鋁型材返噴砂紋粉末層間脫層問題分析
1前言
鋁型材表面經(jīng)粉末噴涂后具有很好的防護(hù)性能與裝飾性能，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，鋁型材噴涂工藝愈發(fā)完善，同時(shí)噴涂成品率也不斷提高。一般情況下，如果嚴(yán)格控制前處理及噴涂工藝，可zui大限度地控制不合格品的產(chǎn)生。但由于原輔材料、擠壓坯料、噴涂設(shè)備、生產(chǎn)環(huán)境因素以及員工責(zé)任心等，鋁型材粉末噴涂一次成品率很難達(dá)到100%，其中大部分缺陷是需要返工修復(fù)的。據(jù)觀察，當(dāng)砂紋表面出現(xiàn)質(zhì)量缺陷需要重新返噴時(shí)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)返噴涂層與第 一道砂紋涂層間出現(xiàn)脫層問題，也即常說的“兩張皮”現(xiàn)象，而返噴平光粉末涂料時(shí)卻極少出現(xiàn)脫層問題。由于涂層的附著力對涂層的耐候性、耐鹽霧性、耐酸堿性等有極大的影響，一旦附著力不合格，則涂層失去了對基材的保護(hù)作用，因而附著力顯得尤為重要。
2返噴砂紋粉末附著理論
砂紋粉末涂料之所以更易出現(xiàn)層間脫層現(xiàn)象，必有其特殊性。
附著力實(shí)質(zhì)是界面間的作用力，是有機(jī)涂層與基體間通過物理和化學(xué)作用結(jié)合在一起的牢固程度，它主要包括兩方面內(nèi)容：有機(jī)涂層與金屬基體間相互結(jié)合的能力及有機(jī)涂層分子間交聯(lián)的程度，涂層與基體間的結(jié)合力越大越好，涂層固化越徹底，分子間的交聯(lián)就越穩(wěn)定，形成的涂層就越致密牢固。
粉末涂料噴涂時(shí)依靠靜電吸附到工件表面后，在固化爐中經(jīng)過熔融、流平、膠化、固化四個(gè)過程。其中，在熔融、流平、膠化三個(gè)過程中粉末呈液態(tài)特征，潤濕底材并且滲入到底材的表面孔隙中，從而使粉末與被涂底材緊密結(jié)合，形成附著力。
如果在熔融、流平、膠化、三個(gè)過程中粉末層不能與底材緊密結(jié)合，那么工件在受到外力作用時(shí)會(huì)出現(xiàn)涂層與底材分離的現(xiàn)象，即人們常說的“掉塑”、“脫塑”、“涂層脫落”或者“附著力不合格”?？疾楦街r(shí)潤濕性是必須的標(biāo)準(zhǔn)，只有當(dāng)涂料有效潤濕底材時(shí)才起作用，涂料對底材的潤濕是形成附著力的關(guān)鍵。被涂表面的潤濕可從熱力學(xué)角度描述，涂料在液態(tài)時(shí)的表面張力以及底材和固態(tài)涂膜的表面能是影響界面連接強(qiáng)度和附著力形成的重要參數(shù)。
所以要得到良好的附著力粉末在熔融狀態(tài)對底材的潤濕至關(guān)重要，而潤濕過程與底材的表面張力，熔體的粘度以及接觸時(shí)間有關(guān)。由于砂紋粉固化時(shí)表現(xiàn)出的高粘度及較短的膠化時(shí)間特性，當(dāng)返噴在低表面能的砂紋表面時(shí)對底層砂紋表面的潤濕是恰恰不利的。
有報(bào)導(dǎo)稱加入少量的某些含氮基團(tuán)能大大提高附著力。因?yàn)榻缑嫔蟽上嚅g發(fā)生氨-酯交換反應(yīng)，形成酰胺鍵，但在實(shí)際操作中并未得到證實(shí)。
R1NH2+RCOOR2→RCONH-R1
附著力通常以圖1所示的幾種形式形成對底材的附著，附著力的大小取決于底材表面和涂料的性質(zhì)。廣義上，這些結(jié)合力可分為二類：主價(jià)力和次價(jià)力?；瘜W(xué)鍵即為主價(jià)力，具有比次價(jià)力高得多的附著力，次價(jià)力是以氫鍵為代表的弱得多的作用力。當(dāng)粉末涂料噴涂于底材上，在固化的過程中就形成了附著力。在熱固性聚酯粉末涂料界面間可能形成共價(jià)鍵，相互反應(yīng)的化學(xué)基團(tuán)牢牢結(jié)合在底材和涂料上。在具有極性基團(tuán)，如含結(jié)晶水的轉(zhuǎn)化膜（鉻化膜）的底材上更易以化學(xué)鍵結(jié)合（聚酯粉末中反應(yīng)性的羧基基團(tuán)與金屬底材轉(zhuǎn)化膜界面間形成共價(jià)鍵，這一相互反應(yīng)的化學(xué)基團(tuán)牢牢結(jié)合在底材和涂料上，解決聚酯粉末涂層與鋁型材表面附著力的問題），因此這類連結(jié)屬于化學(xué)鍵結(jié)合且zui強(qiáng)耐久性zui佳。而在非極性表面如完全固化交聯(lián)的聚酯粉末涂層上則具有較少的化學(xué)鍵，因此返噴涂層就不會(huì)與基層涂層發(fā)生化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)，只能進(jìn)行物理附著或少量氫鍵結(jié)合。因此在砂紋表面返噴砂紋粉末更適合于機(jī)械連接理論解釋。
圖1常見的幾種附著結(jié)合方式
機(jī)械連接理論
當(dāng)熔融的粉末與含有孔、洞的砂紋表面接觸時(shí)，熔體能夠滲透進(jìn)去并起到機(jī)械定錨作用。雖然砂紋的表面粗糙化能提高附著力，但必須注意避免深而尖的涂層形狀（砂紋光澤過低，表面過于干燥的砂紙狀涂層），這種粗糙化的砂紋涂層會(huì)出現(xiàn)透底現(xiàn)象，而且，深而尖的隆起會(huì)形成不均一的涂層，從而生成應(yīng)力集中點(diǎn)，降低附著力。當(dāng)剝離返噴砂紋涂層時(shí)，可以看到返噴砂紋涂層的背面是光滑的，也就是說返噴的砂紋粉末熔融時(shí)并未真正地滲透進(jìn)第 一層粗糙的砂面涂層的縫隙中。若不能完全滲入，則涂料與表面的接觸會(huì)比相應(yīng)的幾何面積還小，并且在涂料和底材間留有空隙，空隙中駐留的氣泡會(huì)導(dǎo)致水汽的聚積，zui終導(dǎo)致附著力的損失。這與砂紋粉末的特性有關(guān)：首先第 一層砂紋涂層固化后表面張力較低，當(dāng)涂層過度固化時(shí)表面張力變得更低；其次由于砂紋粉熔融時(shí)的粘度較大，而且返噴時(shí)有第 一層涂層的“熱阻隔”作用，使得真實(shí)的工件受熱溫度較第 一次噴涂時(shí)低，在較低溫度下熔體粘度更難降低，高粘度低流動(dòng)性的砂紋粉末熔體在較低的“工件溫度”下難以滲透進(jìn)第 一涂層的表面，隨著粘度和涂層剛性的增加的同時(shí)也逐漸形成會(huì)生成大量的應(yīng)力，并殘留于涂層中，因此涂層間的機(jī)械連接力較低，在受到外力時(shí)便產(chǎn)生脫層現(xiàn)象。
3返噴時(shí)層間脫層原因分析
通過以上理論再結(jié)合砂紋粉末的特性可以總結(jié)返噴砂紋粉時(shí)可能產(chǎn)生的脫層原因：
3.1聚酯樹脂含量偏低
如果聚酯樹脂含量低（填料量過大），有效成膜物質(zhì)少，固化過程中會(huì)導(dǎo)致涂層交聯(lián)不完全，固化后涂層會(huì)發(fā)脆，遇到外力涂層就會(huì)脫落。
3.2低檔次的聚酯樹脂
聚酯樹脂由縮聚反應(yīng)逐步聚合而成。嚴(yán)格控制縮聚工藝（控制升溫速率和縮聚反應(yīng)后期的真空度）可得到分子量呈正態(tài)分布的質(zhì)量上佳的產(chǎn)品，若縮聚工藝控制不當(dāng)（升溫速率太快）尤其是縮聚后期真空度達(dá)不到，則得到的聚酯樹脂分子量分布寬，意味著樹脂中存在大量的不耐熱的低分子量縮聚物，在較高的固化溫度下，這些低分子量縮聚物會(huì)從涂層內(nèi)分解揮發(fā)出來而浮于涂層的表面，形成低分子“油膜”，嚴(yán)重影響了附著力。
3.3添加劑不合適或用量不當(dāng)
砂紋粉末涂料配方中要添加砂紋劑以及為提高耐刮傷性能而添加一定量的蠟（通常是聚乙烯蠟），砂紋劑的主要成份是聚四氟乙烯，也就是我們常見的特氟龍不粘鍋涂料的主要成份，聚四氟乙烯和聚乙烯蠟的加入都會(huì)降低涂層的表面張力，適量的添加量對附著力不會(huì)產(chǎn)生較大的影響，但如果使用過量，則會(huì)極大地降低砂紋涂層的表面張力，形成一個(gè)類似的不粘的低表面能的表面，使涂料對其表面的潤濕效果變差，熔融的返噴粉末難以完全滲透的底涂層的孔隙中，且在兩層涂層間留有空隙，使返噴在其上的砂紋涂層很難與其牢固結(jié)合，zui終導(dǎo)致涂層間附著力不合格。
3.4噴涂砂紋粉末時(shí)摻入了過多回收粉或過期粉
所有鋁型材客戶都會(huì)存有大量的庫齡較長的庫存粉以及回收粉，為了消耗部分粉末庫存以及降低成本，鋁型材噴涂廠家通常都將庫存較長時(shí)間的相近顏色的平光粉或砂紋粉按比例混合到新粉中噴涂，由于混入的這些庫存粉或回收粉很可能已產(chǎn)生預(yù)交聯(lián)反應(yīng)甚至已經(jīng)過期，使得噴涂的砂紋粉中各種材料的比例已經(jīng)偏離了正常新粉配方，兩者混合使用時(shí)，會(huì)使涂層的潤濕效果變差，涂料不能完全滲透到底層砂紋涂層的孔隙中，在返噴涂層與底涂層間留有空隙，zui終導(dǎo)附著力不合格。過期粉中由于聚酯樹脂與固化劑（TGIC或HAA）已部分預(yù)交聯(lián)，而使得涂層固化的有效反應(yīng)點(diǎn)降低（官能度降低），這也將嚴(yán)重影響涂層的附著力。
3.5固化溫度過低或時(shí)間過短
固化溫度低或時(shí)間短，嚴(yán)重影響聚酯樹脂與固化劑（TGIC或HAA）之間的交聯(lián)反應(yīng)，固化后涂層柔韌性差且附著力變差。
3.6固化溫度過高或時(shí)間過長
當(dāng)涂料在比原定溫度高得多的溫度下固化或烘烤時(shí)間延長時(shí)附著力變差。主要原因是在這兩種情況下，部分涂料發(fā)生碳化，嚴(yán)重影響涂料分子之間的交聯(lián)。通常鋁型材用的聚酯粉末涂料的固化溫度為180℃（HAA固化）或200℃（TGIC固化），時(shí)間為15——20分鐘。過度交聯(lián)的涂層會(huì)形成低表面能的表面，返噴砂紋涂層受熱形成的高粘度熔體難以潤濕其低表面能的表面。
砂紋粉末中反應(yīng)性羧基基團(tuán)傾向于和含有類似基團(tuán)的底材更牢固地附著，如果第 一涂層適當(dāng)固化，則第 一涂層的剩余少量羧基會(huì)與第二道涂層內(nèi)的固化劑TGIC或HAA反應(yīng)，有利于將返噴涂層與底涂層粘合在一起。當(dāng)?shù)? 一涂層過烘烤（烘烤時(shí)間過長和/或固化溫度過高）時(shí)，第 一涂層幾乎無羧基剩余，返噴涂層的附著力顯著減弱，有時(shí)甚至無附著力。
3.7采用直排燃?xì)鉅t
直排燃?xì)鉅t直接將燃燒產(chǎn)物排放于固化爐內(nèi)，若使用了不純凈的燃?xì)猓闯浞秩紵龝r(shí)形成的小分子碳化產(chǎn)物會(huì)附著于固化涂層的表面，形成“油膜”，返噴時(shí)若不除去，將直接造成返噴涂層附著失敗。另外某些間接交換燃?xì)鉅t若維護(hù)不當(dāng)（如發(fā)生燃?xì)庑孤叮?，也可能使得燃燒副產(chǎn)物附著于涂層表面造成后期返噴時(shí)的附著力喪失。
3.8涂料之間的配套性
不同廠家生產(chǎn)的砂紋粉末涂料，由于使用的樹脂的反應(yīng)性及粘度等指標(biāo)不同，或同一廠家不同批次的砂紋涂料，由于配方的差異（可能某些批次要消耗庫存粉、待檢粉甚至回收粉）都可能存在配套性的問題。若返噴時(shí)使用了不同生產(chǎn)廠商的砂紋粉末或某個(gè)差異較大的批次的粉末，則極有可能在返噴時(shí)出現(xiàn)脫層現(xiàn)象。預(yù)防措施是，不要輕易更換涂料供應(yīng)廠家或砂紋粉末進(jìn)廠前或使用前先進(jìn)行小批次試噴檢測返噴的附著力。
3.9返噴涂層偏厚
當(dāng)返噴涂層偏厚時(shí)，隨著粘度和涂層剛性的增加以及對底材的附著力的逐漸形成的同時(shí)也伴隨內(nèi)聚力增加，并殘留于涂層中。涂層之間固化后各處的應(yīng)力相差較大，受到外力作用時(shí)，涂層自然會(huì)脫落。
4返噴砂紋粉的正確操作工藝
鋁型材用聚酯粉末涂料是熱固性粉末涂料，由于噴涂返工料時(shí)兩次噴涂涂層間無化學(xué)鍵結(jié)合而僅僅靠機(jī)械力附著而容易出現(xiàn)脫層現(xiàn)象，根據(jù)噴涂車間實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，返噴時(shí)應(yīng)采用正確的理措施及質(zhì)量檢驗(yàn)以確保返噴涂層的附著力。
圖2型材返噴砂紋粉末生產(chǎn)工藝流程圖
圖2是返噴砂紋粉的生產(chǎn)工藝流程圖，型材固化后因表面質(zhì)量缺陷需返噴的，返噴前首先要打磨返工料以磨平表面涂層缺陷，不僅增大涂層表面的粗糙度（即增大與返噴涂層的接觸面積），而且可以將第 一砂紋涂層表面的油膜或蠟?zāi)ご蚰サ粢愿纳仆繉拥谋砻鎻埩?，進(jìn)而提高返噴涂層與第 一涂層的層間附著力。
打磨后應(yīng)使用潔凈擦布清理，盡量使用壓縮空氣將基層涂層表面吹干凈，禁止使用含有油污的擦布擦拭，將打磨合格的返工料用酒精擦拭干凈并晾干后上料返噴。打磨可以提高返噴成功率和確保涂層的層間附著力。
返噴料噴涂及固化工序與鉻化鋁材料正常噴涂生產(chǎn)工藝要求基本一致，但是噴涂電壓應(yīng)適當(dāng)降低，一般設(shè)定為30KV-60KV，返噴涂層的厚度適當(dāng)控制（一般≤40μm）。
下料后，檢查返噴料的膜厚及劃格實(shí)驗(yàn)檢查層間附著力，也可以通過抽檢鋸切料頭做水煮實(shí)驗(yàn)檢測涂層附著力。
5結(jié)束語
附著力極大地影響鋁型材涂層的的使用壽命，一旦附著力出了問題，不能修補(bǔ)也不能降低檔次使用，只能報(bào)廢或脫塑后重新處理。因此在鋁型材靜電粉末涂裝中，必須嚴(yán)格控制工藝關(guān)鍵因素：前處理質(zhì)量、噴房工藝參數(shù)、固化溫度及時(shí)間，盡zui大可能減少噴涂不合格品，防患于未然。若出現(xiàn)缺陷必須返噴時(shí)，首先是分析涂層缺陷產(chǎn)生的原因，并制定相應(yīng)措施，避免類似問題的再次出現(xiàn)。返噴時(shí)要保證打磨的質(zhì)量以及以及正確的擦拭方式方法，確保返噴后涂層的層間附著力合格。
