陶厚东 马征程 齐飞
摘 要：一些基材、室内外用品的外层保护层一般都采用的是粉末涂料，不仅对物品起到装饰的作用，还可以避免物品外层直接与空气接触，从而将各种物品的使用寿命适当延长。但是粉末涂料也是有一定的使用周期的，并不是说粉末涂料涂抹在物品表面以后就可以对物品起到一个永久的保护作用。粉末涂料会在紫外线或者其它的因素影响下发生氧化反应，从而使涂层老化，从物体表面脱落，影响了耐用品的使用。因此在如今环保以及绿色生产的要求下提高粉末涂料的耐候性这一问题越来越受到人们的关注。
关键词：钛白粉 粉末涂料 耐候性
中图分类号：TQ637 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）11（c）-0069-03
以防护和装饰为主要功能的粉末涂料涂层在户外的应用越来越普遍，而人们对它的基本特性，即耐候性和耐久性的要求也在不断提高。粉末涂料涂层主要应用于一些室内外用品的涂膜，这些涂膜在自然环境下会发生化学反应，主要的表现有：涂层会逐渐褪色、光泽感降低、涂层表面出现裂纹、脱落。这些表现统称为涂层老化，涂层老化的具体原因是紫外线辐射，紫外线辐射会使涂层发生氧化反应，从而使涂层降解。
一般来说，在日常生活中会有很多影响涂层耐候性的因素，比如：固化剂、颜料填充剂、树脂等等。在涂层中最常用的白色颜料之一就是钛白粉，因此涂层的耐候性好不好主要是由钛白粉品质性能的高低所决定的。所以为了提高涂层的耐候性就必须提高钛白粉的相关品质性能。本文就通过理论分析以及实验简单说明了钛白粉对粉末耐候性能的影响，希望可以为大家提供一些意见和帮助。
1 耐候性定义
耐候性也就是指粉末涂料抗老化的能力。室内外涂层都免不了会受到紫外线的辐射，而紫外线辐射就是引起涂层老化的最主要的因素。除了紫外线辐射，室外产品的涂层封面还会受到阳光照射、雨水侵蚀、温度变化等因素的影响从而出现褪色、失光、涂层龟裂等老化现象。
针对于紫外线对涂料的影响，可以采用紫外线照射加速老化试验使钛白粉粉末涂层在短时间内呈现出在室外几个月甚至几年内涂层的变化。
2 钛白粉在涂料中的重要作用
粉末涂料与以往的液体涂料不同，在粉末涂料中是不含溶剂，它是一款百分之百纯固体的新型粉末涂料，它因为优点众多而在过去的十年里得到快速发展。主要的优点以及特点有：不含溶剂、对自然环境的污染极小、可以通过一定的途径回收利用、节约能源和资源、降低工作人员的劳动强度、符合当代绿色生产、环保发展的理念等等。粉末涂料已经成为了一个发展前景非常乐观的新型行业。
粉末涂料相对于液体涂料来说，不仅特殊在它的形态还特殊性在于配制粉末涂料时对其中颜料以及填料的选择。在配制粉末涂料的过程中，要对颜料的选择有严格的把关：（1）颜料要不易结块，有非常好的分散性，（2）颜料要具备较强的遮盖力，（3）颜料需要耐高温，热稳定性一定要好，（4）颜料要能够抗老化，（5）颜料要有适量的吸油性等等。
钛白粉的优点极多，比如说折射率比较高、消色力强大、有非常好的遮盖力，最重要的是无毒无害，性质稳定。钛白粉的众多优点决定了它会拥有非常广泛的用途，涂料、造纸业、化妆品行业、塑料制品行业、油墨制造、化纤行业等等都可以见到它的影子。但在这些领域总钛白粉最主要的应用领域还是涂料，尤其是金红石型钛白粉是涂料工业最重要的原料。
涂料的主要用途是涂抹在物体表面从而对物体起到保护的作用。
涂料中的颜料必须要有一定的遮盖力，而且颜色要鲜艳，在覆盖掉物体本身的色彩以后还能够赋予物体新的色彩，起到装饰的作用。颜料要能够与固着剂紧密结合，可以有效防止裂纹，同时增强涂膜的附着力，防止阳光中紫外线的穿透和水分的侵蚀，从而延长涂料的使用寿命，提高涂料的耐候性能。
钛白粉不论是在溶剂型还是水性涂料，它的作用不仅仅是遮盖和装饰物品，最主要的作用是提高涂料的性能，推迟涂料的老化，延长使用寿命。
3 钛白晶型的简要介绍
版钛型钛白粉、金红石型钛白粉以及锐钛型钛白粉是钛白粉在自然界中三种最主要的类型。钛白粉是多晶型的化合物，在这三种钛白粉中晶型最不稳定的是版钛型钛白粉，所以版钛型钛白粉的市场价值并不大，另外两种才是市场中应用于涂料的最主要的原料。锐钛型钛白粉晶格稳定性不好，相对比度小，而且晶体硬度较小，主要原因在于锐钛型钛白粉的单晶是由四个CO2分子组成的，因此晶格较大，单晶之间的结合相对来说比较疏松，而且晶体排列具有一定的方向性，所以在多晶的结合体上统一形成了类似云母片状的结构。而金红石型钛白粉的单晶是由两个Ti02分子构成的，晶格比较小，结合也比较紧密，而且晶格的排列呈现出发散性的空间排列，没有方向性，多晶的结合体为比较致密的空间网状结构，所以金红石型钛白粉相对锐钛型钛白粉来说晶格稳定性上密度较大，硬度也比较大。锐钛型钛白粉一般是比较规则的八面体形状，而金红石型钛白钛白粉的晶体则比较细长，呈现出棱形，一般情况下為栾晶。
4 简析钛白粉晶型对涂层老化性能机理
光生电子_空穴对的分离程度决定了Ti02的催化能力的最主要的因素。但是相对于锐钛型钛白粉来说，金红石型钛白粉的Ti02对氧的吸附能力比较弱，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条件下会产生俘获光子的作用，不仅可以抑制光生电子_空穴对的复合，而且还可以作为一种氧化剂将已经羟基化的反应物氧化回来。
金红石型钛白粉Ti02不仅可以吸收光，而且还可以激发电子，但是有一个缺点就是复合太快，这就造成可以用于氧化污染的光子率很低。后来通过大量的研究实验证明纯锐钛晶型的Ti02的催化效果优于纯金红石型。但是如果在锐钛型和金红石型的混合晶型样品中纯锐钛晶型比金红石型晶型的含量高的时候，混合晶型样品的催化效率又高于纯锐钛矿型的Ti02。
而TiO2提升耐候性的关键在于采用各种方法可以弥补晶格上的缺陷，尽可能避免TiO2与空气中的氧气直接接触。在如今的工业生产中为了提高TiO2漆膜的耐候性，工厂一般会在煅烧偏钛酸之前加入少量的盐处理剂，或者是采用包膜处理的方式堵塞住它的光活化点，从而隔绝TiO2与光的直接接触。硅铝包膜、锆铝薄膜是目前钛白粉两种表面改性方式。但是由于钛白粉是TiO2经过包膜处理过的产物，因此钛白粉并不是百分之百的纯的二氧化钛，钛白粉中TiO2的正常含量一般在93%～95%之间。TiO2含量偏高或偏低都会对涂料的耐候性造成影响。TiO2含量偏高的话，包膜的程度不够，因此涂料的耐候性能减弱;TiO2含量偏低的话则会导致钛白粉的遮盖率降低，也会影响涂料的耐候性。
5 钛白粉对粉末涂料耐候性能的影响
目前主要形成了两种老化实验方法用于评价高分子材料的耐老化性能。这两种方法分别是是自然老化试验和人工加速老化试验，自然老化试验也就是直接利用自然环境中各种天然的自然因素对高分子材料造成的影响对物品进行老化试验;人工老化试验方法则是在实验室内利用相关设备模拟自然条件下会造成图层老化的因素，从而对高分子材料进行老化试验的方法。这两种方法都有利有弊。自然老化试验耗费时间，周期长，不同季节，不同地区，不同温度，不同环境下所做的自然老化试验不具备可比性，但是自然老化试验与需要考虑复杂老化机理的人工加速老化试验相比更加可靠;人工加速老化试验通过模拟自然条件下的阳光、温度、降水等因素，可以大大缩短自然老化试验的周期，而且对实验条件具备更强的可控性，实验结果再现性强。因此人工老化试验作为一种重要补充，已经广泛应用于高分子材料的开发与研究中。
5.1 粉末涂料耐候测试
5.1.1 粉末涂料耐候测试实验配方
详见表1。
5.1.2 操作方法
（1）首先控制擠出机的温度，温度控制在90°～110°之间，挤出机升温后，先使用树脂和填料的混合物清洗挤出机，清洗完毕以后再使用纯树脂进行清洗，直到挤出机清洗干净为止。
（2）依据配料表将各种原料按照相应的比例放入袋中，并充分摇匀，然后将配制好的原料倒入料斗中，将主电机打开后，缓缓挤出原料，双棍上接通冷却水以后，把挤出的物料导入棍筒上，缓慢拉出，收集约500-600g的样品放入袋中，并将其敲碎。
（3）取出约200g敲碎后的物料，放入电磨中充分研磨粉碎，再使用180目的筛网过筛。过筛后倒入带有喷枪的喷壶，将喷枪电压设置为50～70kV，将充分研磨好的物料喷涂在去油污铁板基材上，厚度保持在100～200μm之间，喷涂完毕后在200℃的温度下烘烤10min左右。
（4）每个样品都喷涂三块样板，10min后取出，在常温环境下冷却，冷却完毕后，使用相应的设备检测涂膜的实际厚度、光泽感以及颜色等。
（5）在所有的样板中选择出两块涂膜较为完好，而且各方面数据相差不大的样板作为一组对照组放入QUV老化实验箱中，测试循环为标准循环测试A，循环时长为100h，测定项目有L、a、b和涂料光泽，计算失光率，从而比较各个样品之间耐候性的差异。
5.1.3 实验方案
（1）收集市场上主流钛白粉产品，信息如表2所示。
（2）按照试验配方对以上各个种类的钛白粉进行粉末涂料制板，制板完毕后进行人工老化试验测试。
（3）按照实验做相关的测试以及评价，将相关的数据收集完毕以后并进行分析，判断各个种类的钛白粉耐候性能。
5.1.4 实验数据
详见表3。
5.1.5 判断标准说明
（1）漆膜颜色变化等级，见表4。
（2）失光率漆膜失光率变化等级，见表5。
（3）漆膜粉化程度等级，见表6。
实验小结
（1）从以上实验数据中可以看出A1组中的锐钛型钛白粉在实验进行到1000h的时候色差变化较大，涂料粉化比较明显，漆膜的严重失去了光泽。这些实验现象的出现与锐钛型钛白粉表面粒子的光化学活性有关。锐钛型钛白粉中的TiO2会在紫外线的照射下产生活性自由基，活性自由基会加速涂层的老化，对涂料的耐候性影响比较大。因此，在选择耐候性粉末涂料时，光化学活性比锐钛型钛白粉低的金红石晶型钛白粉就成了最佳的选择。
（2）从实验数据可以得出A3组漆膜在实验进行到1000h的时候色相变化仍然很小，粉化问题也基本没有，耐候性比较好，此组样品可以满足耐候性粉末涂料的基本要求。A3组主要针对耐候性对钛白粉做了进一步的，通过表面处理工艺对钛白粉粒子表面进行相关处理，将二氧化钛粒子表面上的大部分的光化学活性点封闭，阻止钛白粉的光化学过程，从而提高了漆膜的耐候性。
（3）所有组中耐候性表现最好的是A5组，在1000h的色相变化很小，失光小，而且没有粉化问题。A4、A5组虽然都是采用氯化法工艺进口的金红石型钛白粉，耐候性能相对来说都比较好，但是A5组同样采用了钛白粒子的表面处理工艺。
（4）综上所述，国产A3组的钛白粉的耐候性能与A5组非常接近，所以在选择涂料的时候可以用A3涂料代替部分的A5涂料，以节省成本。所以相关人员可以根据实际需求选择性能合适，价格也合适的涂料。
5.2 自然暴晒实验
在产品正式投入生产之前，要对产品进行自然暴晒实验，以保证涂料的耐候性符合生产要求。在这个是实验中会选择金红石晶型的钛白粉，按照相关配方，对粉末涂料进行自然暴晒的耐候性实验。
随机选取某厂家金红石晶型钛白粉中的三个批次制作样本，按照相关的试验标准分别对它们进行热带气候自然暴晒实验。数据分析：
（1）3个样品的暴晒数据基本一致;
（2）在暴晒18个月后，数据基本趋于平稳;
（3）曝光率在10%以下时会出现很轻微粉化现象;
（4）一旦出现粉化现象后，曝光率基本维持在5%上下;
（5）涂层没有发现锈迹，涂层无脱落现象。
5.3 金红石晶型钛白粉粉末涂层氙灯加速老化实验
试验条件：参照《GB/T18652009色漆和清漆人工气候老化和人工辐射暴露（滤过的氙弧辐射）》。
样品：随机选取某厂家生产的三个批次中金红石晶型钛白粉制作样本。
通过对以上得出的实验数据（见表7）的分析，可以得出以下结论：使用氙灯对所取样品加速老化500h的结果与在自然条件下暴晒3个月的结果很相近;使用氙灯对样品加速老化1000h后的结果与在自然条件下暴晒半年的结果基本一致。
6 结语
本文以钛白粉的具体类型，老化原理入手，重点讨论了钛白粉粉末涂料耐候影响。由上文可知钛白粉在粉末涂料应用中的重要性以及不可替代的作用，通过各项试验得出钛白粉对于粉末涂料耐候性能的影响。通过实验我们可以得出三种不同类型的钛白粉中金红石型钛白粉的耐候性能是最好，因此在涂料生产中最常用的原料也是金红石晶型钛白粉。通过分析得出金红石晶型钛白粉对涂料耐候性的影响，从而根据影响因素对涂料进行改进，以便更一步提高涂料的耐候性，使粉末涂料的耐候性更高，在日常生活中的应用也更加便利。
参考文献
[1] 耿耀宗.现代水性涂料工艺、配方、应用[M].北京：中国石化出版社，2013.
[2] 邓捷，吴立峰.钛白粉应用手册[M].北京：化学工业出版社，2005.
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