鈦白粉對(duì)粉末涂料耐候性能的影響

陶厚東 馬征程 齊飛

摘? ?要：一些基材、室內(nèi)外用品的外層保護(hù)層一般都采用的是粉末涂料，不僅對(duì)物品起到裝飾的作用，還可以避免物品外層直接與空氣接觸，從而將各種物品的使用壽命適當(dāng)延長(zhǎng)。但是粉末涂料也是有一定的使用周期的，并不是說粉末涂料涂抹在物品表面以后就可以對(duì)物品起到一個(gè)永久的保護(hù)作用。粉末涂料會(huì)在紫外線或者其它的因素影響下發(fā)生氧化反應(yīng)，從而使涂層老化，從物體表面脫落，影響了耐用品的使用。因此在如今環(huán)保以及綠色生產(chǎn)的要求下提高粉末涂料的耐候性這一問題越來越受到人們的關(guān)注。

關(guān)鍵詞：鈦白粉? 粉末涂料? 耐候性

中圖分類號(hào)：TQ637? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2019）11（c）-0069-03

以防護(hù)和裝飾為主要功能的粉末涂料涂層在戶外的應(yīng)用越來越普遍，而人們對(duì)它的基本特性，即耐候性和耐久性的要求也在不斷提高。粉末涂料涂層主要應(yīng)用于一些室內(nèi)外用品的涂膜，這些涂膜在自然環(huán)境下會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，主要的表現(xiàn)有：涂層會(huì)逐漸褪色、光澤感降低、涂層表面出現(xiàn)裂紋、脫落。這些表現(xiàn)統(tǒng)稱為涂層老化，涂層老化的具體原因是紫外線輻射，紫外線輻射會(huì)使涂層發(fā)生氧化反應(yīng)，從而使涂層降解。

一般來說，在日常生活中會(huì)有很多影響涂層耐候性的因素，比如：固化劑、顏料填充劑、樹脂等等。在涂層中最常用的白色顏料之一就是鈦白粉，因此涂層的耐候性好不好主要是由鈦白粉品質(zhì)性能的高低所決定的。所以為了提高涂層的耐候性就必須提高鈦白粉的相關(guān)品質(zhì)性能。本文就通過理論分析以及實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)單說明了鈦白粉對(duì)粉末耐候性能的影響，希望可以為大家提供一些意見和幫助。

1? 耐候性定義

耐候性也就是指粉末涂料抗老化的能力。室內(nèi)外涂層都免不了會(huì)受到紫外線的輻射，而紫外線輻射就是引起涂層老化的最主要的因素。除了紫外線輻射，室外產(chǎn)品的涂層封面還會(huì)受到陽光照射、雨水侵蝕、溫度變化等因素的影響從而出現(xiàn)褪色、失光、涂層龜裂等老化現(xiàn)象。

針對(duì)于紫外線對(duì)涂料的影響，可以采用紫外線照射加速老化試驗(yàn)使鈦白粉粉末涂層在短時(shí)間內(nèi)呈現(xiàn)出在室外幾個(gè)月甚至幾年內(nèi)涂層的變化。

2? 鈦白粉在涂料中的重要作用

粉末涂料與以往的液體涂料不同，在粉末涂料中是不含溶劑，它是一款百分之百純固體的新型粉末涂料，它因?yàn)閮?yōu)點(diǎn)眾多而在過去的十年里得到快速發(fā)展。主要的優(yōu)點(diǎn)以及特點(diǎn)有：不含溶劑、對(duì)自然環(huán)境的污染極小、可以通過一定的途徑回收利用、節(jié)約能源和資源、降低工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度、符合當(dāng)代綠色生產(chǎn)、環(huán)保發(fā)展的理念等等。粉末涂料已經(jīng)成為了一個(gè)發(fā)展前景非常樂觀的新型行業(yè)。

粉末涂料相對(duì)于液體涂料來說，不僅特殊在它的形態(tài)還特殊性在于配制粉末涂料時(shí)對(duì)其中顏料以及填料的選擇。在配制粉末涂料的過程中，要對(duì)顏料的選擇有嚴(yán)格的把關(guān)：（1）顏料要不易結(jié)塊，有非常好的分散性，（2）顏料要具備較強(qiáng)的遮蓋力，（3）顏料需要耐高溫，熱穩(wěn)定性一定要好，（4）顏料要能夠抗老化，（5）顏料要有適量的吸油性等等。

鈦白粉的優(yōu)點(diǎn)極多，比如說折射率比較高、消色力強(qiáng)大、有非常好的遮蓋力，最重要的是無毒無害，性質(zhì)穩(wěn)定。鈦白粉的眾多優(yōu)點(diǎn)決定了它會(huì)擁有非常廣泛的用途，涂料、造紙業(yè)、化妝品行業(yè)、塑料制品行業(yè)、油墨制造、化纖行業(yè)等等都可以見到它的影子。但在這些領(lǐng)域總鈦白粉最主要的應(yīng)用領(lǐng)域還是涂料，尤其是金紅石型鈦白粉是涂料工業(yè)最重要的原料。

涂料的主要用途是涂抹在物體表面從而對(duì)物體起到保護(hù)的作用。

涂料中的顏料必須要有一定的遮蓋力，而且顏色要鮮艷，在覆蓋掉物體本身的色彩以后還能夠賦予物體新的色彩，起到裝飾的作用。顏料要能夠與固著劑緊密結(jié)合，可以有效防止裂紋，同時(shí)增強(qiáng)涂膜的附著力，防止陽光中紫外線的穿透和水分的侵蝕，從而延長(zhǎng)涂料的使用壽命，提高涂料的耐候性能。

鈦白粉不論是在溶劑型還是水性涂料，它的作用不僅僅是遮蓋和裝飾物品，最主要的作用是提高涂料的性能，推遲涂料的老化，延長(zhǎng)使用壽命。

3? 鈦白晶型的簡(jiǎn)要介紹

版鈦型鈦白粉、金紅石型鈦白粉以及銳鈦型鈦白粉是鈦白粉在自然界中三種最主要的類型。鈦白粉是多晶型的化合物，在這三種鈦白粉中晶型最不穩(wěn)定的是版鈦型鈦白粉，所以版鈦型鈦白粉的市場(chǎng)價(jià)值并不大，另外兩種才是市場(chǎng)中應(yīng)用于涂料的最主要的原料。銳鈦型鈦白粉晶格穩(wěn)定性不好，相對(duì)比度小，而且晶體硬度較小，主要原因在于銳鈦型鈦白粉的單晶是由四個(gè)CO2分子組成的，因此晶格較大，單晶之間的結(jié)合相對(duì)來說比較疏松，而且晶體排列具有一定的方向性，所以在多晶的結(jié)合體上統(tǒng)一形成了類似云母片狀的結(jié)構(gòu)。而金紅石型鈦白粉的單晶是由兩個(gè)Ti02分子構(gòu)成的，晶格比較小，結(jié)合也比較緊密，而且晶格的排列呈現(xiàn)出發(fā)散性的空間排列，沒有方向性，多晶的結(jié)合體為比較致密的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，所以金紅石型鈦白粉相對(duì)銳鈦型鈦白粉來說晶格穩(wěn)定性上密度較大，硬度也比較大。銳鈦型鈦白粉一般是比較規(guī)則的八面體形狀，而金紅石型鈦白鈦白粉的晶體則比較細(xì)長(zhǎng)，呈現(xiàn)出棱形，一般情況下為欒晶。

4? 簡(jiǎn)析鈦白粉晶型對(duì)涂層老化性能機(jī)理

光生電子_空穴對(duì)的分離程度決定了Ti02的催化能力的最主要的因素。但是相對(duì)于銳鈦型鈦白粉來說，金紅石型鈦白粉的Ti02對(duì)氧的吸附能力比較弱，表面上可以吸附氧的比例不高，且表面吸附氧在光催化作用的條件下會(huì)產(chǎn)生俘獲光子的作用，不僅可以抑制光生電子_空穴對(duì)的復(fù)合，而且還可以作為一種氧化劑將已經(jīng)羥基化的反應(yīng)物氧化回來。

金紅石型鈦白粉Ti02不僅可以吸收光，而且還可以激發(fā)電子，但是有一個(gè)缺點(diǎn)就是復(fù)合太快，這就造成可以用于氧化污染的光子率很低。后來通過大量的研究實(shí)驗(yàn)證明純銳鈦晶型的Ti02的催化效果優(yōu)于純金紅石型。但是如果在銳鈦型和金紅石型的混合晶型樣品中純銳鈦晶型比金紅石型晶型的含量高的時(shí)候，混合晶型樣品的催化效率又高于純銳鈦礦型的Ti02。

而TiO2提升耐候性的關(guān)鍵在于采用各種方法可以彌補(bǔ)晶格上的缺陷，盡可能避免TiO2與空氣中的氧氣直接接觸。在如今的工業(yè)生產(chǎn)中為了提高TiO2漆膜的耐候性，工廠一般會(huì)在煅燒偏鈦酸之前加入少量的鹽處理劑，或者是采用包膜處理的方式堵塞住它的光活化點(diǎn)，從而隔絕TiO2與光的直接接觸。硅鋁包膜、鋯鋁薄膜是目前鈦白粉兩種表面改性方式。但是由于鈦白粉是TiO2經(jīng)過包膜處理過的產(chǎn)物，因此鈦白粉并不是百分之百的純的二氧化鈦，鈦白粉中TiO2的正常含量一般在93%～95%之間。TiO2含量偏高或偏低都會(huì)對(duì)涂料的耐候性造成影響。TiO2含量偏高的話，包膜的程度不夠，因此涂料的耐候性能減弱;TiO2含量偏低的話則會(huì)導(dǎo)致鈦白粉的遮蓋率降低，也會(huì)影響涂料的耐候性。

5? 鈦白粉對(duì)粉末涂料耐候性能的影響

目前主要形成了兩種老化實(shí)驗(yàn)方法用于評(píng)價(jià)高分子材料的耐老化性能。這兩種方法分別是是自然老化試驗(yàn)和人工加速老化試驗(yàn)，自然老化試驗(yàn)也就是直接利用自然環(huán)境中各種天然的自然因素對(duì)高分子材料造成的影響對(duì)物品進(jìn)行老化試驗(yàn);人工老化試驗(yàn)方法則是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)利用相關(guān)設(shè)備模擬自然條件下會(huì)造成圖層老化的因素，從而對(duì)高分子材料進(jìn)行老化試驗(yàn)的方法。這兩種方法都有利有弊。自然老化試驗(yàn)耗費(fèi)時(shí)間，周期長(zhǎng)，不同季節(jié)，不同地區(qū)，不同溫度，不同環(huán)境下所做的自然老化試驗(yàn)不具備可比性，但是自然老化試驗(yàn)與需要考慮復(fù)雜老化機(jī)理的人工加速老化試驗(yàn)相比更加可靠;人工加速老化試驗(yàn)通過模擬自然條件下的陽光、溫度、降水等因素，可以大大縮短自然老化試驗(yàn)的周期，而且對(duì)實(shí)驗(yàn)條件具備更強(qiáng)的可控性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果再現(xiàn)性強(qiáng)。因此人工老化試驗(yàn)作為一種重要補(bǔ)充，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高分子材料的開發(fā)與研究中。

5.1 粉末涂料耐候測(cè)試

5.1.1 粉末涂料耐候測(cè)試實(shí)驗(yàn)配方

詳見表1。

5.1.2 操作方法

（1）首先控制擠出機(jī)的溫度，溫度控制在90°～110°之間，擠出機(jī)升溫后，先使用樹脂和填料的混合物清洗擠出機(jī)，清洗完畢以后再使用純樹脂進(jìn)行清洗，直到擠出機(jī)清洗干凈為止。

（2）依據(jù)配料表將各種原料按照相應(yīng)的比例放入袋中，并充分搖勻，然后將配制好的原料倒入料斗中，將主電機(jī)打開后，緩緩擠出原料，雙棍上接通冷卻水以后，把擠出的物料導(dǎo)入棍筒上，緩慢拉出，收集約500-600g的樣品放入袋中，并將其敲碎。

（3）取出約200g敲碎后的物料，放入電磨中充分研磨粉碎，再使用180目的篩網(wǎng)過篩。過篩后倒入帶有噴槍的噴壺，將噴槍電壓設(shè)置為50～70kV，將充分研磨好的物料噴涂在去油污鐵板基材上，厚度保持在100～200μm之間，噴涂完畢后在200℃的溫度下烘烤10min左右。

（4）每個(gè)樣品都噴涂三塊樣板，10min后取出，在常溫環(huán)境下冷卻，冷卻完畢后，使用相應(yīng)的設(shè)備檢測(cè)涂膜的實(shí)際厚度、光澤感以及顏色等。

（5）在所有的樣板中選擇出兩塊涂膜較為完好，而且各方面數(shù)據(jù)相差不大的樣板作為一組對(duì)照組放入QUV老化實(shí)驗(yàn)箱中，測(cè)試循環(huán)為標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)測(cè)試A，循環(huán)時(shí)長(zhǎng)為100h，測(cè)定項(xiàng)目有L、a、b和涂料光澤，計(jì)算失光率，從而比較各個(gè)樣品之間耐候性的差異。

5.1.3 實(shí)驗(yàn)方案

（1）收集市場(chǎng)上主流鈦白粉產(chǎn)品，信息如表2所示。

（2）按照試驗(yàn)配方對(duì)以上各個(gè)種類的鈦白粉進(jìn)行粉末涂料制板，制板完畢后進(jìn)行人工老化試驗(yàn)測(cè)試。

（3）按照實(shí)驗(yàn)做相關(guān)的測(cè)試以及評(píng)價(jià)，將相關(guān)的數(shù)據(jù)收集完畢以后并進(jìn)行分析，判斷各個(gè)種類的鈦白粉耐候性能。

5.1.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

詳見表3。

5.1.5 判斷標(biāo)準(zhǔn)說明

（1）漆膜顏色變化等級(jí)，見表4。

（2）失光率漆膜失光率變化等級(jí)，見表5。

（3）漆膜粉化程度等級(jí)，見表6。

實(shí)驗(yàn)小結(jié)

（1）從以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以看出A1組中的銳鈦型鈦白粉在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到1000h的時(shí)候色差變化較大，涂料粉化比較明顯，漆膜的嚴(yán)重失去了光澤。這些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的出現(xiàn)與銳鈦型鈦白粉表面粒子的光化學(xué)活性有關(guān)。銳鈦型鈦白粉中的TiO2會(huì)在紫外線的照射下產(chǎn)生活性自由基，活性自由基會(huì)加速涂層的老化，對(duì)涂料的耐候性影響比較大。因此，在選擇耐候性粉末涂料時(shí)，光化學(xué)活性比銳鈦型鈦白粉低的金紅石晶型鈦白粉就成了最佳的選擇。

（2）從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出A3組漆膜在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到1000h的時(shí)候色相變化仍然很小，粉化問題也基本沒有，耐候性比較好，此組樣品可以滿足耐候性粉末涂料的基本要求。A3組主要針對(duì)耐候性對(duì)鈦白粉做了進(jìn)一步的，通過表面處理工藝對(duì)鈦白粉粒子表面進(jìn)行相關(guān)處理，將二氧化鈦粒子表面上的大部分的光化學(xué)活性點(diǎn)封閉，阻止鈦白粉的光化學(xué)過程，從而提高了漆膜的耐候性。

（3）所有組中耐候性表現(xiàn)最好的是A5組，在1000h的色相變化很小，失光小，而且沒有粉化問題。A4、A5組雖然都是采用氯化法工藝進(jìn)口的金紅石型鈦白粉，耐候性能相對(duì)來說都比較好，但是A5組同樣采用了鈦白粒子的表面處理工藝。

（4）綜上所述，國(guó)產(chǎn)A3組的鈦白粉的耐候性能與A5組非常接近，所以在選擇涂料的時(shí)候可以用A3涂料代替部分的A5涂料，以節(jié)省成本。所以相關(guān)人員可以根據(jù)實(shí)際需求選擇性能合適，價(jià)格也合適的涂料。

5.2 自然暴曬實(shí)驗(yàn)

在產(chǎn)品正式投入生產(chǎn)之前，要對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行自然暴曬實(shí)驗(yàn)，以保證涂料的耐候性符合生產(chǎn)要求。在這個(gè)是實(shí)驗(yàn)中會(huì)選擇金紅石晶型的鈦白粉，按照相關(guān)配方，對(duì)粉末涂料進(jìn)行自然暴曬的耐候性實(shí)驗(yàn)。

隨機(jī)選取某廠家金紅石晶型鈦白粉中的三個(gè)批次制作樣本，按照相關(guān)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)分別對(duì)它們進(jìn)行熱帶氣候自然暴曬實(shí)驗(yàn)。數(shù)據(jù)分析：

（1）3個(gè)樣品的暴曬數(shù)據(jù)基本一致;

（2）在暴曬18個(gè)月后，數(shù)據(jù)基本趨于平穩(wěn);

（3）曝光率在10%以下時(shí)會(huì)出現(xiàn)很輕微粉化現(xiàn)象;

（4）一旦出現(xiàn)粉化現(xiàn)象后，曝光率基本維持在5%上下;

（5）涂層沒有發(fā)現(xiàn)銹跡，涂層無脫落現(xiàn)象。

5.3 金紅石晶型鈦白粉粉末涂層氙燈加速老化實(shí)驗(yàn)

試驗(yàn)條件：參照《GB/T18652009色漆和清漆人工氣候老化和人工輻射暴露（濾過的氙弧輻射）》。

樣品：隨機(jī)選取某廠家生產(chǎn)的三個(gè)批次中金紅石晶型鈦白粉制作樣本。

通過對(duì)以上得出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（見表7）的分析，可以得出以下結(jié)論：使用氙燈對(duì)所取樣品加速老化500h的結(jié)果與在自然條件下暴曬3個(gè)月的結(jié)果很相近;使用氙燈對(duì)樣品加速老化1000h后的結(jié)果與在自然條件下暴曬半年的結(jié)果基本一致。

6? 結(jié)語

本文以鈦白粉的具體類型，老化原理入手，重點(diǎn)討論了鈦白粉粉末涂料耐候影響。由上文可知鈦白粉在粉末涂料應(yīng)用中的重要性以及不可替代的作用，通過各項(xiàng)試驗(yàn)得出鈦白粉對(duì)于粉末涂料耐候性能的影響。通過實(shí)驗(yàn)我們可以得出三種不同類型的鈦白粉中金紅石型鈦白粉的耐候性能是最好，因此在涂料生產(chǎn)中最常用的原料也是金紅石晶型鈦白粉。通過分析得出金紅石晶型鈦白粉對(duì)涂料耐候性的影響，從而根據(jù)影響因素對(duì)涂料進(jìn)行改進(jìn)，以便更一步提高涂料的耐候性，使粉末涂料的耐候性更高，在日常生活中的應(yīng)用也更加便利。

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