地方(主副攪拌槳、料缸)均為夾層結構，可通循環冷卻水以便使粉末粒子快速冷卻降溫，防止粉體結團以及在槳葉和鍋壁上粘結。
值得一提的是，邦定機的PLC智能控制系統可根據用戶的需求編程。氮氣不足或者循環水故障都可自動報警，且故障未排除前不能進行下一步操作。
工藝各階段均可實現編程控制，機器會遵照程序指令自動控制轉速、邦定時間、邦定溫度等。
還可通過編程控制各工序的保護上限電流、保護上限溫度，或者實現時間、電流、溫度協同保護(協同保護是指當運行時間、上限電流或上限溫度三者之一到達設定值設備均會停止該階段運行，直接進入下一工序運行)，從而有效防止粉末結塊。
4、邦定工藝
不同廠家提供的邦定設備其工藝特點各有不同，但均包括升溫階段、邦定階段、冷卻階段三個工藝過程。三個工藝階段的編程靈活性體現了邦定設備的先進性。下面我們將討論邦定生產中的工藝條件控制。
— 按產品工藝要求編程：設定邦定缸內摩擦加溫的攪拌槳轉速(或電加熱速率)、邦定溫度、邦定時間、冷卻周期，以及上限溫度和上限電流(接近玻璃化溫度時粉末粒子由粉狀變為團狀，電流明顯升高)協同保護值；
— 以氮氣作為惰性保護氣體，確定氮氣濃度，啟動邦定機，將待邦定的粉末塗料底粉加入邦定缸內；
— 底粉通過摩擦生熱(或者電加熱)至一定溫度。按程序提示加入金屬效果顏料，達到邦定溫度後機器自動按邦定工藝參數運行；
— 邦定工藝需穩定地維持一段時間，操作員在線取樣，手動操作驗證邦定溫度；
— 若邦定溫度漂移，在線微調程序參數，直到邦定工藝溫度與實際相符，然後指示機器自動按程序運行；
— 邦定工藝完成後，按程序自動將粉末塗料送入冷卻缸內快速冷卻，以防止結塊，保證產品質量；
— 設定的程序通過1~2釜的驗證試驗，該批金屬效果粉末塗料就可直接按設定的程序自動運行。
5、邦定粉末塗料質量
5.1設備本身對工藝的影響
主、副攪拌槳的形狀和角度設計應使缸內每個位置的物料溫度保持一致，即缸內溫度均勻性要好。
設備主、副攪拌槳軸承所能夠承受的最大轉速，以及設備能夠調節的最高轉速是摩擦加熱型邦定機的關鍵技術數據，關係到物料升溫的速率。
如前所述可知，聚合物材料玻璃化轉變受加熱速率的影響，若升溫速率快，邦定溫度可適當調高；反之升溫速率慢，邦定溫度應適當調低，所控制的溫度段是樹脂開始軟化、金屬顏料被粘接到樹脂粒子表面的溫度。
在該溫度段樹脂由粉狀變為團狀，此溫度段維持的時間極其短暫。若缸內溫度不均勻就會發生局部結塊、或者局部邦定效果不好等問題。
邦定溫度高低對金屬顏料粘接效果的影響是直接的，關係到顏料與底粉粘接的比例。
PLC控制系統的智能化程度是衡量設備先進性的又一指標。
有的機器不能分階段編程，先進的機器可以在升溫、邦定、冷卻各工序分別設定運行時間和轉速，且能同時設定保護上限電流、保護上限溫度。
若工藝運行時間、保護上限溫度和保護上限電流任一參數到達設定值，機器便會停止該階段運行，進入下一階段，從而有效防止粉末結團。
在邦定閃光粉末塗料時，攪拌槳的轉速要適當調慢，才能獲得好的閃爍效果。如果沒有攪拌速度控制功能，高速運行的漿葉會把閃光顏料打壞，閃爍效果被破壞。
冷卻階段的可編程控制也十分重要。有的邦定設備只是簡單地用電磁閥通斷來控制，往往出現冷卻水溫度低，缸壁表面發生凝霜；或冷卻水溫度偏高，冷卻效果不佳。
具備編程控制功能的邦定設備，其各工藝階段的冷卻方式都可按設定方式運行。
物料邦定加熱初期不通水，當物料溫度達到設定值時開始間歇噴水冷卻，使溫度的波動範圍控制在±0.5℃之間；進入冷卻階段時設備連續通水冷卻，當溫度降至設定溫度後間歇噴水冷卻，避免缸壁凝霜。
5.2 工藝操作的影響
玻璃化溫度是邦定工藝控制的依據，操作員對邦定溫度在線監控的準確性直接影響金屬顏料的粘接效果。
DSC測定儀比較昂貴，一般小粉末塗料不願意購置，操作員可以用邦定試樣機先取1kg底粉做邦定小樣試驗，直到粉末粒子粘接結塊，由此確定粉末的結塊溫度。
在大生產時，可以參考結塊溫度設定邦定溫度(低於結塊溫度)，然後在線微調，藉此確定生產運行程序。有經驗的操作員也可在線直接微調，確定生產運行程序。
5.3 配方和原料的影響
電鍍銀、閃銀、銅金粉、珠光粉的吸油量不同，所採用的底粉配方應當有所不同。
對於吸油量小的金屬顏料而言，底粉配方可按一般裝飾性粉末配方設計填料用量。若採用吸油量大的金屬顏料配製塗料，底粉配方中填料用量應適當減少，以保證滿意的塗料流平性。
應該注意的是：邦定了金屬顏料的粉末粒子粒徑要比邦定前粗一些，邦定用底粉配方中填料用量應比幹混用底粉的填料量少一些，以免對塗膜表面平整性產生負面影響。
電鍍銀粉顏料、閃銀顏料、銅金粉顏料、珠光粉顏料的分散性不同，邦定工藝參數設置也應不同。電鍍銀顏料適宜高速分散，閃銀顏料適宜低速分散，珠光粉顏料適宜低速分散並適當延長邦定時間。
6、結語
在實際生產中，了解玻璃化溫度與邦定工藝的內在聯繫十分必要，金屬粉顏料和底粉配方的影響應當高度重視。只有綜合考慮各因素影響，才能做出優質的邦定粉末塗料。
好的邦定設備再配合好的應用技術，就可生產出好的產品。電鏡分析發現，無論採用進口邦定設備還是國產邦定設備，要想實現100%的邦定效果都是困難的，所以邦定粉末塗膜中金屬顏料輕微擦落是難免的。
來源: 佛山市歐鎂亞有限公司
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