李睿，赵卫国*
（佐敦涂料（张家港）有限公司）
摘要：流变仪在高分子材料领域有广泛的应用，但流变仪在粉末涂料产品中的应用报道较少。本文利用流变仪对粉末涂料的固化过程、应用性能、产品性能等方面进行了研究，介绍了流变仪在粉末涂料产品开发过程中应用实例并进行了深入的探讨。重点研究了如何使用流变仪测定粉末涂料胶化时间，以及用流变仪对熔融开始及流平结束时间进行特性表征。并对粉末涂料产品固化过程中的黏度表征及如何使用流变仪进行干粉流动性测试进行了研究。通过对上述几个方面的研究，拓展了流变仪在粉末涂料研究中应用的思路，为其更广阔的应用前景奠定了基础。
关键词：粉末涂料；流变仪；黏度；胶化时间；流动性
Application of Rheometer in Powder Coatings Products
Li Rui, Zhao Weiguo
(Jotun Coatings（Zhangjiagang）Co., Ltd., Zhangjiagang, Jiangsu)
Abstract: Rheometer has been widely used in polymer materials, but the application of rheometer in powder coatings products was less reported. In this article, the curing process, application performance and product properties of powder coatings are studied by use of rheometer, and the application examples of rheometer in powder coatings product development were described and discussed, focusing on how to use rheometer to determine the gel time of powder coatings, and how to characterize the start of melting and end time of levering processes by rheometer. The viscosity characterization of powder coatings during curing process and how to use rheometer to test dry powder fluidity were studied. Through the introduction of the above aspects, the use of rheometer in powder coatings’ research was expanded, which laid a foundation for its wider application prospect.
Key words: powder coatings; rheometer; viscosity; gel time; fluidity
0 前言
随着全球环保意识的不断增强与各国环保法规要求的促进，粉末涂料在世界范围内得到了迅猛发展。众多领域尝试用粉末涂料替代溶剂型涂料，在粉末涂料的使用过程中对粉末涂料的性能：高流平、优异的边角覆盖能力、抗流挂、高防腐等提出了更高的要求。
常规的检测分析手段已经很难去鉴别粉末涂料在平衡上述性能时的实际情况，所以相关产品往往在客户试用过程中不断失败，需要持续改进。这很大程度上浪费了粉末涂料生产厂家和客户的宝贵资源，大大增加了各方的机会成本。而上述流平、边角覆盖和流挂都与粉末涂料在熔融过程中的流变性能紧密相连。常规的粉末涂料的黏度往往反映的是某一单一温度下的黏度，无法反映粉末涂料从熔融到固化过程中黏度的变化；而流变仪是测试黏度随温度变化的最理想工具。
流变仪在高分子材料领域有广泛的应用，可以用于研究各种高分子材料的加工性能及流变特性，但流变仪在粉末涂料产品中的应用报道较少。流变仪可以用于测试固化类型产品的流变特性，可以对温度进行升温范围的模拟设定，可将粉末涂料固化过程中的炉温升温曲线录入设备，监测在此升温过程中的粉末涂料的流变学变化。
以应用实例的方式利用流变仪对粉末涂料进行了4个方面的研究：粉末涂料胶化时间表征、粉末涂料熔融开始及流平结束时间特性表征、粉末涂料固化过程中的黏度表征、粉末涂料流动性表征。
1 测试原理
1.1 实验原料和仪器
流变仪：Rheometer MCR302，Anton Paar，采用振荡模式对粉末涂料黏度随温度的变化进行测定，振幅为0.05%，升温范围80~200℃，升温速率根据设定温度200℃下的固化炉中铁质基材的实际升温曲线数据进行设定；粉体流动性测试专用流变仪组件为Powdercell，剪切速率100 l/s。
粉末涂料A、粉末涂料B、粉末涂料C：环氧/聚酯型，佐敦。
2 流变仪在粉末涂料研究中的应用
2.1 粉末涂料胶化时间表征
粉末涂料的胶化时间为溶胶-凝胶转变点[1]下所对应的时间，可通过流变仪测试粉末涂料的储存模量G′和损失模量G″，当G′=G″时，所对应的时间即为粉末涂料的胶化时间[2]。
储存模量G′是弹性部分，部分储存变形能力；损失模量G″是黏性部分，变形能力损失部分；tanδ=G′/G″，为阻尼或损耗因子，表示黏度相对于弹性部分的比值，其含义如下：tanδ>1，即G″
本研究测定了粉末涂料A、B在200℃下储存模量和损失模量随时间的变化，结果如图1所示。
由图1可以看出，在给定温度情况下，如本测试所采用的200℃下，G″和G′曲线的交点所对应的时间，即为当前温度下的产品的胶化时间。其中，粉末涂料A的胶化时间为338s，粉末涂料B的胶化时间为406s。经过重复论证，此种方法测得的胶化时间重复性很好，所以该结果很有参考意义，可以直观反应产品在不同固化条件下的反应特性。
2.2 熔融开始及流平结束时间特性表征
粉末涂料产品需要在高温下进行固化，常规的固化温度为180~200℃，因为使基材表面温度达到所需温度需要一定的时间，所以粉末涂料不可能瞬时达到所需固化温度。炉温曲线的测定变得十分必要。铁质基材实际升温曲线如图2所示。
由图2可以看出，基材需要8min左右才可以达到180℃。所以研究实际升温过程中产品的熔融和固化特性对实际产品表现有着重要意义。本研究测试了一组炉温曲线的数据，并将时间-温度曲线导入流变仪，在此温度变化条件下测试粉末涂料产品的实际熔融和固化特性。通过对模量测试，可以得到产品的实际开始熔融时间和流平结束时间。较短的熔融开始时间和较长的流平结束时间可以提高产品的流平性。图3所示为粉末涂料C的测试结果。
由图3可知，第1个交点所示的为产品的熔融起始点，此时对应的温度为80℃，记录为测试的起始点0s。图中第2个交点为流平结束点，此时对应的温度为200℃，所需要烘烤时间为560s。由此可以知道该产品在80~200℃内具有流平特性，流平时间为560s。通过对产品该性能的检测，可以针对产品实际使用工况有针对性的进行产品设计。
2.3 粉末涂料固化过程中的黏度表征
粉末涂料在实际使用过程中会由于升温速率过慢而导致流挂问题，或因产品体系黏度过高和流平时间过短导致流平较差。研究粉末涂料产品实际工况的黏度变化十分必要。采用基材实际升温曲线进行流变仪升温过程设定，通过流变仪模拟产品固化过程，在此升温条件下，使用流变仪检测产品实时黏度的变化来了解产品的各项性能，如反应活性、流平性能、抗流挂性能、固化特性等。3种产品固化过程中的黏度变化曲线如图4所示。
由图4可以看出，粉末涂料A的反应活性较高，150s内就达到了较大的最低黏度（2.5×105 mPa·s），流平时间短，流平很差。粉末涂料C具有较低的黏度（4.1×104 mPa·s），但是低黏度下维持的时间较长，所以会产生流挂的问题。粉末涂料B具有较低黏度的同时，在低黏度状态下持续的时间较短，所以综合性能最优。
2.4 粉末涂料流动性表征
粉末涂料需要充分流化后进行喷涂，粉末涂料的流动性直接影响产品的上粉均匀性和喷涂面积等性能。粉末涂料由于自身具有带电性，在整个流化和喷涂过程中，由于各种作用力的共同影响，会导致其流动性由于分子间作用力而产生变化[3]。内聚力数据（Cohension）是衡量粉末涂料颗粒之间相互吸引能力的重要指标，内聚力越大，粉末涂料颗粒之间越难被分开，表现出流动性较差。所以对粉末涂料产品流动性指标进行监控十分重要。通过对流变仪进行改装，采用Powder cell组件对其进行升级，使用该组件对粉体流化过程中转子的力矩变化进行测定，由内部程序推算得出内聚力的数值变化。实验采用Powder cell组件对2种粉末涂料的流动性进行测试，以了解其干粉流动特性，结果如图5和表1所示。
由图5和表1可以看出，粉末涂料A的内聚力较大，所以使其流化所需要的外部作用力就会明显偏大，其流动性较粉末涂料B差。通过对不同产品的内聚力测试，可以明确对比出粉末涂料流化性能的差异，对产品设计及实际应用过程的参数设定有积极意义。
3 结语
采用流变仪对粉末涂料胶化时间、熔融开始及流平结束时间、固化过程中的黏度、流动性进行表征，可知其在粉末涂料产品设计中有非常重要的作用，可以帮助量化很多重要的指标数据，同时可以指导产品配方设计的方向。胶化时间测定和粉末涂料流动性测定方面，流变仪可以弥补传统测量方法的误差；流平时间表征可以客观了解产品流平和流挂的特性；流平过程的黏度表征为产品性能的设计思路提供了重要的参考数据。
参考文献
[ 1 ] 周持兴. 聚合物流变实验与应用[M].上海：上海交通大学出版册，2003.
[ 2 ] 史铁钧，吴德峰. 高分子流变学基础[M]. 1版. 北京：化学工业出版社，2009.
[ 3 ] HUANG Q, ZHANG H, ZHU J. Flow properties of fine powders in powder coating[J]. Particuology, 2010, 8(1): 19-27.
文章源自《涂料工业》2021年第51卷第3期
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