1 前言
（中国粉体技术网/班建伟）填料也称体质颜料。这种颜料的着色力和遮盖力较小，是白色和无色的超细粉粒。它与着色颜料一起分散在粉末涂料中，用以提高粉末涂料的机械 强度等。且应满足下列条件。
(1)不溶于水和有机溶剂，有很好的分散性，无色或白色，不含杂质的超细粉粒；
(2)耐酸、耐碱、耐候性好；
(3)成本低。
在粉末涂料中常用的填料品种有沉淀硫酸钡、重晶石粉、轻质碳酸钙、重质碳酸钙、高岭土、滑石粉、膨润土、沉淀二氧化硅、云母粉、石英粉和硅微粉等。
每种填料在粉末涂料配方中所起的作用不尽相同，本文探讨了沉淀硫酸钡、云母粉、空心玻璃微珠和纳米氧化硅这四种填料对粉末涂料产品性能的影响。
2 四种填料本身的性能
2.1沉淀硫酸钡
沉淀硫酸钡化学成份为BaSO4，晶体属正交晶系的硫酸盐矿物。常呈厚板状或柱状晶体，多为致密块状或板状、粒状集合体。质纯时无色透明，条痕白色，玻璃光泽，透明至半透明。三组解理完全，夹角等于或近于90°。摩氏硬度为3～3.5，比重为4.0～4.6。
在粉末涂料方面，沉淀硫酸钡能增强粉末涂料的流平性和保光性，并且与所有的色料有较好的兼容性。可使粉末涂料在喷涂工艺中达到理想的涂膜厚度，且上粉率高。
2. 2云母粉
绢云母属云母类矿物，是一种片状细粒白云母。结构呈二八面体，即由两层硅氧四面体和一层铝氧八面体构成，四面体的活性氧与附加阴离子位于两层六面网中央，构成活性结晶水基团。解理完全，可劈成极薄的片状，径厚比大。绢云母晶体化学成份为K:0.5—1(Al，Fe，Mg)2(SiA1)4O10(OH)2nH2O，具有丝绢光泽，径厚比>80，呈白色或浅灰白色，比重为2.6～2．7，硬度为2～3，富有弹性，可弯曲。耐高温，耐化学品腐蚀性强，对紫外线具有极佳的屏蔽作用。它的细磷片状结晶体结构可提高涂层的致密性，防止水分渗入。
绢云母的化学结构与高岭土相近，兼具了云母类矿物和粘土矿物的多种特点。其应用于涂料中，可大幅提高涂膜的耐候性，抗透水性，增强涂膜的附着力和强度，改善涂膜的表观。同时染料粒子易进入绢云母粉的晶格层间，从而保持颜色长久不褪色。此外绢云母粉还具有抗藻防霉的功能，国外常用于船舶和海洋涂料。因此，绢云母粉对涂料而言是一种价格性能比优异的多功能填料。
2.3 空心玻璃微珠
空心玻璃微珠是一种微小、中空的圆球状粉末，密度在0.1g／cm3～0.5g／cm3之间，粒径可根据需要在1～500微米之间选择。具有重量轻、体积大、导热系数低、抗压强度高、绝缘、自润滑、隔音、不吸水、耐火、耐腐蚀、防辐射、无毒，以及分散性、流动性、稳定性好等优点。空心玻璃微珠可直接填充于绝大部分类型的热固性、热塑性树脂产品中。在粉末涂料中应用时，空心玻璃微珠可以起到以下作用。 (1)隔热、绝缘、吸水率低。空心玻璃微珠的内部是真空或稀薄气体，与环氧树脂存在密度及导热系数差，所以它具有隔热的特性，是耐高温粉末涂料的极佳填充剂。微珠的隔热特性还可减轻因粉末涂层经受急热和急冷而引起的热冲击。极低的吸水率使粉末涂料可以长期贮存。
(2)可改善粉末涂层的物理机械性能。空心玻璃微珠填料可增加粉末涂料的硬度和刚度。但抗冲击性能下降，下降的多少与对中空玻璃微珠的表面处理有关。如选用正确的偶联剂进行预处理，可减少对材料抗冲击性能的影响。
(3)吸油率低。与常规填充材料碳酸钙相比，空心玻璃微珠的吸油量更低。不同型号空心玻璃微珠每100g的吸油率在7mg～50mg之间，而每100g轻质碳酸钙的吸油率高达120mg～130mg，重质碳酸钙也高达50mg～60mg。这种低吸油率的填充材料在生产过程中变相地增加了填充量降低了综合成本。
2.4 纳米氧化硅
纳米氧化硅是一种重要的高科技超微细无机新材料。因其具有粒径很小、比表面积大、表面吸附力强、表面能大、化学纯度高、分散性能好、稳定性好等，在众多学科及领域内具优点，有着不可取代的作用。纳米二氧化硅俗称“超微细白炭黑”，作为添加剂、催化剂载体广泛用于各行业中。
将纳米氧化硅添加到环氧树脂的基体粉末涂料中，在结构上会完全不同于用粗晶SiO2。添加的环氧粉末涂料。粗晶SiO2一般作为补强剂加入，主要分布在高分子材料的链中间，而纳米氧化硅由于表面严重的配位不足、庞大的比表面积以及表面欠氧等特点，使它表现出极强的活性，很容易和环氧环状分子的氧起键合作用，提高了分子间的键力。同时尚有一部分纳米氧化硅颗粒仍然分布在高分子链的空隙中，与粗晶SiO2。颗粒相比较，表现出很高的流涟性，从而大幅度提高添加了纳米氧化硅的环氧粉末涂料涂层的强度和韧性。此外，纳米氧化硅的加入还可以提高涂层的耐磨性、抗老化性能，并改善涂层表面的光洁度。由于纳米氧化硅是一种松散、无定形的粉状物体，将它加入粉末涂料体系中可以防止粉料在夏天的高温下结团，延长粉末涂料产品的贮存期。在生产过程中，最好采用外加的方法。
3 填料筛选过程
为了确定上述几种填料在粉末涂料中的功能，我们设计了一些配方，并将做出的粉末涂料涂塑样件进行了冲击试验、水煮试验、海水浸泡试验和自然暴晒试验。
配方1：基础配方+玻璃微珠+云母粉+沉淀BaSO4；
配方2：基础配方+玻璃微珠+云母粉；
配方3：基础配方+玻璃微珠；
配方4：基础配方+云母粉；
配方5：基础配方+沉淀BaSO4。
其中自然暴晒试验时，还在各配方中加入了一些纳米氧化硅。
3.1冲击试验
将上述5个配方粉末涂料涂塑的马口铁板样板进行冲击试验，结果如表1所示。从表1中可看出，配方5做出的涂塑样板冲击后无裂纹，其它4个配方的涂塑样板都有裂纹。
 3.2 水煮试验
将上述5个配方粉末涂料涂塑后的黑铁管样件，在恒温水浴锅中进行水煮试验，结果列如表2所示。
水煮试验后的效果排序是①填料为玻璃微珠+云母粉及玻璃微珠+云母粉+沉淀BaSO4的复配配方2与配方1最好；②填料全为沉淀BaSO4的配方5其次；③填料全为玻璃微珠的配方3稍差；④填料全为云母粉的配方4最差。
3.3海水浸泡试验
由于船只航行在大海里，每个海域的水温不一样，有些地方的海水温度比较高，甚至达到60℃。因此，我们针对不同填料的配方在60℃的海水里做了浸泡试验。这里为了减少填料目数大小对涂层渗水性的影响，配方中所用填料都选用1250目。
将不同填料的配方做出的粉末涂料样品，涂塑在厚为3mm的钢板上。每个配方涂塑两个样件，涂塑工艺为200℃预热30min，180℃固化30arin。每种涂料做两块样板，分别定为1#、2#。然后将涂塑好的样件浸泡于60℃的海水中，浸泡时间为三个月。浸泡试验结果如表3所示。
 经海水浸泡后，涂层的重量比未浸泡时增加了，说明涂层吸收了水。在3个月划格撬剥测附着力试验时，发现全部用玻璃微珠或全部用云母粉的配方3或配方4做成的涂层在海水里浸泡3个月后，撬剥时涂层完全脱落，这可能与玻璃微珠和云母粉这两种填料自身的结构有关。对于玻璃微珠这种圆球形结构的填料，由于结构比较单一，在圆球与圆球之间可能会有一些空隙，造成浸泡试验时海水容易渗透涂层。
对于云母粉，虽然它本身是鳞片状结构，在涂层中有防渗水的功能，但是鳞片状结构不可能完全是平行于涂层表面排列的。如果有些云母粉是垂直于涂层排列的话，那么云母粉的这种鳞片状结构反而让水更容易导人涂层中，造成浸泡后涂层脱落。对于配方2，由于配方中不仅有云母粉这种鳞片状结构的填料还有圆球形的玻璃微珠做填料，在这种复配的结构中，即使有一些云母粉的鳞片状结构是垂直于涂层排列的，导人的水会被圆球形的玻璃微珠挡住一部分，因此此配方的涂层浸泡时只有一半脱落。对于配方1这种由沉淀BaSO4、玻璃微珠和云母粉共同复配做填料的配方，其涂层在海水中浸泡3个月后撬不动，附着力为1级。更惊奇的发现是，仅用沉淀BaSO4做填料的配方5其涂层在3个月海水浸泡试验后也撬不动，附着力为1级。这可能是因为沉淀BaSO4多为致密块状或板状、粒状的集合体，不是单一结构，在海水浸泡时这种互相交错的结构使涂层的阻水性能大幅提高。
3.4自然暴晒试验
由于从一些资料上看到纳米氧化硅做填料可以提高涂层耐紫外线的性能，并可延长粉末涂料的贮存时间。因此，在自然暴晒试验时，重新调整配方，加入一些纳米氧化硅。
配方1：基础配方+沉淀BaSO4；
配方2：基础配方+沉淀BaSO4+纳米二氧化硅(内加)；
配方3：基础配方+玻璃微珠+云母粉+纳米二氧化硅(外加)；
配方4：基础配方+玻璃微珠+云母粉+纳米二氧化硅(内加)；
配方5：基础配方十云母粉+纳米二氧化硅(内加)；
配方6：基础配方+玻璃微珠+云母粉+纳米二氧化硅(内加)。
按上述6个配方各做5公斤粉末涂料样品，并在黑铁管上进行涂塑，每个配方涂塑两个样件，涂塑工艺都是200℃预热30min，180℃固化30min。将做好的涂塑管件挂在露天空旷位置，过几天翻转一次，并将管件悬挂位置互换。经过三个月的观察，实验结果如表4所示。
 只用沉淀BaSO4做填料的配方最耐自然暴晒，此配方做出的涂层在外悬挂5周时仍然能保持很好的亮度及色泽，悬挂3个月后，也仅有少量褪色。其次是用沉淀BaSO4做填料，并内加少量纳米氧化硅的配方。再次是只用云母粉做填料，并内加少量纳米氧化硅的配方。而含有玻璃微珠的配方自然暴晒效果最差，仅悬挂三周，涂层中的黄色颜料就几乎全部退去，悬挂3个月后涂层几乎变成白色。针对这种情况，我们查了许多资料，并咨询了玻璃微珠原料的供应商，了解到的结果是，为了使玻璃微珠在基体中的分散效果更好，生产厂家一般会在玻璃微珠中加入一些硅烷偶联剂，对其进行表面改性。而有资料表明，目前常用的三烷氧基型硅烷偶联剂有可能降低基体树脂的稳定性，因此在自然暴晒过程中添加了玻璃微珠做填料的粉末涂料涂层比较容易粉化，变成白色。
对于配方1与配方2所做的涂层，全用沉淀BaSO4做填料的配方1自然暴晒效果最好，原因是BaSO4具有保光、保色的特点。配方2中内加了一些纳米氧化硅，其自然暴晒效果却比未加纳米氧化硅的差一些，这可能是因为纳米二氧化硅的表面极性强、表面性能高，处于热力学非稳定状态，极易发生粒子团聚，在使用时影响纳米颗粒所具有的功能。并且由于纳米二氧化硅表面易与空气中的水分子作用而带有羟基，表现出很强的亲水疏油性，在有机介质中难以均匀分散，难以与基料很好的结合，易造成界面缺陷，导致材料性能下降。而团聚在一起的纳米二氧化硅对涂层起到了消光的作用，使得涂层亮度减弱。
4 结论
沉淀硫酸钡、云母粉、空心玻璃微珠、纳米氧化硅这四种填料在粉末涂料生产中经常用到。单独用沉淀硫酸钡做填料时涂层的韧性比较好，涂层表面的色泽较饱满，自然暴晒时的保色性能也较好；用沉淀硫酸钡、云母粉、空心玻璃微珠做复配填料时，涂层的耐水煮性能及耐海水渗透性能较好；纳米氧化硅的加入对粉末涂料性能的影响并不明显，这有可能与纳米材料容易团聚，实际使用时不能保持纳米性能有关。在粉末涂料配方设计时，可根据客户对产品性能要求选择不同填料，以达到最佳效果。
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