流变仪在粉末涂料研究中的应用

摘要: 流变仪在高分子材料领域应用广泛，但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、产品性能等方面展开研究，介绍了流变仪在粉末涂料产品开发中的应用实例并深入探讨。重点研究如何用流变仪测定粉末涂料胶化时间，以及运用流变仪对熔融开始及流平结束时间进行特性表征，还对粉末涂料产品固化过程中的黏度表征和如何用流变仪进行干粉流动性测试进行了研究。通过这几个方面的研究，拓宽了流变仪在粉末涂料研究中的应用思路，为其更广阔的应用前景奠定了基础。

前言
随着全球环保意识不断增强以及各国环保法规要求的推动，粉末涂料在世界范围内迅猛发展。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，对其性能（如高流平、优异的边角覆盖能力、抗流挂、高防腐等）提出了更高要求。

常规的检测分析手段难以鉴别粉末涂料在平衡上述性能时的实际情况，导致相关产品在客户试用过程中屡屡失败，需要不断改进。这在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关。常规的粉末涂料黏度往往反映的是单一温度下的黏度，无法体现粉末涂料从熔融到固化过程中黏度的变化；流变仪是测试黏度随温度变化的理想工具。流变仪在高分子材料领域应用广泛，可用于研究各类高分子材料的加工性能及流变特性，但在粉末涂料产品中的应用报道较少。

流变仪可用于测试固化类型产品的流变特性，能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。

本文以应用实例的方式利用流变仪对粉末涂料进行了四个方面的研究：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，采用振荡模式测定粉末涂料黏度随温度的变化，振幅为 0.05%，升温范围为 80 - 200℃，升温速率依据设定温度 200℃下的固化炉中铁质基材的实际升温曲线数据设定；
粉体流动性测试专用流变仪组件为 Powdercell，剪切速率为 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] 对应的时间，可通过流变仪测试粉末涂料的储存模量和损失模量，当时，对应的时间即为粉末涂料的胶化时间 [2]。

储存模量是弹性部分，代表部分储存变形能力；损失模量是黏性部分，代表变形能力损失部分；
，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：，即，弹性占主要部分；，即，黏度占主要部分；，即：黏度和弹性相等，是溶胶 - 凝胶转变点 [3]。

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 可知，在给定温度（如本测试采用的 200℃）下，和曲线的交点对应的时间，即为当前温度下产品的胶化时间。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，这种方法测得的胶化时间重复性良好，所以该结果具有参考价值，能够直观反映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
粉末涂料产品需在高温下固化，常规固化温度为 180 - 200℃，由于使基材表面温度达到所需温度需要一定时间，所以粉末涂料不可能瞬间达到所需固化温度，炉温曲线的测定十分必要。铁质基材实际升温曲线如图 2 所示。

由图 2 可知，基材需要 8min 左右才能达到 180℃。因此，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具有重要意义。

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。

通过对模量的测试，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，第一个交点所示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。图中第二个交点为流平结束点，此时对应的温度为 200℃，所需烘烤时间为 560s。

由此可知该产品在 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地进行产品设计。

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，会因升温速率过慢而出现流挂问题，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下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 可知，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（），流平时间短，流平效果很差。
粉末涂料 C 具有较低的黏度（），但低黏度维持的时间较长，所以会产生流挂问题。粉末涂料 B 在具有较低黏度的同时，低黏度状态持续的时间较短，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，其流动性直接影响产品的上粉均匀性和喷涂面积等性能。

粉末涂料由于自身带电性，在整个流化和喷涂过程中，因各种作用力的共同影响，其流动性会因分子间作用力而发生变化 [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，粉末涂料颗粒越难被分开，表现为流动性较差。

所以对粉末涂料产品的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 可知，粉末涂料 A 的内聚力较大，使其流化所需的外部作用力明显偏大，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，这对产品设计及实际应用过程中的参数设定具有积极意义。

3. 结语
采用流变仪对粉末涂料的胶化时间、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具有非常重要的作用，有助于量化许多重要的指标数据，同时能够指导产品配方设计的方向。

在胶化时间测定和粉末涂料流动性测定方面，流变仪能够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。