0引言 卷材涂料起源于20世紀30年代的美國，80年代的中后期，我國的寶鋼、武鋼等引進國外的卷材流水線，拉開了國內彩鋼板生產的序幕。卷材涂料的涂裝是以冷軋鋼板、鍍鋅鋼板、鍍鋁鋅鋼板等為基板，采用高度自動化的輥涂生產方式，鋼板經過脫脂、化學處理、涂底漆、高溫烘烤、涂面漆、高溫烘烤后成膜，并達到一定物理性能和抗性的涂層。彩鋼板產量的70%左右為建筑用途，而家電用途的彩板也占有一定份額，約8%~10%，其余為商業(yè)用途、容器用材、交通與汽車、金屬家具等。彩鋼板的結構示意圖見圖1。 圖1彩鋼板結構示意圖
卷鋼所用的涂料類型及其涂裝條件見表1。
表1卷鋼所用涂料類型及其涂裝條件 由于彩鋼板最終用途不同，所用基板也不一樣，表2歸納了這些鋼板的用途。 表2鋼板種類及其主要用途
作為卷鋼涂料用鋼板在涂裝前必須對鋼板進行表面處理。目前，前處理方法主要有磷酸鋅處理和鉻酸鹽處理，應根據鋼板的情況來選擇處理方法。電鍍鋅和熱鍍鋅鋼板可選用磷酸鋅處理，其主要工序是：脫脂→表面調整→化學處理→鈍化處理，處理后在鋼板的表面形成一層磷酸鋅結晶體。鉻酸鹽處理可分為反應型、電解型和涂布型等多種類型，實際生產線上涂布型鉻酸鹽處理法使用得較多，雖然說鉻酸鹽處理沒有廢渣、廢液產生，有利于環(huán)境，但由于鉻酸鹽是有毒致癌物，故開發(fā)無鉻化表面處理劑是發(fā)展方向。 由于彩鋼板的用途不同，故其對所用涂料的要求不一樣，例如建筑涂料彩板分為內用、外用和其它用途三大類，其中60%~70%為外用板，主要用于屋頂蓋板（占總量的30%以上）和外墻壁板（占總量近30%），建筑外用彩板長期經受風吹、日曬、雨淋，經歷多年的寒暑變化，所要求的主要性能有耐沖擊性、耐風壓性、防火性、防漏水性、隔熱性、隔音性、耐候性、耐污染性、加工修補性等，此外還需要有美觀的色調、新穎的式樣、豐富的質感、并與建筑物整體及其周邊環(huán)境相協(xié)調。 家電用彩板所用的鋼板國外己越來越多采用鍍鋅板，逐漸由鋅花或無鋅花的熱鍍鋅板來取代原來用的冷軋板或電鍍鋅板，而家電用彩板對涂料表面質量的要求更高，需要涂料具有耐污染性、耐腐蝕性、耐候性、可加工性和適當硬度。 家電用彩板因用途不同對涂料要求也十分不一，各有側重，如電冰箱彩板要求對食品無毒性，耐低溫，耐污染性等；洗衣機彩板要求耐強洗滌劑，耐腐蝕性；自動面包機彩板要求耐熱性等，而大部分電冰箱、洗衣機等家電產品均為白色或近白色，故對色差要求十分嚴格。 1卷材市場概況 筆者所在單位是歐洲卷材涂料協(xié)會（ECCA）非歐盟會員，根據2006年上半年統(tǒng)計，卷材涂料涂裝彩鋼板的ECCA歐盟會員彩鋼板產量為961.59724萬t，其面積為60194.7萬m2。ECCA統(tǒng)計的2006年上半年卷材涂料產量分布及彩鋼板的用途分布分別見圖2和表3。 圖22006年上半年卷材涂料產量分布
表32006年上半年卷材涂料彩鋼板用途分布
由表3可見：建筑用彩板仍占有絕對使用量，其次為汽車和家電。 隨著全球經濟的復蘇，彩鋼板的產量也獲得了較快的增長，表4為ECCA統(tǒng)計的2006年、2005年上半年涂料消耗量。表5為ECCA統(tǒng)計的2005年第二季度各涂料體系的消耗量與比例。 表42006年、2005年上半年涂料消耗量
表52005年二季度各涂料體系的消耗量與比例
由表4可見：2006年ECCA會員單位卷材涂料消耗量較2005年消耗量增長了近18%，顯示了彩鋼板在歐洲仍是非常有前途的行業(yè)。 20世紀80年代中后期，上海寶鋼和武漢鋼鐵廠才開始從美國、英國引進卷材的生產技術和裝備。首條卷涂流水線于90年代初正式運行，并取得了迅猛的發(fā)展。表6為中國1987年至2005年的卷鋼流水線數量和產量。 表6中國卷鋼流水線數量和產量
中國還處在彩色涂層板應用領域不斷擴大的過程中，總體上，市場的需求依然旺盛。建筑用彩色涂層板在國際彩色涂層板市場上占比重為60%~70%，我國占90%以上，可以看出應用領域雖在擴展，但建筑仍是主要用戶。產能總量已高于預期消費需求，高檔的彩鋼板越來越被中國建材市場親睞，家電用彩鋼板的需求量在逐年增加，并且賦予了新的功能，如抗菌表面。家電用板市場很大，電冰箱、空調、洗衣機、冷柜等占用很大的市場，國內彩鋼板要占領這一市場還需下一番工夫，但市場是巨大的。 在過去的十多年中，中國的彩鋼板產業(yè)從無到有，發(fā)展到現在的270萬t的消耗，取得了驕人的業(yè)績。近年來，中國上馬許多卷材機組，至2005年，總生產能力估計達到1750萬t，實際開工率嚴重不足，彩鋼板行業(yè)面臨著低端市場過度競爭，而高端市場又需大量進口的尷尬局面。 2卷材涂料技術及其發(fā)展 2.1卷材涂料的基本知識 卷材涂料配方通常都含有若干組分，一般采用的原材料為： （1）顏料：著色顏料、防銹顏料、體質顏料； （2）樹脂：聚酯樹脂、高相對分子質量聚酯樹脂、硅改性聚酯樹脂、丙烯酸樹脂、環(huán)氧樹脂、溶劑型聚偏二氟乙烯樹脂、PVC樹脂等； （3）溶劑：芳烴類、酯類、醚類、酮類等； （4）助劑：消泡劑、分散劑、潤濕劑、表面活性劑等； （5）其它：催化劑、有機或無機充填劑、功能助劑（導電助劑、磁性助劑、抗菌劑等）。 樹脂用作涂料配方中的基料。此外，大多數涂料都需要溶劑，也可含各種助劑。再則，許多涂料還含交聯(lián)劑，它在涂料施涂于底材后，在固化階段與樹脂發(fā)生化學反應，生成網狀交聯(lián)結構的漆膜。這種網狀結構往往對產生良好的漆膜性能來說十分必要。卷材涂料在高速涂布后，在高溫條件下快速進行固化（10~25s），溶劑必須在固化階段蒸發(fā)，形成涂膜。對涂膜而言有許多性能是重要的，包括硬度、柔韌性、耐候性、耐化學品性、耐溶劑性、耐腐蝕性、對種種底材的附著性和抗沖擊性等等。這些性能取決于許多因素，包括樹脂的類型、相對分子質量、單體組成和玻璃化溫度（Tg）；交聯(lián)劑類型與用量；固化條件；固化催化劑；以及助劑。改變這些參數可使漆膜性能發(fā)生很大變化，從而滿足許多不同應用的要求。然而，這常常并不能使所有的性能同時達到最佳。 對于卷涂施工，可采用空氣溫度在600~700℉、時間約10~30s高溫烘烤。一般說來，當其最高金屬板溫（PMT）至少達到400℉，可使卷涂施工達到足夠的烘烤。通常，底材和涂料應在足夠高的溫度下烘烤足夠的時間，才能使全部溶劑從漆膜中充分揮發(fā)并使聚合物與交鏈劑之間化學反應進行到所希望的完全化程度。 按涂層不同，可將涂料分為底漆、面漆和背面漆三大類： （1）底漆：根據成膜樹脂不同，底漆分為聚酯底漆、聚氨酯底漆、環(huán)氧底漆等，根據用戶的不同需要可選擇不同的底漆。常用的是環(huán)氧底漆和聚氨酯底漆，配以鋅鉻黃、鍶鉻黃等防銹顏料加工制造__而成。 （2）面漆：一般采用聚酯樹脂、高相對分子質量聚酯樹脂、硅改性聚酯樹脂、丙烯酸樹脂、聚偏二氟乙烯樹脂、PVC樹脂等，熱固化交聯(lián)固化體系使用甲醚化氨基樹脂（如氰特公司的303樹脂、首諾公司的747樹脂等）或封閉型異氰酸酯樹脂（BAYER公司的3175樹脂等），并選用耐高溫和耐候性好的顏料。 （3）背面漆：目前，在國內可分為2/1、2/2、2/1M體系。2/1體系背面可涂一層底漆或只涂一層背面漆，主要用于夾心板，要求涂層有良好的粘結發(fā)泡性能。2/2體系采用底漆加背面漆兩涂體系，一般不要求發(fā)泡性能，作為單板使用。2/1M體系一般涂3μm的底漆和6μm的背面漆，可代替2/1或2/2體系，要求背面能發(fā)泡。 成膜物質是影響涂層性能最直接的因素，表7所示為卷鋼面漆樹脂品種的特性。 表7卷鋼涂料樹脂品種
2.2卷材涂料技術的進展 隨著彩板應用數量和范圍迅速擴大，卷材涂料已進入快速發(fā)展期。2006年6月初結束的第4屆國際彩板及涂料涂裝技術研討會和2006國際彩板及涂料涂裝市場論壇傳出這樣一個消息：今后彩板及其涂料的走勢將趨向高性能、環(huán)保和經濟性。根據國外BASF、AKZO-NOBEL、BECKER等世界一流卷材涂料技術發(fā)展方向和國內彩鋼板用戶的需求，延長戶外使用壽命、產品的功能化、環(huán)保節(jié)能將是彩鋼板今后一段時間的努力方向。 在研究有機涂層的戶外老化影響因素中，太陽光紫外線被認為是引發(fā)降解的最主要因素。一般認為有機涂層的光降解機理是自由基反應機理。光分解和光氧化作用導致有機涂層分子鏈降解。有機涂層結構發(fā)生變化后引起其性能變化，即有機涂層在紫外線作用下發(fā)生了老化，其老化速度和程度與聚合物和分子的結構有很大的關系。 （1）PVDF氟碳涂料。 表8為各種聚合物中共價鍵的鍵能比較，其中碳-氟鍵鍵能是有機共價鍵中最高的。PVDF含氟樹脂用作高耐候涂料始于20世紀60年代，經過近三十多年實際使用，被證明耐候性十分優(yōu)異，是目前卷材涂層中耐候性最好的。 表8各種聚合物中共價鍵的鍵能
太陽光中的紫外線波長為220~400nm，220nm波長的光能量為130kcal/mol，在陽光中小于220nm的光線極少，陽光對氟聚合物影響非常小，顯示了氟聚合物的高耐候性。而氟聚合物還具有極高的化學穩(wěn)定性，氟原子具有最高的電負性和較小的原子半徑，決定了氟聚合物極高的化學穩(wěn)定性。 1965年，美國Pennwalt公司和ElfAltochem公司研究成功半結晶聚偏二氟乙烯（PVDF）涂料，商品名為Kynar500。該涂料不能常溫固化，燒結溫度為 PVDF樹脂具有極佳的耐紫外線性能，但其本身不能阻隔紫外線，需借助涂料中的顏料達到阻擋紫外線的作用，使底漆不受紫外線的侵蝕，因此所使用的顏料必須具有優(yōu)異的耐候性和耐化學品性，能夠經受20~30年的戶外曝曬。絕大多數有機顏料在陽光和大氣的作用下會發(fā)生降解或結構破壞而退色，而無機高溫煅燒金屬氧化物顏料的化學性質相對比較穩(wěn)定，適合長期保護。目前國內沒有成熟的涂料和涂料評價技術標準，一般采用美國AAMA2605或ASCA96標準來評價涂層的優(yōu)劣。近年來，國內開始盛行以三氟氯乙烯和乙烯酯單體共聚的含氟樹脂，大量應用于建筑外墻和金屬板，由于使用易水解的乙烯酯單體和氟含量較PVDF低，因此，其耐候性與PVDF比較，有一定的差距。 （2）HDP高耐候聚酯（HighDurablePolyester）卷材涂料。 目前建筑用彩板主要采用普通的聚酯涂料，使用8~10年后，其涂層一般會失光，失去保護和裝飾性，甚至產生銹蝕等現象。PVDF氟碳涂料盡管可以保證室外25年以上的耐候性，但價格十分昂貴。在建筑用彩板方面，英國HYDRO公司（現被BASF收購）、瑞典的BECKER公司等開發(fā)出可達到PVDF涂層60%~80%耐候性的HDP聚酯涂料，且優(yōu)于普通的硅改性聚酯涂料，其戶外耐候性達到15年。目前，上海涂料有限公司振華造漆廠也開發(fā)出了高耐候的聚酯樹脂。 歐洲專利EP525871介紹了一種適用于戶外耐久涂料體系的聚酯，特別適用于卷材涂料，是以1，4-環(huán)己烷二甲酸、六氫鄰苯二甲酸（酐）、EsterDiol204和新戊二醇制得的一種聚酯。將其與三聚氰胺匹配，用于卷材涂料體系，形成柔韌耐候的涂膜。歐洲專利EP1172425介紹了一種適用于戶外耐久涂料體系的聚酯，也適用于卷材涂料，它是由2.1molEsterdiol204、0.2molNPG、4.5molCHDM、5.3molHHPA制得的一種聚酯。將其與三聚氰胺和異氰酸酯匹配，用于卷材涂料體系，形成柔韌耐候的涂膜。 USPatentApplication20040058187中介紹了一種HDP卷材涂料和用HDP卷材涂料制得的彩涂鋼板，樹脂采用ConstructionChemicals的KP1578，并和普通聚酯卷材涂料、有機硅改性聚酯卷材涂料、PVDF涂料進行了比較。 高耐候聚酯樹脂在合成時采用含環(huán)己烷結構的單體，來達到樹脂的柔韌性、耐候性和成本的平衡，采用不含芳香族的多元醇和多元酸來減少樹脂對UV光線的吸收，達到涂料的高耐候性能。涂料配方中加入紫外線吸收劑和位阻胺（HALS）來提高漆膜耐候性能。高耐候聚酯卷材涂料在國外已被市場認可，國內寶鋼正不遺余力地進行推廣和應用，該涂料性價比十分突出。 （3）有機硅改性聚酯卷材涂料。 傳統(tǒng)的有機硅改性聚酯卷材涂料是用有機硅樹脂和聚酯樹脂冷拼進行改性，可保證10年的室外耐候性。有效的辦法是用有機硅單體直接對聚酯樹脂進行改性，進一步提高有機硅改性聚酯樹脂的耐候性，使涂層達到室外20年的耐候性，并成為開發(fā)的熱點。 在對聚酯樹脂進行改性時，通常采用甲氧基的有機硅中間體，當有機硅含量達到樹脂的30%，并采用高溫煅燒的金屬氧化物顏料時，涂料可達到25年的耐候性要求，僅次于氟樹脂涂料。 |
