鋁型材返噴砂紋粉末層間脫層問題分析


        鋁型材表面經粉末噴涂后具有很好的防護性能和裝飾性能，經過幾十年的發展，鋁型材噴涂工藝愈發完善，同時噴涂成品率也不斷提高。一般情況下，如果嚴格控制前處理及噴涂工藝，可最大限度地控制不合格品的生產。但由于原輔材料、擠壓壞料、噴涂設備、生產環境因素以及員工責任心等，鋁型材粉末噴涂一次成品率很難達到100%，其中大部分缺陷是需要返工修復的。據觀察，當砂紋表面出現質量缺陷需要重新返噴時，有時會出現返噴涂層與第一道砂紋涂層間出現脫層問題，也即常說的“兩張皮”現象，而返噴平光粉末涂料時卻極少出現脫層問題。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層間現象，必有其特殊性。
        與平光粉末涂料相比，砂紋粉末涂料配方有其特殊性：
配方中所用的主要原材料如聚酯樹脂和固化劑TGIC(或HAA)可能更低端；
配方中使用砂紋劑為表面張力物質，固化后更易形成低表面能的涂層表面；
配方中使用更多的蠟以提高表面硬度和抗刮傷性能，固化后浮于涂層表面；
配方中可能使用待檢品、庫存粉以及回收粉；
       固化時，砂紋粉末也表現出與普通平光粉不一樣的固化特性：
熔融粘度大；
膠化時間短。
       附著力實質是界面間的作用力，是有機涂層與基體間通過物理和化學作用結合在一起的牢固程度，它主要包括兩方面：有機涂層與金屬基體間相互結合能力及有機涂層分子間膠聯的程度，涂層與基體間的結合力越大越好，涂層固化越徹底，分子間的交聯就越穩定，形成的涂層就越致密牢固。
        粉末涂料噴涂時依靠靜電吸附到工件表面，在固化爐經過熔融、流平、膠化、固化四個過程。其中，在熔融、流平、膠化三個過程中粉末程液態特征，潤濕底材并且滲入到底材的表面空隙中，從而使粉末與被涂底材緊密結合，形成附著力。
        如果在熔融、流平、膠化三個過程中粉末層不能與底材緊密結合，那么工件在受到外力作用時會出現涂層與底材分離的現象，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潤濕性是必須的標準，只有當涂料有效潤濕底材時才起作用，涂料對底材的潤濕是附著力的關鍵。被涂表面的潤濕可從熱力學角度描述，涂料在液體時的表面張力以及底材和固態涂膜的表面能是影響界面連接強度和附著力形成的重要參數。
        所以要得到良好的附著力粉末在熔融狀態對底材的潤濕至關重要，而潤濕過程與底材的表面張力，熔體的粘度以及接觸時間有關。由于砂紋粉固化時表現出的高粘度及較短的膠化時間特性，當返噴在低表面能的砂紋表面時對底層砂紋表面的潤濕是恰恰不利的。
        有報導稱加入少量的某些含氮基團能大大提高附著力。因為界面上兩相間發生氨-酯交換反應，形成酰胺鍵，但在實際操作中并未得到證實。

        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。廣義上，這些結合力可分為二類：主價力和次價力。化學鍵即為主價力，具有比次價力高得多的附著力，次價力是以氫鍵為代表的弱得多的作用力。當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鍵，相互反應的化學基團牢牢結合在底材和涂料上。在具有極性基團，如含結晶水的轉化膜（鉻化膜）的底材上更容易以化學鍵結合（聚酯粉末中反應性的羧基基團與金屬底材轉化膜界面間形成共價鍵，這一相互反應的化學基團牢牢結合在底材和涂料上，解決聚酯粉末涂層與鋁型材表面附著力的問題），因此這類連接屬于化學鍵結合且最強耐久性最佳。而在非極性表面如完全固化交聯的聚酯粉末涂層上則具有較少的化學鍵，因此返噴涂層就不會與基層涂層發生化學交聯反應，只能進行物理附著或少量氫鍵結合。因此在砂紋表面返噴砂紋粉末更適合于機械連接理論解釋。

        機械連接理論
        當熔融的粉末與含有孔、洞的砂紋表面接觸時，熔體能夠滲透進去并起到機械定錨作用。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出現透底現象，而且，深而尖的隆起會形成不均一的涂層，從而生成應力集中點，降低附著力。當剝離返噴砂紋涂層時，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未熔融時并未真正地滲透進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比相應的幾何面積還小，并且在涂料和底材間留有空隙，空隙中駐留的氣泡會導致水汽的聚集，最終導致附著力的損失。這與砂紋粉末的特性有關：首先第一層砂紋涂層固化后表面張力較低，當涂層過度固化時表面張力變得更低；其次由于砂紋粉熔融時的粘度較大，而且返噴時有第一層涂層的“熱阻隔”作用，使得真實的工件受熱溫度較第一噴涂時低，在較低溫度下熔體粘度更難降低，高粘度低流動性的砂紋粉末熔體在較低的“工件溫度”下難以滲透進第一涂層的表面，隨著粘度和涂層剛性的增加的同時也逐漸形成會生成大量的應力，并殘留于涂層中。因此涂層間的機械連接力較低，在收到外力時便產生脫層現象。

3返噴時層間脫層原因分析
        通過以上理論再結合砂紋粉末的特性可以總結返噴砂紋粉時可能產生的脫層原因：
3.1 聚酯樹脂含量偏低
        如果聚酯樹脂含量低（填料量過大），有效成膜物質少，固化過程中會導致涂層交聯不完全，固化后涂層會發脆，遇到外力涂層就會脫落。
3.2 低檔次的聚酯樹脂
        聚酯樹脂由縮聚反應逐步聚合而成。嚴格控制縮聚工藝（控制升溫速率和縮聚反應后期的真空度）可得到分子量呈正態分布的質量上佳的產品，若縮聚工藝控制不當（升溫速率太快）尤其是縮聚后期真空度達不到，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從涂層內分解揮發出來而浮于涂層的表面，形成低分子“油膜”，嚴重影響了附著力。
3.3 添加劑不合適或用量不當
        砂紋粉末涂料配方中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），砂紋劑的主要成分是聚四氟乙烯，也就是我們常見的特氟龍不粘鍋涂料的主要成分，聚四氟乙烯和聚乙烯蠟的加入都會降低涂層的表面張力，適量的添加量對附著力不會產生較大的影響，但如果使用過量，則會極大地降低砂紋涂層的表面張力，形成一個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差，熔融的返噴粉末難以完全滲透的底涂層的空隙中，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合，最終導致涂層間附著力不合格。
3.4 噴涂砂紋粉末時摻入了過多回收粉或過期物
        所有鋁型材客戶都會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生產預交聯反應甚至已經過期，使得噴涂的砂紋粉中各種材料的比例已經偏離了正常新粉配方，兩者混合使用時，會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，在返噴涂層與底層涂層間留有空隙，最終導致附著力不合格。過期粉中由于聚酯樹脂與固化劑(TGIC或HAA)已部分預交聯，而使得涂層固化的有效反應點降低（官能度降低），這也將嚴重影響涂層的附著力。
3.5 固化溫度過低或時間過短
        固化溫度低或時間短，嚴重影響聚酯樹脂與固化劑(TGIC或HAA)之間的交聯反應，固化后涂層柔韌性差且附著力變差。
3.6 固化溫度過高或時間過長
        當涂料在比原定溫度高得多的溫度下固化或烘烤時間延長時附著力變差。主要原因是在這兩種情況下，部分涂料發生碳化，嚴重影響涂料分子之間的交聯。通過鋁型材用的聚酯粉末涂料的固化溫度為185℃（HAA固化）或200℃（TGIC固化），時間為15-20分鐘。過度交聯的涂層會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。
        砂紋粉末中反應性羧基基團傾向于和含有類似基團的底材更牢固地附著，如果第一涂層適當固化，則第一涂層的剩余少量羧基會與第二道涂層內的固化劑TGIC或HAA反應，有利于將返噴涂層與底涂層粘合在一起。當第一涂層過烘烤（烘烤時間長和/或固化溫度過高）時，第一涂層幾乎無羧基剩余，返噴涂層的附著力顯著減弱，有時甚至無附著力。
3.7 采用直排燃氣爐
        直排燃氣爐直接將燃燒產物排放于固化爐內，若是用了不純凈的燃氣，未充分燃燒時形成的小分子炭化產物會附著于固化涂層的表面，形成”油膜”，返涂時若不除去，將直接造成返涂層附著失敗。另外某些間接交換燃氣爐若維護不當（如發生燃氣泄露），也可能使得燃燒副產物附著于涂層表面造成后期返噴時的附著力喪失。
3.8 涂料之間的配套性
        不同廠家生產的砂紋粉末涂料，由于使用的樹脂的反應性及粘度等指標不同，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、待檢測甚至回收粉）都可能存在配套性的問題。若返噴時使用了不同生產商的砂紋粉末或某個差異較大的批次的粉末，則極有可能在返噴時出現脫層現象。預防措施是，不要輕易更換涂料供應廠家或砂紋粉末進廠前或使用前先進性小批次試噴檢測返噴的附著力。
3.9 飯噴涂層偏厚
        當飯噴涂層偏厚時，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也伴隨內聚力增加，并殘留于涂層中。涂層之間固化后各處的應力相差較大，受到外力作用時，涂層自然會脫落。

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，由于噴涂返工料時兩次噴涂涂層間無化學鍵結合而僅僅靠機械力附著而容易出現脫層現象，根據噴涂車間實際生產經驗，返噴時應采用正確的處理措施及質量檢測以確保反噴涂層的附著力。

        圖2是返噴砂紋粉的生產工藝流程圖，型材固化后因表面質量缺陷需返噴的，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膜打磨掉以改善涂層的表面張力，進而提高返噴涂層與第一涂層的層面附著力。
        打磨后應使用潔凈擦布清理，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工藝要求基本一致，但是噴涂的電壓應適當降低，一般設定為30KV-60KV，返噴涂層的厚度適當控制（一般小于等于40um）。
        下料后，檢查返噴料的膜厚及劃格實驗檢查層間附著力，也可以通過抽檢鋸切料頭做水煮實驗檢測涂層附著力。