一种低温固化环保粉末涂层铝型材制备方法与流程

本发明涉及热固性粉末涂料及铝型材表面粉末涂装，尤其涉及一种低温固化环保粉末涂层铝型材制备方法。

背景技术：

1、粉末涂料是以固体粉末形式进行施涂并经加热形成涂层的一类涂料，通常由成膜树脂、固化剂、流平剂、颜填料及其他功能组分组成。在环保材料领域，热固性粉末涂料可通过静电喷涂附着于铝型材等金属工件表面，并在加热条件下依次经历熔融、流平及交联固化过程。

2、端羧基聚酯树脂与β-羟烷基酰胺固化剂组成的热固性粉末涂料，是铝型材表面涂装中常用的一类粉末涂料。在固化过程中，端羧基聚酯树脂中的羧基与β-羟烷基酰胺固化剂中的羟基发生交联反应，从而形成固化涂层。为降低该类粉末涂料的固化温度，现有技术通常通过调整端羧基聚酯树脂的单体组成、酸值、软化点及反应活性，或者加入固化催化剂，提高端羧基聚酯树脂与β-羟烷基酰胺固化剂在较低温度下的反应速率。

3、例如，中国发明专利申请cn108409948a公开了一种haa体系用低温固化聚酯树脂及其制备方法和应用。该聚酯树脂具有30～35mgkoh/g的酸值和95～110℃的软化点，可用于制备haa体系聚酯粉末涂料，并按照预设的固化温度和固化时间完成涂层固化。该现有技术主要通过调整聚酯树脂的组成和反应活性降低粉末涂料的固化温度。

4、但是，在采用催化剂提高低温交联反应速率时，催化剂通常均匀分布于粉末涂料中，并在粉末涂层升温至相应反应温度后集中参与交联反应，难以根据涂层升温过程对交联反应的不同阶段分别进行控制。对于具有凹槽、空腔、加强筋及不同壁厚区域的铝型材，不同区域的热容量、受热条件和散热条件存在差异。在相同加热条件下，最大壁厚区域达到设定工件温度所需的时间可能长于最小壁厚区域，导致不同区域的交联反应启动时间及反应进程不一致。

5、现有低温固化工艺通常根据固化炉温度、铝型材表面温度和预设加热时间判断固化过程是否完成。然而，固化炉温度、工件温度和加热时间主要反映铝型材及粉末涂层的热状态，不能直接表征端羧基聚酯树脂与β-羟烷基酰胺固化剂之间交联反应的实际进行程度。当铝型材的截面结构、涂装质量、进炉装载量或热风条件发生变化时，相同的设定温度和设定时间可能对应不同的实际交联程度，容易出现部分区域交联反应尚未完成或者部分区域持续受热时间过长的情况。

6、因此，现有技术需要解决的主要技术问题是：如何在端羧基聚酯树脂与β-羟烷基酰胺固化剂组成的环保材料型热固性粉末涂料低温固化过程中，针对铝型材不同壁厚区域的升温差异控制涂层的分阶段交联反应，并准确表征交联反应的进行程度及确定固化终点。

技术实现思路

1、为了克服上述技术缺陷，本发明的目的在于提供一种低温固化环保粉末涂层铝型材制备方法。本发明通过设置具有不同熔融温区的两组潜伏催化微胶囊实施分阶段催化固化，利用红外标定脉冲对铝型材不同壁厚区域进行热响应标定和分区加热控制，并根据单位涂装质量理论水分生成量、单位涂装质量累计水分释放量及不同壁厚区域的工件温度联合确定固化终点。

2、本发明公开了一种低温固化环保粉末涂层铝型材制备方法，包括以下步骤：

3、制备成膜母粉和活化子粉，成膜母粉包括端羧基聚酯树脂、β-羟烷基酰胺固化剂、流平剂和颜填料，活化子粉包括端羧基聚酯低聚物以及均含咪唑啉催化剂芯材和热熔壳层的第一潜伏催化微胶囊、第二潜伏催化微胶囊，第一潜伏催化微胶囊的热熔壳层具有第一熔融温区，第二潜伏催化微胶囊的热熔壳层具有高于第一熔融温区的第二熔融温区；

4、在低于端羧基聚酯树脂玻璃化转变温度的条件下，将活化子粉粘结于成膜母粉表面，得到作为粉末涂料的环保材料型热固性粉末涂料；

5、将粉末涂料静电喷涂于铝型材表面，形成未固化涂层；

6、施加使未固化涂层温度低于第一熔融温区起始温度的红外标定脉冲，获取铝型材最大壁厚区域和最小壁厚区域的升温响应，并设定红外辐射分区输出功率；

7、依次进行第一阶段红外加热和第二阶段热风加热，使未固化涂层温度分别进入第一熔融温区和第二熔融温区，依次释放第一潜伏催化微胶囊和第二潜伏催化微胶囊中的咪唑啉催化剂芯材，并将铝型材工件温度保持在125～135℃；

8、获取粉末涂料的涂装质量、进排风端水蒸气质量浓度和热风体积流量，确定单位涂装质量累计水分释放量，根据反应当量和涂装质量确定单位涂装质量理论水分生成量，并结合最大壁厚区域和最小壁厚区域的工件温度确定固化终点，冷却得到粉末涂层铝型材。

9、优选地，端羧基聚酯低聚物在成膜母粉表面形成活化粘结层，活化粘结层沿垂直于成膜母粉表面的方向依次包括内侧粘结层和外侧粘结层；第二潜伏催化微胶囊嵌设于内侧粘结层中，第一潜伏催化微胶囊嵌设于外侧粘结层中，内侧粘结层与外侧粘结层通过端羧基聚酯低聚物连续连接。

10、优选地，将端羧基聚酯低聚物分为第一低聚物份和第二低聚物份；将第二潜伏催化微胶囊、第一低聚物份和成膜母粉加热至比端羧基聚酯树脂的玻璃化转变温度低6～10℃，进行第一剪切混合，在成膜母粉表面形成内侧粘结层；加入第一潜伏催化微胶囊和第二低聚物份，加热至比端羧基聚酯树脂的玻璃化转变温度低2～5℃，进行第二剪切混合，在内侧粘结层表面形成外侧粘结层。

11、优选地，采用差示扫描量热法确定第一熔融温区和第二熔融温区，第一熔融温区为98～106℃，第二熔融温区为112～120℃，第二熔融温区的起始温度与第一熔融温区的终止温度之差为6～12℃；第一潜伏催化微胶囊中的咪唑啉催化剂芯材占两个潜伏催化微胶囊中咪唑啉催化剂芯材总质量的25%～40%，第二潜伏催化微胶囊中的咪唑啉催化剂芯材占总质量的60%～75%。

12、优选地，理论水分生成量按照如下方式确定：

13、将未固化涂层中端羧基聚酯树脂的质量与端羧基聚酯树脂的酸值相乘，得到第一酸值当量；

14、将未固化涂层中端羧基聚酯低聚物的质量与端羧基聚酯低聚物的酸值相乘，得到第二酸值当量；

15、将第一酸值当量与第二酸值当量相加，得到总酸值当量；

16、将未固化涂层中β-羟烷基酰胺固化剂的质量与β-羟烷基酰胺固化剂的羟值相乘，得到羟值当量；

17、取总酸值当量与羟值当量中的较小值作为反应限制当量；

18、将反应限制当量与水的摩尔质量18g/mol相乘，并除以氢氧化钾摩尔质量以mg/mol表示后的换算数值56100，得到理论水分生成量。

19、优选地，在红外标定脉冲的末段获取排风端与进风端之间的水蒸气质量浓度差，并将水蒸气质量浓度差在20～40s内的平均值确定为基线差值；将第二阶段热风加热的开始时刻确定为积分起点，并按照下式确定时刻对应的单位涂装质量累计水分释放量：

20、将第二阶段热风加热的开始时刻确定为积分起点，将目标时刻确定为积分终点；在积分起点至积分终点之间，按照采样时刻依次获取热风体积流量、排风端水蒸气质量浓度和进风端水蒸气质量浓度；

21、在每一采样时刻，将排风端水蒸气质量浓度减去进风端水蒸气质量浓度和基线差值，得到校正水蒸气质量浓度差；将对应采样时刻的热风体积流量与校正水蒸气质量浓度差相乘，得到对应采样时刻的水分释放量增量；对积分起点至积分终点之间的水分释放量增量进行时间累计，并除以涂装质量，得到目标时刻对应的单位涂装质量累计水分释放量。

22、优选地，将理论水分生成量与涂装质量之比确定为单位涂装质量理论水分生成量，并按照下式确定单位涂装质量水分释放速率：

23、根据相邻采样时刻的单位涂装质量累计水分释放量变化量与采样时间间隔，确定对应时刻的单位涂装质量水分释放速率；

24、将第二阶段热风加热过程中单位涂装质量水分释放速率的最大值确定为单位涂装质量水分释放速率最大值；

25、当单位涂装质量累计水分释放量与单位涂装质量理论水分生成量之比为0.88～1.02，单位涂装质量水分释放速率满足不大于单位涂装质量水分释放速率最大值的8%并持续60～120s，且最大壁厚区域和最小壁厚区域的工件温度均为125～135℃、二者温差不大于4℃时，确定达到固化终点。

26、优选地，红外标定脉冲的持续时间为20～60s，红外标定脉冲结束时的未固化涂层温度比第一熔融温区的起始温度低8～15℃；分别记录各红外辐射分区在红外标定脉冲开始时的初始温度、红外标定脉冲结束时的脉冲终止温度以及停止红外标定脉冲后的衰减终止温度；

27、对于第j个红外辐射分区，将脉冲终止温度与初始温度之差除以红外标定脉冲的持续时间，得到升温响应系数；将脉冲终止温度与衰减终止温度之差除以从停止红外标定脉冲至获取衰减终止温度的时间间隔，得到热衰减系数，时间间隔为30s。

28、优选地，将与最小壁厚区域对应的红外辐射分区确定为基准辐射分区；在各红外辐射分区的升温响应系数和热衰减系数均大于0的条件下；

29、按照如下方式确定第j个红外辐射分区的初始输出功率：

30、将第j个红外辐射分区的热衰减系数与基准辐射分区的升温响应系数相乘，得到第一修正量；

31、将第j个红外辐射分区的升温响应系数与基准辐射分区的热衰减系数相乘，得到第二修正量；

32、将第一修正量与第二修正量的比值作为功率修正比例；

33、将基准辐射分区的初始输出功率与功率修正比例相乘，得到第j个红外辐射分区的初始输出功率。

34、优选地，预设第一阶段加热时长，根据第一熔融温区的起始温度、第一熔融温区的终止温度和第一阶段加热时长生成各红外辐射分区的目标升温轨迹；在第一阶段红外加热过程中，按照5～15s的采样周期获取各红外辐射分区对应的未固化涂层温度，并根据未固化涂层温度与对应的目标升温轨迹之间的温度偏差修正对应红外辐射分区的输出功率；当各红外辐射分区对应的未固化涂层温度均进入第一熔融温区、最高未固化涂层温度与最低未固化涂层温度之差不大于3℃，且第二熔融温区的起始温度与最高未固化涂层温度之差不小于4℃时，转入第二阶段热风加热。

35、优选地，根据单位涂装质量水分释放速率形成水分释放速率曲线；将在第一阶段红外加热期间、自未固化涂层温度进入第一熔融温区起出现的第一个局部最大值确定为第一水分释放峰，将在第二阶段热风加热期间、自未固化涂层温度进入第二熔融温区起出现的第一个局部最大值确定为第二水分释放峰；分别对第一水分释放峰和第二水分释放峰前后最近的两个局部最小值之间的单位涂装质量水分释放速率进行时间积分，得到第一水分释放峰面积和第二水分释放峰面积。

36、优选地，当第一水分释放峰形成时最大壁厚区域的未固化涂层温度小于第一熔融温区的起始温度时，将已进入第一熔融温区的红外辐射分区的输出功率降低10%～20%，并保持其余红外辐射分区的输出功率；

37、当各红外辐射分区对应的未固化涂层温度进入第二熔融温区后的60～180s内，单位涂装质量水分释放速率的最大局部峰值小于第一水分释放峰峰值的20%时，将热风体积流量保持在进入第二熔融温区时的设定值，将热风温度提高2～5℃，并将铝型材的工件温度保持在125～135℃。

38、优选地，将第一水分释放峰面积除以第一水分释放峰面积与第二水分释放峰面积之和，得到水分释放峰面积比；

39、当连续两个制备批次的水分释放峰面积比均大于0.40时，在下一制备批次中，将占两个潜伏催化微胶囊中咪唑啉催化剂芯材总质量1%～3%的咪唑啉催化剂芯材由第一潜伏催化微胶囊转移至第二潜伏催化微胶囊；当连续两个制备批次的水分释放峰面积比均小于0.25时，在下一制备批次中，将占总质量1%～3%的咪唑啉催化剂芯材由第二潜伏催化微胶囊转移至第一潜伏催化微胶囊，并使调整前后两个潜伏催化微胶囊中的咪唑啉催化剂芯材总质量保持一致。

40、优选地，收集静电喷涂过程中未沉积于铝型材表面的回收粉，制备包括第一潜伏催化微胶囊和端羧基聚酯低聚物的第一补加组分以及包括第二潜伏催化微胶囊和端羧基聚酯低聚物的第二补加组分；分别对回收粉、未使用的环保材料型热固性粉末涂料、第一补加组分和第二补加组分进行差示扫描量热检测，得到回收粉在第一熔融温区和第二熔融温区内的单位质量吸热峰面积、未使用的环保材料型热固性粉末涂料在第一熔融温区和第二熔融温区内的单位质量吸热峰面积、第一补加组分在第一熔融温区和第二熔融温区内的单位质量吸热峰面积以及第二补加组分在第一熔融温区和第二熔融温区内的单位质量吸热峰面积；

41、确定第一补加组分的补加质量和第二补加组分的补加质量时，同时满足第一补加关系和第二补加关系；

42、第一补加关系为：回收粉质量与回收粉在第一熔融温区内的单位质量吸热峰面积的乘积、第一补加组分的补加质量与第一补加组分在第一熔融温区内的单位质量吸热峰面积的乘积、第二补加组分的补加质量与第二补加组分在第一熔融温区内的单位质量吸热峰面积的乘积三者之和，与补加后总质量和未使用的环保材料型热固性粉末涂料在第一熔融温区内的单位质量吸热峰面积的乘积相等；

43、第二补加关系为：回收粉质量与回收粉在第二熔融温区内的单位质量吸热峰面积的乘积、第一补加组分的补加质量与第一补加组分在第二熔融温区内的单位质量吸热峰面积的乘积、第二补加组分的补加质量与第二补加组分在第二熔融温区内的单位质量吸热峰面积的乘积三者之和，与补加后总质量和未使用的环保材料型热固性粉末涂料在第二熔融温区内的单位质量吸热峰面积的乘积相等；

44、其中，补加后总质量为回收粉质量、第一补加组分的补加质量和第二补加组分的补加质量之和；取同时满足第一补加关系和第二补加关系，且第一补加组分的补加质量和第二补加组分的补加质量均不小于0的解，作为第一补加组分和第二补加组分的补加质量。

45、优选地，将第二补加组分与回收粉加热至比端羧基聚酯树脂的玻璃化转变温度低6～10℃并进行剪切混合，使第二补加组分粘结于回收粉表面；加入第一补加组分，加热至比端羧基聚酯树脂的玻璃化转变温度低2～5℃并进行剪切混合，使第一补加组分粘结于第二补加组分外侧，得到再生粉末涂料；

46、对再生粉末涂料进行差示扫描量热检测，并以与未使用的环保材料型热固性粉末涂料相同的涂装质量、热风体积流量、第一阶段红外加热程序和第二阶段热风加热程序进行定量喷涂固化检测；当再生粉末涂料在第一熔融温区和第二熔融温区内的单位质量吸热峰面积分别为未使用的环保材料型热固性粉末涂料对应单位质量吸热峰面积的90%～110%，且再生粉末涂料对应的水分释放峰面积比为0.25～0.40时，将再生粉末涂料用于铝型材的静电喷涂。

47、采用了上述技术方案后，与现有技术相比，具有以下有益效果：

48、一、本发明通过将第一潜伏催化微胶囊和第二潜伏催化微胶囊设置为不同熔融温区，并使其分别在第一阶段红外加热和第二阶段热风加热过程中释放咪唑啉催化剂芯材，能够使端羧基聚酯树脂与β-羟烷基酰胺固化剂之间的交联反应按照不同温度阶段分步进行，避免催化剂在低温固化初期集中释放导致反应进程难以控制，从而提高低温固化过程的可控性。

49、二、本发明通过在未固化涂层温度低于第一熔融温区起始温度的条件下施加红外标定脉冲，获取铝型材最大壁厚区域和最小壁厚区域的升温响应，并据此设定红外辐射分区的输出功率，能够针对复杂截面铝型材不同壁厚区域的热容量和受热差异进行分区补偿，使不同壁厚区域在后续固化过程中保持较接近的温度状态，降低局部欠固化或局部过固化的风险。

50、三、本发明通过根据反应当量确定单位涂装质量理论水分生成量，并根据进风端和排风端的水蒸气质量浓度及热风体积流量确定单位涂装质量累计水分释放量，再结合最大壁厚区域和最小壁厚区域的工件温度确定固化终点，能够将固化终点判断由单纯依赖炉温和时间转变为基于交联反应产物释放量和工件实际温度的联合判断，提高固化终点判定的准确性。

51、四、本发明通过计算第一水分释放峰面积和第二水分释放峰面积，并根据水分释放峰面积比对下一制备批次中第一潜伏催化微胶囊和第二潜伏催化微胶囊的芯材分配比例进行调整，能够使粉末涂料的催化释放比例与实际固化反应过程相匹配，提高不同制备批次之间低温固化性能的一致性。

52、五、本发明通过对回收粉、未使用的环保材料型热固性粉末涂料、第一补加组分和第二补加组分进行差示扫描量热检测，并利用联立方程确定第一补加组分和第二补加组分的补加质量，能够对静电喷涂回收粉中的两类热触发组分进行定量补偿，使再生粉末涂料仍保持与未使用粉末相接近的热触发特性和固化反应分布，从而提高回收粉末的再生利用稳定性。