復材粉末噴涂
對于溫度閾值較低的零件，如復合材料，紫外線固化粉末涂料可能是一種理想的解決方案。
從航空航天、汽車到體育用品等領域，復合材料的應用正在迅速增加。然而，實現復合材料的完美飾面可能是一個挑戰。進入粉末涂層——傳統上用于金屬的精加工工藝，現在在非金屬基材上獲得了吸引力。
粉末涂層包括通過靜電施涂工藝將干粉施涂到基底上。然后將涂層部分加熱固化，形成耐用、保護性和美觀的涂層。該工藝具有許多優點，包括漆面均勻、抗剝落和劃傷能力增強，以及由于不存在有害空氣污染物和揮發性有機化合物而帶來的環境效益。
粉末涂料使用靜電噴槍將帶電粉末顆粒施加到基底上。
盡管粉末涂料有其優點，但使用粉末涂料作為復合材料的表面處理仍有幾個重要考慮因素。主要考慮因素之一是基底的熱敏性。傳統的粉末涂料工藝需要在高溫下固化，通常為150-200°C。然而，許多復合材料可能無法承受這些溫度而不退化或變形。已經開發出低溫粉末涂料來解決這個問題。這些涂層在顯著較低的溫度下固化，約為120-150°C，使其適用于溫度敏感的基底。其他低溫解決方案包括使用紫外線（UV）進行固化過程的粉末涂料，為熱敏材料提供了更少的熱暴露。
處于這些創新前沿的一家公司是Keyland Polymer（美國俄亥俄州克利夫蘭），以其在紫外線固化粉末涂料方面的工作而聞名。Keyland的故事與其姊妹公司DVUV（克利夫蘭）交織在一起，據報道，DVUV在北美推出了第一條紫外線固化粉末涂料生產線。DVUV最初專注于粉末涂料中密度纖維板，很快意識到UV固化粉末涂料在傳統基之底外的潛力。這導致了Keyland Polymer于2006年成立，其使命是通過不斷的研發來推進紫外線固化粉末涂料技術。
Keyland的主要產品UVMax已成為高品質UV固化粉末涂料的代名詞。多年來，該公司已將其專業知識擴展到金屬、塑料和復合材料的涂料，包括碳纖維材料。這種多樣化使Keyland成為傳統粉末涂料難以處理的熱敏和非導電基底涂層的領導者。
Keyland Polymer的業務開發經理安德魯·沃爾頓（Andrew Walton）表示：“粉末涂料在一個涂層中提供了一種非常具有裝飾性和功能性的涂層，與其他技術相比，其效率非常高。”。“我們仍在繼續進行的許多研發工作都是針對那些傳統上無法粉末涂層的非導電熱敏基底——傳統上會涂上濕漆的部件。我們對涂覆這些材料感到非常興奮，因為我們可以為傳統上無法涂覆的基底提供粉末涂層的屬性，提供高轉移效率（TE- transfer efficiency ）和非常耐用的表面。”
TE是指涂層或油漆附著在預期表面上的百分比，與浪費的材料量相比。由于其應用過程使用靜電噴槍將帶電材料沉積到基底上，粉末涂料能夠提供高TE。
Keyland Polymer的UV粉末涂料已用于各種行業，包括體育和娛樂設備、航空航天和汽車。例如，在體育行業，涂層為自行車、網球拍和高爾夫球桿等產品提供了增強的耐用性和性能。在航空航天和汽車領域，該公司正在開展研發項目，探索其涂料在內部部件中的應用，以及提供特定性能特征的功能涂料。
沃爾頓表示，該公司的內部樹脂制造能力使其能夠定制樹脂配方，以滿足不同應用的獨特需求。這種靈活性使Keyland能夠開發出具有高耐化學性、抗紫外線褪色性和其他特殊性能的涂料。
粉末涂料的優點
粉末涂料以其耐用性和保護性而聞名，為抵御環境因素（包括紫外線輻射、水分和化學物質）提供了強大的屏障。這種保護對于在戶外或惡劣環境中使用的產品特別有益。此外，粉末涂料在美學方面提供了很多選擇。粉末有各種顏色和飾面可供選擇，從啞光到光澤，從金屬到紋理。這種多功能性使設計師能夠在不影響性能的情況下實現特定的美學目標。
也許最重要的好處是粉末涂料被認為是一種環保工藝。與液體涂料不同，粉末涂料不含溶劑或HAP，釋放的VOC量可以忽略不計。這使它們成為一種更環保的選擇，與許多行業的可持續發展目標相一致。
此外，用于涂覆零件的粉末的固體性質使粉末涂料易于儲存、運輸和清理。此外，在應用過程中，粉末會帶靜電，使其附著在基材上。這意味著大部分應用的產品最終都會出現在零件上，從而產生高TE和最小的浪費。多余的粉末也可以回收，可以重復使用或回收。
粉末涂層碳纖維復材零件
UV固化粉末涂料
除了引入復合材料或塑料零件變形或退化的風險外，固化過程中的過熱還會影響復合材料的機械性能，如抗拉強度和彈性。紫外線固化粉末涂料特別適用于涂覆此類材料，因為它們在暴露于紫外線能量時會立即固化，這有助于降低改變材料性能的風險。通過使用紫外線固化涂層，可以在不損壞基材的情況下實現耐用、高質量的表面處理。
Keyland Polymer營銷經理麗貝卡·隆扎克解釋說：“我們的標準紫外線配方比任何其他低溫或傳統熱固性粉末涂料固化得低得多。對于溫度閾值較低的零件，紫外線固化粉末涂料是一種理想的解決方案。”
隆扎克解釋說，UV粉末涂料的應用設備與傳統的粉末涂料相似，但關鍵的區別在于粉末配方中含有光引發劑，并且需要紫外光來完成固化過程。
實施UV粉末涂料確實需要特定的設備和工藝考慮。沃爾頓說：“粉末和系統是齊頭并進的。”。
在零件涂上紫外線固化粉末后，使用對流或紅外（IR）加熱。一旦粉末熔化，然后用紫外線固化。
該過程包括兩個不同的步驟：熔化和固化。粉末必須加熱才能流出，這可以通過使用各種熱源來實現，包括對流和紅外熱。一旦粉末流出并處于高溫下，就需要暴露在紫外線下進行固化和交聯。
其他注意事項
除了需要較低的溫度固化外，復合材料零件在粉末涂層之前還需要一些額外的考慮。
復雜的幾何形狀：碳纖維零件通常具有復雜的形狀和輪廓，這使得均勻的粉末應用具有挑戰性。先進的應用技術，如帶有可調節噴嘴的靜電噴槍，可以幫助實現均勻的覆蓋。在應用過程中旋轉或傾斜零件也可以確保粉末到達所有表面。
表面處理：在涂層工藝之前，適當的表面處理對于確保粉末涂層的附著力和耐用性至關重要。碳纖維和復合材料部件通常具有光滑、無孔的表面，涂層很難粘附。噴砂、化學蝕刻或涂底漆等表面處理技術可以增強粘附力。在處理復合材料時，選擇一種不會損壞纖維或樹脂基底的方法至關重要。
導電性：關于附著力，粉末涂層工藝依賴于靜電引力在固化前將粉末固定在適當的位置。碳纖維具有固有的導電性，這有助于粉末應用。然而，電導率可能因復合材料的配方和纖維取向而異。由于確保整個零件上的靜電電荷一致且充足至關重要，因此使用導電底漆或將零件接地等技術可以改善應用過程。
沃爾頓說，有許多導電底漆和粘合劑促進劑可供選擇。事實上，Keyland有一種專門為復合材料零件設計的底漆。根據零件的復雜性和系統的工藝限制，在粉末涂層之前對零件進行噴涂或浸漬。
展望未來
Keyland Polymer不斷突破UV粉末涂料技術的界限。該公司正在積極研究進一步降低固化溫度的方法，一些項目的目標溫度低至100°C。這些進步為涂覆熱敏基底開辟了新的可能性，并有助于擴大紫外線粉末涂料的應用范圍。
隨著對輕質高性能材料的需求不斷增長，復合材料粉末涂層工藝的開發和改進可能在幫助推進各種應用方面發揮作用。沃爾頓說，電動汽車、儲能和航空航天研發等應用，特別是在先進的空中交通（AAM-advanced air mobility ）領域，正在推動人們對以新方式使用粉末涂料的興趣。“我們肯定會看到對功能性涂料的需求增加，而不是裝飾性涂料。”
粉末涂料作為一種表面處理選擇有很多好處，因為它有望將耐用性、保護性、美觀性和環境效益結合起來。隨著技術進步解決了基材的熱敏性問題和使用該材料的其他挑戰，粉末涂料將在復合材料應用中發揮越來越大的作用。
原文見，《Exploring powder coating for composites 》 2024.8.19
楊超凡 2024.8.19
