Avances en la investigación de recubrimientos en polvo y análisis de recubrimientos para perfiles de aluminio arquitectónicos

Ventajas del recubrimiento en polvo en el tratamiento superficial de perfiles de aluminio arquitectónico

Actualmente, el tratamiento superficial de perfiles de aluminio incluye principalmente tres métodos: anodizado, recubrimiento electroforético y recubrimiento en polvo. Un proceso de anodizado completo normalmente requiere cinco pasos: pretratamiento mecánico, pretratamiento químico, anodizado, coloración y sellado. El recubrimiento electroforético es en gran medida lo mismo que el anodizado, con la diferencia de que después del paso de coloración de anodizado, el paso de sellado se reemplaza por un paso de recubrimiento electroforético. Por lo tanto, la superficie de un perfil de aluminio después del recubrimiento electroforético es en realidad una película compuesta de película anodizada y recubrimiento electroforético, también conocida como película compuesta anodizada. El recubrimiento en polvo también requiere un pretratamiento químico, seguido de una pulverización electrostática del recubrimiento en polvo.

Los recubrimientos obtenidos de los tres tratamientos superficiales de los perfiles de aluminio tienen cada uno sus propias características. Al principio, el anodizado era el método principal para el tratamiento superficial de perfiles arquitectónicos de aluminio en mi país. Las películas anodizadas tienen alta resistencia al desgaste, buenas propiedades de aislamiento térmico y resistencia a la corrosión, y sigue siendo uno de los principales métodos para el tratamiento superficial de perfiles de aluminio. El recubrimiento electroforético maduró en Japón, un país marítimo rodeado por el mar. La corrosión de los perfiles de aluminio causada por partículas de sal marina o lodos mezclados con arena marina es un problema importante, lo que dificulta la protección eficaz del anodizado contra una corrosión tan alta. El recubrimiento electroforético ofrece una excelente resistencia a la intemperie y a la corrosión, junto con una apariencia brillante y facilidad de limpieza, lo que lleva a su rápido desarrollo. Los datos de las pruebas de exposición realizadas en Florida, EE. UU., muestran que la retención del brillo de las películas compuestas anodizadas obtenidas mediante recubrimiento electroforético (exposición de 5 años) es comparable a la de los recubrimientos de fluorocarbono, con una diferencia de color aún menor. Sin embargo, el recubrimiento electroforético también adolece de inconvenientes como la susceptibilidad a rayarse. Además, la película anodizada como capa base tiene poca tenacidad y es propensa a agrietarse bajo tensión mecánica o térmica. Los informes indican que las películas anodizadas selladas en frío solo pueden resistir el horneado a 66 ℃, y solo la mitad de las muestras pasaron el horneado a 82 ℃.

A principios de la década de 1990, el recubrimiento en polvo comenzó a aplicarse a gran escala en el tratamiento superficial de perfiles de aluminio en mi país, desarrollándose rápidamente durante la última década. Sin embargo, las ventajas de rendimiento del recubrimiento en polvo aún no son significativas. Si bien la suavidad de su apariencia y la uniformidad del recubrimiento son inferiores a las del anodizado y el recubrimiento electroforético, y su resistencia a la intemperie se encuentra entre el anodizado y el recubrimiento electroforético, su resistencia a la abrasión, resistencia a los ácidos y flexibilidad son significativamente superiores a ambas. Como estructura semipermanente, la durabilidad de los perfiles arquitectónicos de aluminio es primordial; por lo tanto, la resistencia a la acción mecánica y el antienvejecimiento para mantener la integridad y funcionalidad de la película de recubrimiento son particularmente importantes. Las pinturas electroforéticas más utilizadas son recubrimientos acrílicos que poseen una excelente resistencia a la intemperie. El estándar de envejecimiento acelerado de GB 5237-2008 requiere una tasa de retención de brillo de >80% después de 1000 horas de envejecimiento de la lámpara de xenón en el nivel más bajo, y el nivel más alto requiere >80% después de 4000 horas. Los recubrimientos en polvo de uso general para perfiles arquitectónicos de aluminio se componen principalmente de resina de poliéster, cuya resistencia a la intemperie es ligeramente inferior a la del acrílico. El estándar de envejecimiento acelerado más alto de GB 5237-2008 solo requiere una tasa de retención de brillo de >90% después de 1000 horas de envejecimiento de la lámpara de xenón.

Esto indica que la resistencia a la intemperie promedio del recubrimiento electroforético es significativamente mayor que la del recubrimiento en polvo, y la resistencia a la intemperie del recubrimiento en polvo sobre perfiles de aluminio arquitectónicos ha quedado por detrás de las necesidades reales. El recubrimiento en polvo tiene importantes ventajas en la aplicación. Puede lograr miles de colores y una amplia variedad de texturas, lo cual es difícil de lograr con anodizado y recubrimiento electroforético. Además, el recubrimiento en polvo tiene importantes ventajas medioambientales. Los procesos de anodizado y recubrimiento electroforético consumen cantidades considerables de agua y electricidad. En el proceso de oxidación, la corriente de salida del rectificador puede alcanzar 8-11 kA, y el voltaje es 15-17,5 V (el voltaje para el anodizado CC con ácido sulfúrico es generalmente 12-18 V), con un consumo de electricidad que alcanza aproximadamente 1000 kWh por tonelada. Además, los procesos de anodizado, coloración y sellado requieren grandes cantidades de ácidos, álcalis y sales de níquel, lo que genera una importante presión posterior al tratamiento de las aguas residuales y los gases de escape. El proceso de pretratamiento para el recubrimiento en polvo es más sencillo que el del anodizado, e implica principalmente desengrasado y cromado, eliminando la necesidad de procesos de anodizado y electroforético, reduciendo así el consumo de energía. Los recubrimientos en polvo no contienen disolventes y las emisiones de COV son casi nulas, lo que reduce la presión ambiental. En comparación con el anodizado y el recubrimiento electroforético, el recubrimiento en polvo de perfiles de aluminio consume mucha menos electricidad. Sin embargo, la temperatura de curado de los recubrimientos en polvo convencionales alcanza actualmente los 180-200 ℃ y su consumo de energía sigue siendo significativo. Reducir las condiciones de curado de los recubrimientos en polvo es una tendencia de desarrollo a largo plazo.

Progreso de la investigación de recubrimientos en polvo para perfiles de aluminio arquitectónicos

En los últimos años, los requisitos nacionales y sociales para la protección del medio ambiente se han vuelto cada vez más estrictos. La orientación política ha mostrado claramente una tendencia a restringir y reducir el uso de procesos de producción altamente contaminantes y que consumen mucha energía, lo que presenta una oportunidad importante para el desarrollo de recubrimientos en polvo. Sin embargo, para ampliar la aplicación del recubrimiento en polvo en el tratamiento superficial de perfiles arquitectónicos de aluminio, es esencial mejorar la resistencia a la intemperie para compensar las deficiencias de rendimiento manteniendo al mismo tiempo sus propias ventajas de aplicación y, simultáneamente, reducir la temperatura de curado para disminuir el consumo de energía.

2.1 Mejora de la resistencia a la intemperie de los recubrimientos en polvo

Se han realizado considerables investigaciones sobre la resistencia a la intemperie de los recubrimientos en polvo tanto a nivel nacional como internacional. En la síntesis de resinas de poliéster para recubrimientos en polvo, aumentar adecuadamente la proporción de ácido isoftálico y reducir la cantidad de ácido tereftálico, así como utilizar neopentilglicol tanto como sea posible y reducir o eliminar el uso de etilenglicol para asegurar la resistencia a la intemperie, ha ganado una amplia aceptación dentro de la industria. Sin embargo, los métodos convencionales de sustitución del ácido isoftálico adolecen de propiedades mecánicas deterioradas. Actualmente, la mayoría de las resinas de poliéster ultrarresistentes a la intemperie disponibles comercialmente en China utilizan una solución completa de ácido isoftálico. Los recubrimientos en polvo preparados a partir de este tipo de resina de poliéster ultrarresistente a la intemperie normalmente solo logran un retrolavado de 20 cm, y las malas propiedades mecánicas son un problema común al que se enfrentan estas resinas ultrarresistentes a la intemperie.

Entre los diversos tipos de recubrimientos en polvo, los recubrimientos en polvo de fluorocarbono exhiben la mejor resistencia a la intemperie y cumplen con los requisitos de ultrarresistencia a la intemperie. Gong Yongzhong et al. han realizado investigaciones a largo plazo sobre recubrimientos en polvo de fluorocarbono y su materia prima clave, la resina de fluorocarbono. Actualmente, el rendimiento del procesamiento del polvo de fluorocarbono PEVE ha mejorado considerablemente. Los recubrimientos en polvo de fluorocarbono FEVE preparados utilizando los mismos equipos y procesos que los recubrimientos en polvo convencionales han pasado las certificaciones QUALICOAT-2009Ⅲ y AAMA 2605-2005, y la temperatura de curado se ha reducido a 180~200℃. Las propiedades mecánicas y la adherencia no son problemáticas para la aplicación. Sin embargo, la compleja tecnología de procesamiento y el alto precio de la resina de fluorocarbono FEVE limitan su aplicación. Para reducir costos, los fabricantes nacionales de recubrimientos en polvo han introducido resinas de fluorocarbono en los recubrimientos en polvo convencionales, utilizando técnicas de mezcla o separación de capas para producir recubrimientos en polvo con excelente resistencia a la intemperie. Este enfoque mejora las propiedades mecánicas y de humectación de la resina de fluorocarbono al tiempo que reduce los costos. Wei Yufu y cols. introdujo entre un 6% y un 17% de resina de fluorocarbono FEVE en recubrimientos en polvo curados con TGIC, lo que dio como resultado recubrimientos en polvo que aún exhibían una excelente resistencia a la intemperie, con una tasa de retención de brillo superior al 90% después de 1000 horas de envejecimiento de la lámpara de xenón. Zhang Yunwei logró una protección contra la corrosión de alta resistencia y resistencia a la intemperie mezclando en seco recubrimientos en polvo de epoxi y fluorocarbono, utilizando la diferencia de energía superficial entre las dos resinas para lograr capas después de una sola aplicación de recubrimiento. El revestimiento resultante mantuvo una tasa de retención de brillo superior al 90% después de 2000 horas de envejecimiento acelerado de la lámpara de xenón. Gao Qingfu y otros. preparó un recubrimiento en polvo compuesto ultrarresistente a la intemperie mezclando resina de poliéster curada con TGIC y resina de fluorocarbono curada con isocianato. Los estudios demostraron que cuando la proporción de masa de resina de poliéster a resina de fluorocarbono era de 1:1, su tasa de retención de brillo después de 1000 horas de envejecimiento artificial acelerado con QUV-B seguía siendo superior al 60%, logrando un buen equilibrio entre resistencia a la intemperie y costo. En las mismas condiciones experimentales, la tasa de retención de brillo del recubrimiento en polvo de resina de poliéster fue sólo del 19,1%.

Mejorar la resistencia a la intemperie de la matriz de resina de poliéster mediante la introducción de nuevos monómeros resistentes a la intemperie también es un enfoque factible. Chang et al. descubrió que se producía una resina de poliéster sintetizada utilizando monómeros libres de benceno como el ácido 1,2-ciclohexanodicarboxílico o el ácido 1,3-ciclohexanodicarboxílico, el ácido 1,4-ciclohexanodicarboxílico y el 2,2,4,4-tetrametil-1,3-ciclobutanodiol como componentes principales, curada con hidroxialquilamida a aproximadamente 177 ℃/20 min. un revestimiento con excelente resistencia a la intemperie.

El tiempo de envejecimiento de QUV-B con una retención de brillo del 50 % fue de más de 1500 horas; el tiempo de envejecimiento de QUV-B con una retención de brillo del 50 % usando ácido 1,2-ciclohexanodicarboxílico como ácido dicarboxílico alcanzó incluso las 5000 horas, mientras que el tiempo de envejecimiento de QUV-B con una retención de brillo del 50 % de recubrimientos preparados a partir de resinas de poliéster convencionales fue inferior a 300 horas. Yang Xiaoqing et al. También encontraron que las resinas de poliéster preparadas usando monómeros sin anillos de benceno tenían una excelente resistencia a la intemperie. Zheng Ronghui et al. introdujeron monómeros fluorados 1H, 1H, 10H, 10H-perfluoro-1,10-decanodiol, ácido tetrafluoroisoftálico y ácido hexafluoroglutárico en el proceso de síntesis de resina de poliéster, y curaron la resina de poliéster fluorada preparada con β-hidroxialquilamida para obtener un recubrimiento con excelente resistencia a la intemperie. Sin embargo, el precio de estos monómeros resistentes a la intemperie es mucho más alto que el de los monómeros convencionales, y los recubrimientos preparados a partir de los monómeros mencionados anteriormente sin anillos de benceno también tienen el defecto de una Tg baja.

Además de mejorar la resistencia a la intemperie del material formador de película, también se ha informado del uso de cargas y aditivos modificados para mejorar la resistencia a la intemperie de los recubrimientos en polvo. Guo Gang y Shi Qiwu descubrieron de forma independiente que agregar nano-TiO2 de tipo rutilo(R) de superficie modificada como absorbente de rayos UV a los recubrimientos en polvo, en una dosis del 2%, puede mejorar significativamente la resistencia a la intemperie del recubrimiento. La investigación de Tu Qinghua et al. muestra que aparecen fácilmente manchas blancas en la superficie de los recubrimientos en polvo en ambientes de alta temperatura y alta humedad. Estas manchas blancas son causadas por la absorción de agua por parte del recubrimiento. Al utilizar entre un 10% y un 40% de rellenos hidrófobos de BaSO4 y Al2O3 con tratamiento superficial, las manchas blancas básicamente desaparecen, mejorando así la resistencia a la intemperie del revestimiento al aumentar la hidrofobicidad.

2.2 Investigación sobre recubrimientos en polvo de curado a baja temperatura

Actualmente, la industria se refiere a los recubrimientos en polvo con condiciones de curado <160 ℃ como recubrimientos en polvo de curado a baja temperatura. Lograr un curado a baja temperatura requiere que el material formador de película tenga una alta reactividad y una baja viscosidad en estado fundido. Al mismo tiempo, para garantizar las propiedades mecánicas necesarias del recubrimiento y la estabilidad en almacenamiento del polvo, la masa molecular relativa del material formador de película antes del curado no puede ser demasiado baja.

Entre los diferentes tipos de recubrimientos en polvo, aquellos que pueden cumplir con los requisitos de resistencia a la intemperie de los perfiles de aluminio arquitectónicos incluyen los sistemas de curado TGIC, los sistemas de curado con hidroxialquilamida, los sistemas de curado con isocianato bloqueado y los recubrimientos en polvo acrílico. Entre estos, los sistemas de curado con isocianato bloqueado, debido a la alta temperatura de desbloqueo (hasta 160 ℃) de los agentes de curado de caprolactama utilizados comúnmente, son difíciles de cumplir con los requisitos del curado a baja temperatura. Las resinas acrílicas, con su alta actividad y excelente resistencia a la intemperie, se utilizan ampliamente en el curado a baja temperatura. L. Moens preparó un recubrimiento en polvo que se puede curar por debajo de 150 ℃ para lograr un excelente rendimiento de la película. Este recubrimiento en polvo consiste en una resina de poliéster amorfa terminada en carboxilo A, una resina de poliéster bifuncional terminada en carboxilo amorfa o semicristalina B1 y/o un poliácido cristalino B2, un copolímero de acrilato de glicidilo C y otros compuestos D que pueden reaccionar con grupos carboxilo. Las propiedades mecánicas de la película obtenida después del curado a 140 ℃ durante 15 minutos son comparables a las de los recubrimientos en polvo curados a temperatura ambiente, y el tiempo de retención del brillo bajo envejecimiento acelerado QUVA (50 %) es de 2200~2500 h, lo que demuestra una excelente resistencia a la intemperie. Bin Wu describió una resina de poliéster semicristalina y su método de preparación. El recubrimiento en polvo preparado coextruyendo la resina semicristalina con resina amorfa convencional y resina de acrilato de glicidilo se puede curar completamente a 130 ℃/25 min, exhibiendo excelentes propiedades mecánicas y nivelación de superficie. Li Guang et al. preparó un recubrimiento en polvo acrílico de curado a baja temperatura seleccionando resina acrílica con alto equivalente de epoxi, resina acrílica con bajo equivalente de epoxi, ácido dodecanoico y otros aditivos. El curado completo se logró horneando a 150 ℃ durante 20 minutos. Después de 1400 h de envejecimiento acelerado bajo QUV-A, la tasa de retención de brillo superó el 90 % y se aplicó a capas transparentes de ruedas de aluminio. Zhang Jian et al. preparó un recubrimiento en polvo de MDF para exteriores mezclando resina de poliéster y resina acrílica, con la ayuda de un agente de curado a baja temperatura. Este recubrimiento puede lograr un curado rápido a 130 ~ 150 ℃ bajo calentamiento por radiación de pulso infrarrojo de onda media.

Actualmente, el sistema de curado TGIC y el sistema de curado de hidroxialquilamida son los recubrimientos en polvo resistentes a la intemperie más utilizados. En términos de curado a baja temperatura, el sistema de hidroxialquilamida tiene una mayor ventaja. Debido a que la adición de TGIC tiene un impacto significativo en la Tg de los recubrimientos en polvo, las resinas curadas con TGIC requieren una Tg alta, generalmente superior a 60 ℃. TGIC es altamente reactivo y generalmente requiere la adición de aceleradores de curado para garantizar un curado completo a 200 ℃/10 min. Sin embargo, la temperatura de curado más baja que se puede alcanzar con los aceleradores de curado es superior a 160 ℃, lo que dificulta extremadamente el desarrollo de poliésteres curables a baja temperatura para TGIC. Zheng Ronghui et al. preparó una resina de poliéster capaz de curar el sistema TGIC a 140-160 ℃ aumentando los tipos y cantidades de trioles altamente ramificados, aumentando la cantidad de ácido isoftálico en el componente de ácido polibásico e introduciendo anhídrido maleico y ácido adípico, y recubriendo los extremos con dianhídrido piromelítico altamente reactivo. Sin embargo, la Tg de esta resina de poliéster fue de sólo 53-57 ℃. La hidroxialquilamida T-105 comúnmente utilizada tiene cuatro funcionalidades, requiere una pequeña cantidad, tiene un impacto mucho menor en la Tg de los recubrimientos en polvo que el TGIC y es altamente reactiva, por lo general cura completamente a 180 ℃/10 min. Ma Hongying optimizó la formulación, seleccionando la combinación óptima de trimetilolpropano, neopentilglicol y 2-etil,2-butil-1,3-propanodiol. También ajustó las proporciones de ácido tereftálico, ácido isoftálico y ácido adípico en la formulación, y usó anhídrido trimelítico como agente de protección terminal para sintetizar una resina de poliéster con un índice de acidez de aproximadamente 50 mg de KOH/g y una Tg de 57 °C. Esta resina de poliéster, que utiliza hidroxialquilamida como agente de curado, puede lograr un curado completo a 120 °C/40 min, 130 °C/30 min, 140 °C/20 min y 150 °C/15 min. Bajo estas condiciones de curado, los recubrimientos lograron un impacto de 50 cm hacia adelante y hacia atrás, y la tasa de retención de brillo después de 240 h de envejecimiento QUV-B fue superior al 80%. Deng Muqiang et al. preparó una resina de poliéster curada con hidroxialquilamida que podía curar a 130-140 ℃, con una Tg superior a 55 ℃, mediante la introducción de 1,6-hexanodiol alifático, poliol alicíclico 1,4-ciclohexanodietanol y ácido metacrílico. Ma Zhiping et al. logró un equilibrio entre la flexibilidad y la Tg de la resina de poliéster mediante la introducción de ácidos grasos dímeros hidrogenados y redujo la viscosidad de la resina de poliéster añadiendo posteriormente 1,4-ciclohexanodietanol. La resina curada con hidroxialquilamida resultante tenía un índice de acidez de 50-55 mg KOH/g y podía curarse completamente a 140 ℃. Zhang Jian et al. seleccionó una resina de poliéster de alto índice de acidez y ultrarresistente a la intemperie con un índice de acidez de 42-56 mgKOH/g, usó hidroxialquilamida como agente de curado y logró un curado rápido a 150-160 ℃ cuando se recubrió sobre superficies de fibra de vidrio con la ayuda de un acelerador de curado. El revestimiento resultante mostró una excelente resistencia a la intemperie y una buena adherencia.

Resumen

Los tres procesos de recubrimiento para perfiles arquitectónicos de aluminio en mi país tienen cada uno sus propias características de rendimiento. En términos de rendimiento de la aplicación, el recubrimiento en polvo tiene una ventaja significativa en términos de versatilidad y personalización. Sin embargo, la industria de recubrimientos en polvo de mi país aún no ha logrado grandes avances en la mejora de la resistencia a la intemperie y la reducción de la temperatura de curado para disminuir el consumo de energía. Actualmente, los recubrimientos en polvo de fluorocarbono son costosos y sus aplicaciones son limitadas, mientras que las soluciones rentables para mejorar la resistencia a la intemperie tienen otras deficiencias de rendimiento. Hay muy pocos recubrimientos en polvo de curado a baja temperatura disponibles comercialmente, y es necesario abordar muchas dificultades tanto en el suministro de materias primas como en los mercados de aplicaciones posteriores. Con la creciente conciencia pública sobre la protección del medio ambiente en mi país, la orientación política es favorable para ampliar la aplicación de recubrimiento en polvo, pero la industria aún necesita fortalecer la investigación y el desarrollo tecnológico para resolver los diversos problemas que enfrenta.