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彩钢板粉末涂装
2022年05月25日    阅读量:7318    新闻来源: 粉末涂料与涂装2021年第5期  |  投稿

摘要:介绍了国内外彩钢板粉末涂装技术发展的情况,指出妨碍彩钢板粉末涂装全面工业化的涂料和涂装技术的难点,描述了以彩钢板超细粉末涂料以及适用于超细粉的彩钢板粉末涂装设备的开发。


0.引言


彩钢板粉末涂装是整个涂料涂装行业的一个大课题,国内外研究了几十年,有了很多技术进步,特别是最近几年,在我国已经有多条彩钢板粉末涂装线投入工业化生产。无论是技术上还是工业化进程,取得了非常可喜的进展涂料在线coatingol.com。但受技术限制,目前的技术仍然没有达到能够让粉末涂装全面替代传统液体涂装生产的程度。本文在总结归纳了国内外彩钢板粉末涂装技术发展的情况,指出了妨碍彩钢板粉末涂装全面工业化的涂料和涂装技术的难点,并描述作者的相关技术研究成果。


1. 粉末涂装的发展历史


欧洲的彩钢板粉末涂装发展较早较多,但一直停留在20 m/min以下的慢速涂装水平,现有几条大约20 m/min的涂装线在运行。美国Roll Coater公司经过多年研发,在1997年成功实现了高速彩钢板粉末涂装,是国外最成功的工业化案例。他们采用的云雾静电吸附方式实现了超过100 m/min的高速涂装,正反面涂装同样的颜色,产品具有0T的柔韧性和3H的硬度。粉末涂装的彩钢板产品用于冰箱外板,很受客户欢迎。但云雾静电涂装的方法很难保证均匀的涂层厚度,而且涂层很厚,导致成本太高,在性价比上无法与液体涂装竞争。尽管实现了工业化生产和应用,却只是停留在偶尔试生产的阶段。到2002年,Roll Coater公司退出彩钢板涂装行业,原来的几个技术员离职创业,成立了一家叫First Precision的公司,专门研发彩钢板涂装设备。该公司获得美国政府和大公司的不断资助,十几年一直坚持开发,可惜最终并没有实现工业化生产应用。我国的彩钢板行业开始较晚却发展非常快,现在已经是彩钢板生产的第一大国。有约800条液体涂装生产线,每年生产大约1500万t的彩钢板。很多年前,荣事达上马了一条片材粉末涂装生产线,克服了很多困难,取得较好的结果。后来,浙江的冯氏和青岛奥丽森也建立了连续彩钢板粉末涂装生产线,他们利用粉末涂层的性能优势,专做高端建筑市场。最近几年,我国对彩钢板粉末涂装技术研发的投入力度越来越大,坚持不懈的技术创新,得到了非常可喜的成绩。北京的中冶京城公司经过多年研发,在山东科瑞公司上马了一套投资较大档次较高的彩钢板粉末涂装生产线,经过四年多的调试和不断改进,成功实现工业化生产。烟台赛高公司自主研发涂装设备和粉末涂料,先在青岛东方新材公司上马了一条高速彩钢板粉末涂装线,2019年又在山东东冶公司上马了第二条线。他们在涂装设备和粉末涂料两方面都做了有效的技术创新,比如采用旋杯粉末喷枪进行喷涂,使得粉末上粉效果和涂层平整度等都有很大提高。我国有这么多的公司勇于创新,挑战国外没有工业化成功的难题并取得非常可喜的成果,非常难能可贵。众多技术高手们的共同努力,极大地推动了彩钢板粉末涂装技术的不断突破,再加上强劲的市场需求,可以预见彩钢板涂装的全面“漆改粉”已经进入倒计时。国内外研究彩钢板粉末涂装几十年,取得了很大的进步,但至今仍然有很多技术难题没有得到很好解决,目前还没有一家可以生产出性价比上优于液体涂装彩钢板产品,进而可以将彩钢板粉末涂装进行大面积推广应用。作者从事彩钢板粉末涂装技术的研究十几年,在粉末涂料和涂装设备等方面都做了一些工作,下面分享对彩钢板涂装技术的一些认识和技术研发的尝试。


2.粉末涂料的技术难题


彩钢板涂装的最大特点是高效和低成本。要实现彩钢板涂装的“漆改粉”,最大难题是粉末涂层无法达到彩钢板的平整度和薄度的要求。传统彩钢板液体涂装的特点是以较低的成本、很高的效率涂装生产性能优异的彩钢板。通常正面为底漆加面漆两涂层体系。生产过程进行底漆和面漆两次涂装、两次烘烤得到20~25 μm厚度的涂层,即可达到国家标准规定的很好的耐腐蚀性能和耐候性能。传统喷涂的粉末涂层厚度在60~80 μm,对彩钢板产品来说,如果涂层太厚,不仅涂料成本成倍增加,涂层柔韧性也下降。所以,实现彩钢板粉末涂装最大的技术难题是解决粉末涂层的薄度和平整度问题。这两个问题不彻底解决,彩钢板粉末涂装在性价比上永远无法与传统的液体涂装竞争。此外,彩钢板粉末涂装要全面发展,还需要在粉末涂料技术上解决一系列特殊的技术难题,如“单涂层粉末涂料的耐腐蚀问题”“薄涂层的遮盖力问题”等。


3.粉末涂装设备和工艺的难题


相对一直无法解决的粉末涂层薄度和平整度的难题,彩钢板粉末涂装设备也存在一系列必须解决而行业内一直没能解决好的技术难题。下面总结归纳国内外的尝试和我们自己研发过程中遇到的问题。


(1) 高速粉末涂装的上粉难问题


彩钢板涂装的线速度非常快,通常每分钟高达60~180 m。将粉末涂料涂装到高速运行的带钢上是一件很有挑战的事。传统的喷枪如果超过30 m/min的线速度,就会出现上粉困难等各种各样的问题。在高速运行的带钢上涂装足够厚度的粉末是高速彩钢板涂装生产遇到的第一个难题。


(2) 粉末涂装的涂层均匀度问题


彩钢板涂装的涂层厚度按照相关行业标准在20~30 μm之间,而市场上还有大量涂层厚度远低于非强制性行业标准的产品,底漆加面漆两涂层合计低于10 μm的产品也在大量销售。粉末涂装要达到较薄的涂层厚度,涂层的均匀性要求就非常高。而传统粉末涂装采取喷涂的方式,很难做到较精准地控制膜厚。实际上,现有的最好的涂装生产线,要达到颜色稳定性能均匀,涂层厚度需要在40 μm以上。


(3) 粉末涂装的肥边问题


传统粉末涂装依靠静电吸附上粉,在边缘处会聚集较多的粉末,结果就出现“肥边”现象。彩钢板生产出来后,以卷材形式运输和储存,是不允许有明显肥边的。肥边会引起带钢边缘的钢材变形,导致无法成型使用。为了解决肥边问题,人们想出了各种各样的方法,比如有人采用错边收卷的方式避免钢带变型。彻底解决粉末涂装过程中出现的肥边问题,是粉末涂装彩钢板的另一个技术难题。


(4) 高效回收和快速换色的问题


液体彩钢板涂装生产线基本上都有快速换色的装置。比如,楼上和楼下安装两套面漆涂装机器,当一个颜色生产完毕,该涂装机的涂装辊离开钢带,另一个涂装机的涂装辊靠近钢带,立即开始涂装。这是因为通常的烘烤炉子有50~60 m长,如果停止涂装,炉子里面的带钢就会被烤过,造成浪费。粉末涂装彩钢板需要发明一种全新的工艺,能够实现像液体涂装那样高效回收和快速换色。


(5) 一次烘烤和双面不同颜色涂装的需求


液体彩钢板涂装通常可以涂装底漆和面漆,两涂两烤,而且还可以在正面和背面涂装不同的涂料进入同一个炉子一起烘烤。粉末涂装的涂层已经很厚,在涂料成本和涂装生产成本上很难接受两涂两烤的工艺。


(6) 静电粉末涂装的安全问题


传统的粉末涂装都是采用高压静电的方式让粉尘带电和被吸附。粉尘在高压静电中因为起火出现燃爆的情况很难避免。传统的粉末涂装除了在喷枪的安全性上做足了工作,还在喷房的排风透气等方面做了很充分的防爆措施,即使如此,实际的粉末喷涂过程中也不断出现燃爆的情况。彩钢板的涂装用粉量非常大,相对场地窄小,一旦出现燃爆,就会非常严重。因此,高压静电下的安全问题变成为非常重要必须彻底解决的技术难题。


(7) 现有彩钢板液体线的改造利用


国内已经有大约800条彩钢板液体涂装线。每条线的投资几千万甚至上亿元,如何充分利用现有液体涂装线进行粉末涂装,充分利用液体涂装线已有的活套等传动装置、预处理、考虑等设备,不仅可以节约巨大的资金投入,而且可以大大加快推广速度,是一件很有意义的工作。


以上的问题,是我们在多年的研发实践过程中根据他人和我们自己的经历总结的技术问题。作者认为,这些问题的完满解决,将彻底排除彩钢板涂装“漆改粉”的所有技术障碍,进而可以在整个彩钢板涂装行业全面推广粉末涂装。


4.技术研发工作


我们对彩钢板粉末涂装的研发,主要分为两方面的工作:一是以超细粉末涂料为核心的彩钢板粉末涂料的开发;二是适用超细粉的彩钢板粉末涂装设备的开发。下面分别阐述。


4.1 超细彩钢板粉末涂料


粉末涂装具有环保、节能、优质、高效和低成本的优点。粉末涂装的发展过程也就是“漆改粉”的过程。目前若要实现进一步“漆改粉”,人们遇到了三大涂料技术限制:平整度、薄度和金属效果。超细粉技术的突破解决了平整度和薄度的问题,是彩钢板粉末涂装有可能替代液体涂装的关键因素。


4.1.1 超细粉末涂料技术


普通粉末涂料粉体的粒径大,使涂层具有表面平整度差和涂层太厚两大明显缺点(图1),限制了粉末涂料成本的进一步降低,也限制了在很多高平整表面要求的产品上使用粉末涂料。这两个缺点都是因为粉末涂料的粉体粒径太大造成的。开发超细粉末涂料,可以得到平整度非常好的薄涂层(图2),正好可以解决粉末涂料的两大难题,在降低成本的同时,大大提高产品质量。

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常规的粉末涂料的粉体粒径都是30~50 μm。粉末越细,涂层越平整,厚度越薄。但粉末太细就会造成粉体抱团,无法喷涂。我们经过多年的努力,利用纳米科技,彻底解决了超细粉末抱团无法流化的难题,进而发明了超细粉末涂料技术,将粉体粒径降低到10~20 μm。超细粉可以得到薄而平整的涂层表面,彻底解决了粉末涂装平整度差和厚度太高的两大难题。实验证明,同样的粉末涂料,粗粉涂层70 μm的耐盐雾测试性能,没有40 μm的超细粉涂层好,原因是70 μm的粗粉涂料的最低处膜厚小于25 μm,而40 μm的超细粉涂层的最低处高于30 μm(图3)。

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4.1.2 超细粉的应用


超细粉解决了细粉抱团影响流化的问题,可以像常规粉那样使用正常的喷涂设备和生产线。超细粉的特点是涂层平整和涂层薄。涂层平整,提高了产品质量;涂层薄,大大降低了涂装生产成本。我们发明的超细粉已经在各行各业开始应用,包括建材、家电、家具、自行车、汽车部件等。超细粉在涂装的“漆改粉”过程中起到很大的作用,特别适合彩钢板涂装。


4.1.3 其他粉末涂料技术


彩钢板涂层有其特殊的各种性能。彩钢板涂装使用超细粉,有其特殊的需求。既需要薄涂层,又必须有很好的遮盖力,而且需要很好的抗腐蚀和耐候性能。我们在彩钢板超细粉的技术研发成果如下。


(1) 两涂一烤粉末涂料技术


彩钢板涂层中,底漆的作用主要是抗腐蚀和增加附着力,而面漆的作用主要是耐候和提高硬度、柔韧性等机械性能。底漆和面漆配合使用,达到最佳的性能。粉末涂装若要实施两涂两烤,会造成特别高的成本,很难在实际生产中实施。我们根据粉末涂装的特点,提出两涂一烤的新工艺,以烘烤一次的生产成本,达到液体涂装两涂两烤的涂层效果。


(2) 高抗腐蚀性能的彩钢板粉末涂料配方


彩钢板涂层都很薄。越薄的涂层越需要较高的耐腐蚀性能。常规的粉末涂料用树脂,在很薄的情况下很难达到彩钢板需要的耐腐蚀性能要求,需要在树脂和配方上做文章,提高涂层的耐腐蚀性能。


(3) 高柔韧性的彩钢板粉末涂料配方


彩钢板都是需要后加工成型的,涂层的柔韧性对彩钢板的应用非常重要,特别是在家电等产品上更是如此。粉末涂层因为树脂相对分子质量大,天生具有比同类树脂的液体涂层更好的柔韧性。尽管如此,更好柔韧性的粉末涂层,特别是在保持较高硬度的同时具有非常好的柔韧性,仍然是粉末涂装的优势。


(4) 超高硬度的彩钢板粉末涂料配方


粉末涂层具有比液体涂层高很多的硬度,这是彩钢板液体涂层无法达到的性能,也是粉末涂装的优势。我们利用纳米科技,制备了5H硬度的彩钢板产品,这是彩钢板涂装行业前所未有的产品。


(5) 全邦定金属粉末涂料技术


我们对金属颜料进行了无机物和有机物多层包覆表面处理,有目的地改善了金属颜料的导电性和与粉末的相容性,再经过一种特殊的邦定生产工艺,得到了邦定率非常高的金属粉末涂料产品,可以做到10%以上甚至20%铝粉和珠光粉含量的产品并具有很好的使用性能。我们称之为全邦定金属粉末涂料。用全邦定金属粉末涂料技术制备的彩钢板金属粉末涂料,可以稳定地生产各种金属彩钢板,包括幻彩彩钢板产品(图4)。

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彩钢板涂装是一个很大的行业,液体彩钢板涂料经过几十年的开发,已经有很多种成熟稳定的涂料品种,早已经是一个很成熟的行业。粉末涂装因为树脂相对分子质量大,相对液体涂装,涂层性能有明显优势。彩钢板粉末涂装(图5)虽然有着巨大的发展前景,但目前基本上处于待开发的状态,在原材料技术、粉末涂料配方技术等各方面都急迫需要加大力度开发,尽快形成一个新品类的行业。

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4.2 彩钢板涂装设备技术的新突破


彩钢板粉末涂装的设备和相关技术的突破是彩钢板涂装实现“漆改粉”的另一个前提。因为很清楚国内外没有成功的各种技术问题,我们对每一个技术难题进行技术攻关。在近十年的研发过程中,我们从租赁了彩铝板涂装线尝试慢速粉末涂装开始,到自己建造高速循环运行的钢带设备做高速喷涂试验,然后又先后在两家大彩钢板企业做上线试验,最后又花了两年时间完善细节,最终在实际液体涂装线上制备和安装正式的商业涂装设备。前期的工作主要是针对国外过去实践过程中遇到的一系列难题展开,而后期在生产线上应用之后才发现,有太多意想不到的工业化技术问题,每一个看似微小的问题,都是妨碍彩钢板粉末涂装工业化必须解决的技术问题,甚至变成很久才能解决的技术难题。


我们在设备技术上遇到的一些问题和技术研发成果总结如下。


(1) 发明了一种可以安装在现有液体彩钢板涂装线上的粉末涂装机器(图6),不用建新的涂装线,在原有的液体线上就能够实现彩钢板涂装的“漆改粉”。

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(2) 采用与传统喷枪完全不同的静电上粉新技术,避免了传统喷枪高速不上粉的难题,使粉末涂装速度不受限制,可按照液体线原有线速度运行,最高可达180 m/min。


(3) 一套粉末涂装机器分为正面涂装机和背面涂装机两台,正面涂装机器可以一次涂装底粉和面粉,两涂层一起烘烤完成;同时,在背面进行背面粉的涂装,正反两面一起烘烤固化。所谓的两涂一烤,三涂一烤。


(4) 采用特殊的设备技术处理,使粉末涂装的肥边大大减少,完全不影响大钢卷的收卷。


(5) 设备涂装均匀度好并且可以薄涂;使用超细粉可以得到正面底粉和面粉5+20(共25)μm的正面涂层,各种性能优于同等的液体涂层,而涂装成本明显降低。


(6) 涂装机器采用氮气保护操作,完全避免了静电涂装带来的粉尘燃爆的安全隐患。彩钢板粉末涂装设备的开发过程,其实是在实践中对


相关技术问题的发现和解决反复循环的过程,特别是后期,到了大型生产涂装线上调试设备,任何微小的问题,在高速生产线上都可能带来巨大的问题,彩钢板涂装生产需要高度的稳定性和可靠性,而很多问题若是不经过大生产实践根本不可能预知和发现的。很荣幸,我们在试车过程中得到了多家彩钢板涂装客户的积极支持,才得以获得相关的认知并解决问题。


3.结语


彩钢板涂装是一个巨大的行业,彩钢板涂装的“漆改粉”有巨大的前景。技术的进步已经证明粉末涂装具有环保、安全、性能优越等优点,若要全面替代液体涂装,还需要做到生产成本低。均匀的薄涂层是关键。超细粉末涂料技术和涂装设备技术的不断进步和突破,将使彩钢板粉末涂装最终达到涂装成本低于液体涂装的目标,真正实现“安全环保、成本低、性能好”,从而推动整个彩钢板涂装的“漆改粉”的快速发展。


标签:工业涂料辅料与设备涂装应用技术中心粉末涂料涂装
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