不同粉体填料在粉末涂料中的应用研究
涂料环保风暴时代，发展环境友好型涂料是企业的必然选择，但是环境友好型涂料不止水性涂料一种，如果企业一窝蜂的去发展水性涂料，难免为会出现产品同质化。除了水性涂料，高固体分涂料、无溶剂涂料 、粉末涂料也是环境友好型涂料，理应成为涂料行业重点发展方向。有研究报告称亚太地区预计2017年至2022年的粉末涂料市场的价值和数量将达到最高的增长率。粉末涂料技术正在快速发展以适应需求驱动的市场。市场驱动之下，对于不同粉体材料在粉末涂料中的应用研究就显得尤为重要。
一、粉末涂料概况
粉末涂料始于上世纪50年代，是一种固含量为100%，且没有有机挥发物(VOC) 产生的环保型涂料，具有节省能源，减少污染，工艺简单，易实现工业自动化，涂层性能优异等特点。
粉末涂料[1]是由聚合物、颜填料和助剂组成的粉状涂料。由于没有液态介质的挥发，具有良好的生态环保性；粉末涂料一次性就可形成较厚的涂层，具有极高的生产效率；粉末涂料的力学性能和抗化学腐蚀性能优异，具有优异的涂膜性能；粉末涂料的使用能够节约能源，节约资源，利用率可达99%，使用安全，具有突出的经济性；因此，作为无溶剂涂料，粉末涂料符合国际上流行的经济、环保、高效、性能卓越的“四E”原则。
电器和轻型汽车的需求不断增长，导致对粉末涂料的需求增加。发达国家和新兴国家终端使用行业的需求不断增长，也引发了粉末涂料市场的增长。市场研究机构Markets and Markets发布的报告称，全球粉末涂料市场规模预计到2022年将达到1349亿美元，2017年到2022年的年复合增长率为6.75%。
得益于多个因素的共同推动，尤其是城镇化的快速发展以及房屋、建筑以及汽车等领域的联合增长，中国粉末涂料市场需求的增速位列全球之冠，2016年中国粉末涂料行业产量达到207万吨。
从产量来看，目前粉末涂料约占我国涂料总产量的11%，按照“十三五”规划中“到2020年涂料行业总产量预计增长到2200万吨左右，其中，性价比优良、环境友好的涂料品种占涂料总产量的57%”，预计到2020年粉末涂料占比将上升至18%左右，产量将达400万吨。粉末涂料的快速发展必然带动粉体填料需求量的增长[2]。
二、不同粉体材料在粉末涂料中的应用分析
涂料中的填料不仅可以降低其成本，而且对提高涂料产品的性能也起到很大的作用。如提高涂膜的耐磨性和刮伤性，降低涂料熔融流平时的流挂，提高防腐蚀性能，改进耐潮气性等。
粉末涂料在选择填料时需要考虑密度、分散性能、粒径分布、纯度等因素。通常而言，密度越大，粉末涂料的覆盖率越低；大粒子的分散性好于小粒子的分散性；填料是化学惰性的，能避免与粉末配方的某些组分如颜料发生反应；填料的颜色应尽可能地白。粉末涂料通常使用的粉体材料主要有碳酸钙、硫酸钡、滑石粉、云母粉、高岭土、二氧化硅、硅灰石等。
碳酸钙分为轻质碳酸钙(沉淀碳酸钙)和重质碳酸钙。无论哪种碳酸钙、用何种方法生产，不同的粒径大小都强烈地影响涂层的光泽。碳酸钙通常不推荐用于户外使用。
重钙除用于增量外，主要用于部分取代钛白粉和彩色颜料，取代轻钙和沉淀硫酸钡，防腐蚀以及部分取代防锈颜料。
重钙用于室内建筑漆时，可单独使用或与滑石粉并用。与滑石粉相比，碳酸钙可降低粉化速率，改善浅色漆的保色性和增加抗霉菌性。但由于耐酸性差，妨碍了它在外用涂料中的应用[3]。
和重钙相比，轻钙具有小的粒径和窄的粒径分布范围、高的吸油量和亮度，轻钙可用在需求最大消光效果的地方。
用作涂料体质颜料的硫酸钡有天然和合成两种，天然产品称重晶石粉，合成产品称沉淀硫酸钡。
在粉末涂料方面，沉淀硫酸钡能增强粉末涂料的流平性和保光性，并且与所有的色料有较好的兼容性。可使粉末涂料在喷涂工艺中达到理想的涂膜厚度，且上粉率高。
重晶石粉填料主要用于要求高涂膜强度、高填充力和高化学惰性的工业底漆和汽车中间涂料，也用于需要较高光泽的面漆中。在乳胶漆中，由于重晶石折射率高(1.637)，微细重晶石粉可具有半透明性白色颜料的功能，可在涂料中取代部分钛白粉。
云母粉为复杂的硅酸盐类组成，粒子为鳞片状，耐热、耐酸碱性优良，对粉末涂料的熔融流动性有影响，一般在耐温和绝缘粉末涂料中使用，可作为纹理粉的填料用。
众多类云母中，绢云母的化学结构与高岭土相近，兼具了云母类矿物和粘土类矿物的多种特点。其应用于涂料中，可大幅度提高涂膜的耐候性、抗透水性，增强涂膜的附着力和强度，改善涂膜的表观。同时染料粒子易进入绢云母粉的晶格层间，从而保持颜色长久不褪色。此外绢云母粉还具有抗藻防霉的功能。因此，绢云母粉对涂料而言是一种价格性能比优异的多功能填料。
滑石粉又称含水硅酸镁，由滑石矿直接粉碎而成。粒子呈针状结晶，有滑腻感，质地柔软和磨蚀性低，有良好的悬浮性和分散性及一定的触变性，对粉末涂料的熔融流动性有较大的影响，常用于纹理粉。目前在各种底漆、中间涂料、路标漆、工业涂料以及内外用建筑涂料中应用。
滑石粉价格便宜，但是它存有缺点，因而用量有限。首先，吸油量较大。在需要低吸油量的场合，它必须与吸油量低的填料和重晶石粉配合；其次，耐磨性不高，在需要高耐磨性的场合，要加入其他的填料加以弥补；再者，含有其他非金属矿物的滑石粉，因杂质矿物易与酸(如酸雨)反应，故不适用于要求高耐候性的外用涂料中；此外，滑石粉具有消光性，故它一般不用于高光泽涂料中。
多孔粉石英属于二氧化硅体系一种，使用的安全性被认可，已广泛用于粉末涂料、防火涂料、防水涂料、防腐涂料等。廉价的多孔粉石英可以降低粉末涂料的成本，同时替代硫酸钡以减少产品中可溶性钡的含量，达到环保要求。
此外，粉末涂料常使用气相白炭黑作为粉末涂料的松散和抗结块助剂。气相二氧化硅是一种多功能体质颜料，又是性能优良的涂料流变控制剂。在液体涂料中，它的流变控制功能包括：增稠、触变、防流挂、覆盖边缘；在固体粉末涂料体系中，增进粉末的自由流动，防止结块和流体化[4]。
高岭土可以改善触变性和抗沉淀性。煅烧黏土对流变性能没有影响，但却可以像没有经过处理的黏土一样，具有消光作用、增加遮盖性和增加白度，这些都类似于滑石粉。
高岭土一般吸水性较大，不适合提高涂料的触变性，不适合于制备憎水性涂膜。高岭土产品粒径在0.2—1μm之间。粒径大的高岭土吸水性小；消光效果好，粒径小的高岭土(1μm以下)，可用于半光涂料和内用涂料。
高岭土可分为煅烧高岭土和水洗高岭土。一般来说，煅烧高岭土的吸油量、不透明性、孔隙率、硬度和百度都高于水洗高岭土。
空心玻璃微珠是一种微小、中空的圆球状粉末，具有重量轻、体积大、导热系数低、抗压强度高、绝缘、耐腐蚀、无毒以及分散性、流动性、稳定性好等优点。
在粉末涂料中应用时，空心玻璃微珠可以起到以下作用[5]：
（1）隔热、绝缘、吸水率低。空心玻璃微珠的内部是真空或稀薄气体，与环氧树脂存在密度及导热系数差，所以它具有隔热的特性，是耐高温粉末涂料的极佳填充剂。
（2）可改善粉末涂层的物理机械性能。空心玻璃微珠填料可增加粉末涂料的硬度和刚度。但抗冲击性能下降，下降多少与对中空玻璃微珠的表面处理有关。如选用正确的偶联剂进行预处理，可减少对材料抗冲击性能的影响。
（3）吸油率低。不同型号空心玻璃微珠每100g的吸油率在7mg~50mg之间，这种低吸油率的填充材料在生产过程中变相地增加了填充量降低了综合成本。
硅灰石主要成分为硅酸钙，密度为2.9g/cm3，折射率为1.63，吸油量为30~50%，具有似针状结构，且有好的亮度。
粉末涂料一般采用天然硅灰石粉，由天然硅灰石加工制成。硅灰石在涂料中可作为体质颜料和代替部分白色颜料，起遮盖、增量作用，降低漆的成本。因具有良好的导电性，常用于环氧绝缘粉末涂料。硅灰石为白色针状结构，可以改善粉末涂料的弯曲和拉伸性能。
三、粉末涂料用粉体填料的发展趋势
粉末涂料填料都具有极性，而粉末涂料树脂极性极小，会造成两者之间兼容性不好，对粉末涂料加工和涂料性能带来不良影响。因此，通常需要对粉体填料进行物理方法(表面包覆和表面吸附)或化学方法(表面取代、水解、聚合和接技等)处理，使聚集体的颗粒直径明显减少或使体系的流动性得以改良，改进涂料的加工性能、表观质量(如光泽，色泽鲜艳度等)和机械强度。
粉末涂料树脂与填料比一定时，理论上填料粒径越小，涂膜表面性能、机械性能越好。若填料粒径降到与钛白粉粒径相近的水平(0.2~0.5μm)，能够将配方中产生的附聚钛隔离开来，形成更多的有效分散中心，提高钛白粉的遮盖力，这就是微细化填料的空间位隔原理。同样，微细化填料也可以降低颜料的用量。
最常用的纳米材料是纳米二氧化硅、纳米二氧化钛和纳米碳酸钙。据报道，纳米二氧化钛具有透明性，能提高涂料的机械性能和紫外线吸收性，应用于汽车罩光清漆，能使粉末涂料耐候性有显著的提高。由于纳米材料是非常细小的颗粒，表面活性相当高，很容易团聚、絮凝，所以纳米填料的表面处理、添加方法和分散设备的选择、纳米材料在粉末涂料中的添加量以及如何分散到基料树脂之中，是纳米材料在粉末涂料中应用的关键。在粉末涂料配方设计时，可根据产品性能要求选择不同填料，以达到最佳效果[6]。
功能化粉末涂料发展的方向是改进粉末涂料某些方面的物理、化学、力学性能，或赋予粉末涂料全新的功能。例如高岭土、硅灰石粉，用于生产电绝缘性粉末涂料，既可降低粉末涂料成本，又可以提高电绝缘性。氢氧化铝和氢氧化镁具有阻燃作用，可以制成阻燃性粉末涂料，还可以控制流变性、改进附着力、控制光泽、提高遮盖力等[7]。因此，粉末涂料用填料应从单纯降低成本转向其它功能性研究，开发出更多性能优异，价格低廉的新型填料，满足粉末涂料不断发展的需要。
小结
粉末涂料是一种省能源、省资源、低污染的环保型涂料。由于世界各国对能源的需求越来越大，降低能源消耗，保护环境成为主要的发展方向。因此，开发可低温固化、高耐候性、装饰性强及可薄涂的粉末涂料将是今后的主要发展方向。在粉末涂料需求带动下，碳酸钙、石英、云母粉、滑石、高岭土等粉体填料需求也必然随之增长。并且对粉体填料的微细化、功能化、表面改性处理等方面的要求也就越来越高。