في عصر حماية البيئة وتحول صناعة الطلاء، أصبح تطوير الطلاء الصديق للبيئة خيارًا لا مفر منه للشركات. ومع ذلك، لا تقتصر الطلاءات الصديقة للبيئة على الطلاءات القائمة على الماء. إذا سارعت الشركات إلى تطوير الطلاءات القائمة على الماء، فسيحدث تجانس المنتج حتمًا. بالإضافة إلى الطلاءات القائمة على الماء، تعد الطلاءات عالية الصلابة، والطلاءات الخالية من المذيبات، والطلاءات المسحوقة أيضًا خيارات صديقة للبيئة ويجب أن تصبح اتجاهات تطوير رئيسية لصناعة الطلاء. وفقًا لتقرير بحثي، من المتوقع أن تشهد منطقة آسيا والمحيط الهادئ أعلى نمو في كل من قيمة وحجم سوق الطلاءات المسحوقة من عام 2017 إلى عام 2022. تتطور تقنية الطلاء بالمسحوق بسرعة لتلبية السوق المدفوعة بالطلب. وبدافع من قوى السوق، أصبح البحث في تطبيق مواد المسحوق المختلفة في الطلاءات مهمًا بشكل متزايد.
1. نظرة عامة على الطلاءات المسحوقة
1. مقدمة عن الطلاء بالمسحوق
نشأت الطلاءات المسحوقة في الخمسينيات من القرن العشرين كبديل صديق للبيئة يحتوي على 100% من المواد الصلبة ولا يحتوي على مركبات عضوية متطايرة (VOCs). توفر الطلاءات المسحوقة العديد من المزايا: توفير الطاقة، وتقليل التلوث، والمعالجة البسيطة، وسهولة الأتمتة الصناعية، والأداء الممتاز للطلاء.
يتم تصنيع الطلاء المسحوق من مزيج من البوليمرات، والأصباغ، والحشوات، والمواد المضافة. نظرًا لأنها لا تطلق مذيبات متطايرة، فهي صديقة للبيئة وتوفر حماية بيئية فائقة. يمكن أن تشكل الطلاءات المسحوقة طبقات أكثر سمكًا في تطبيق واحد، مما يزيد من كفاءة الإنتاج. كما أنها توفر خصائص ميكانيكية ممتازة ومقاومة للتآكل الكيميائي وتشطيبات عالية الجودة. يوفر استخدام الطلاءات المسحوقة الطاقة والموارد، مع معدل استخدام يصل إلى 99%. هذه الطلاءات آمنة للاستخدام وفعالة اقتصاديًا. كحل خالٍ من المذيبات، تتوافق الطلاءات المسحوقة مع مبادئ "الأربعة E" الشائعة عالميًا: الاقتصاد، وحماية البيئة، والكفاءة، والأداء الممتاز.
2. نظرة عامة على سوق الطلاء بالمسحوق
مع نمو الطلب على الأجهزة الكهربائية والمركبات الخفيفة، يزداد الطلب أيضًا على الطلاء بالمسحوق. وقد ساهم الطلب المتزايد من الصناعات الطرفية في البلدان المتقدمة والناشئة في نمو سوق الطلاء بالمسحوق. ووفقًا لشركة أبحاث السوق Markets and Markets، من المتوقع أن يصل سوق الطلاء بالمسحوق العالمي إلى 134.9 مليار دولار أمريكي بحلول عام 2022، بمعدل نمو سنوي مركب (CAGR) يبلغ 6.751 مليار دولار أمريكي من عام 2017 إلى عام 2022.
بسبب العديد من العوامل، وخاصة التوسع الحضري السريع والنمو في قطاعات الإسكان والبناء والسيارات، نما الطلب على الطلاء بالمسحوق في الصين بشكل أسرع من أي دولة أخرى. في عام 2016، بلغ إنتاج صناعة الطلاء بالمسحوق في الصين 2.07 مليون طن، مما يجعلها أكبر سوق للطلاء بالمسحوق على مستوى العالم.
الشكل 1: التغيرات في إنتاج صناعة طلاء المسحوق في الصين من عام 2009 إلى عام 2016 (الوحدة: 10000 طن)
من حيث الإنتاج، تمثل الطلاءات المسحوقة حاليًا ما يقرب من 111 طنًا من إجمالي إنتاج الطلاء في الصين. ووفقًا لـ "الخطة الخمسية الثالثة عشرة"، من المتوقع أن يزيد إجمالي إنتاج صناعة الطلاء إلى حوالي 22 مليون طن بحلول عام 2020. ومن هذا، من المتوقع أن تشكل الطلاءات الفعالة من حيث التكلفة والصديقة للبيئة 571 طنًا من إجمالي الإنتاج. وبحلول عام 2020، من المتوقع أن ترتفع حصة الطلاءات المسحوقة إلى حوالي 181 طنًا من إجمالي الإنتاج، بإنتاج يبلغ حوالي 4 ملايين طن. ومن المؤكد أن التطور السريع للطلاءات المسحوقة سيدفع نمو الطلب على حشوات المسحوق.
II. تحليل استخدام مواد المسحوق المختلفة في طلاء المسحوق
لا تساعد الحشوات في الطلاءات على خفض التكاليف فحسب، بل إنها تعمل أيضًا على تحسين أداء منتجات الطلاء بشكل كبير. على سبيل المثال، يمكن للحشوات تحسين مقاومة التآكل ومقاومة الخدش ومقاومة التآكل ومقاومة الرطوبة للطلاء. كما أنها تساعد في تقليل ترهل الطلاء أثناء عملية تسوية الذوبان.
عند اختيار الحشوات لطلاءات المسحوق، يجب مراعاة عوامل مثل الكثافة وأداء التشتت وتوزيع حجم الجسيمات والنقاء. بشكل عام، كلما زادت كثافة الحشو، كلما قلت التغطية التي سيوفرها في طلاء المسحوق. تميل الجسيمات الأكبر إلى التشتت بشكل أفضل من الجسيمات الأصغر. يجب أن يكون الحشو خاملًا كيميائيًا لتجنب التفاعل مع المكونات الأخرى لتركيبة المسحوق، مثل الأصباغ، ويجب أن يكون لونه أبيض قدر الإمكان. تشمل مواد المسحوق الشائعة المستخدمة في طلاءات المسحوق كربونات الكالسيوم وكبريتات الباريوم والتلك ومسحوق الميكا والكاولين والسيليكا والولاستونيت.
1. استخدام كربونات الكالسيوم في الطلاء المسحوق
يتوفر كربونات الكالسيوم في شكلين: كربونات الكالسيوم الخفيفة (كربونات الكالسيوم المترسبة) وكربونات الكالسيوم الثقيلة. وبغض النظر عن النوع، فإن حجم جزيئات كربونات الكالسيوم يؤثر بشكل كبير على لمعان الطلاء. ومع ذلك، لا يُنصح عمومًا باستخدام كربونات الكالسيوم في الهواء الطلق بسبب انخفاض مقاومتها للطقس.
في الطلاء بالمسحوق، يخدم كربونات الكالسيوم الثقيلة عدة أغراض. يمكنها أن تحل جزئيًا محل ثاني أكسيد التيتانيوم والأصباغ الملونة، وتحل محل كربونات الكالسيوم الخفيفة وكبريتات الباريوم المترسبة، وتمنع التآكل، وتعمل كبديل جزئي للأصباغ المضادة للصدأ.
عند استخدامه في الدهانات المعمارية الداخلية، يمكن تطبيق كربونات الكالسيوم الثقيلة بمفردها أو مع بودرة التلك. وبالمقارنة مع التلك، يساعد كربونات الكالسيوم على تقليل معدل التكسير، ويحسن الاحتفاظ بالألوان في الدهانات ذات الألوان الفاتحة، ويزيد من مقاومة العفن. ومع ذلك، فإن مقاومته الضعيفة للأحماض تحد من استخدامه في الطلاءات الخارجية.
من ناحية أخرى، يتميز كربونات الكالسيوم الخفيفة بحجم جسيمات أصغر وتوزيع أضيق لحجم الجسيمات وامتصاص أعلى للزيت ولمعان أعلى. وهو مفيد بشكل خاص في التطبيقات التي تتطلب أقصى قدر من تأثير التكتل.
2. استخدام كبريتات الباريوم في الطلاء المسحوق
يمكن تصنيف كبريتات الباريوم المستخدمة في الطلاء إلى نوعين: طبيعي وصناعي. يُعرف الشكل الطبيعي باسم مسحوق الباريت، ويُسمى الشكل الصناعي كبريتات الباريوم المترسبة.
في الطلاء بالمسحوق، تعمل كبريتات الباريوم المترسبة على تعزيز تسوية الطلاء والاحتفاظ بلمعانه، كما تتمتع بتوافق جيد مع الملونات. كما تساعد في تحقيق سمك طلاء مثالي أثناء عملية الرش، مما يضمن معدل طلاء مسحوق مرتفع.
يستخدم مسحوق الباريت بشكل أساسي في البادئات الصناعية والطلاءات الوسيطة للسيارات التي تتطلب قوة طلاء عالية وقوة تعبئة وخمول كيميائي. كما يستخدم في الطلاءات النهائية حيث تكون هناك حاجة إلى لمعان أعلى. نظرًا لمؤشر الانكسار العالي (1.637)، يمكن لمسحوق الباريت الناعم أن يعمل كصبغة بيضاء شفافة، مما يجعله بديلاً ممتازًا لجزء من ثاني أكسيد التيتانيوم في الطلاءات.
3. استخدام مسحوق الميكا في الطلاء بالمسحوق
يتكون مسحوق الميكا من سيليكات معقدة وله جزيئات متقشرة. وهو ذو قيمة عالية لمقاومته الممتازة للحرارة والأحماض والقلويات وتأثيره على سيولة ذوبان الطلاءات المسحوقة. يستخدم مسحوق الميكا عادة في الطلاءات المسحوقة المقاومة للحرارة والعازلة ويمكن أن يعمل أيضًا كحشو في الطلاءات المسحوقة الملمسية.
من بين الأنواع المختلفة من الميكا، يتمتع السيريسيت ببنية كيميائية مماثلة لتلك الموجودة في الكاولين، ويجمع بين خصائص كل من معادن الميكا ومعادن الطين. يمكن أن يؤدي تطبيقه في الطلاء إلى تحسين مقاومة الطقس ونفاذية الماء بشكل كبير، وتعزيز الالتصاق والقوة، وتحسين المظهر العام للطلاء. بالإضافة إلى ذلك، يمكن لجزيئات الصبغة الدخول بسهولة إلى الطبقة الشبكية لمسحوق السيريسيت، مما يساعد على بقاء اللون نابضًا بالحياة بمرور الوقت. يُظهر مسحوق السيريسيت أيضًا خصائص مضادة للطحالب والعفن، مما يجعله حشوًا متعدد الوظائف بنسبة أداء وتكلفة ممتازة للطلاء.
4. استخدام بودرة التلك في الطلاءات المسحوقة
مسحوق التلك، المعروف أيضًا باسم سيليكات المغنيسيوم المائية، يتم سحقه مباشرة من خام التلك. جزيئاته عبارة عن بلورات على شكل إبرة ذات ملمس دهني وملمس ناعم وقابلية كشط منخفضة. يتمتع التلك بقدرة تعليق وتشتت جيدة، بالإضافة إلى بعض اللزوجة، مما يؤثر بشكل كبير على سيولة ذوبان الطلاء المسحوق. غالبًا ما يستخدم في مساحيق الملمس.
التلك مادة فعالة من حيث التكلفة؛ ومع ذلك، فإن له العديد من العيوب التي تحد من استخدامه. على سبيل المثال، يتميز بمعدل امتصاص مرتفع للزيت، وفي التطبيقات التي تتطلب امتصاصًا منخفضًا للزيت، يجب دمجه مع مواد مالئة مثل مسحوق الباريت، الذي يتميز بامتصاص منخفض للزيت. بالإضافة إلى ذلك، فإن مقاومته للتآكل منخفضة نسبيًا، لذلك يجب إضافة مواد مالئة أخرى عند الحاجة إلى مقاومة عالية للتآكل. التلك الذي يحتوي على معادن غير معدنية أخرى غير مناسب للطلاءات الخارجية التي تتطلب مقاومة عالية للطقس، حيث أن المعادن الشوائب معرضة للتفاعل مع الأحماض (مثل المطر الحمضي). يتمتع التلك أيضًا بخصائص التلميع، مما يعني أنه يتم تجنبه عمومًا في الطلاءات عالية اللمعان.
5. استخدام السيليكا في الطلاء المسحوق
الكوارتز المسحوق المسامي، وهو نوع من السيليكا، معروف بسلامته ويستخدم على نطاق واسع في الطلاء بالمسحوق، بما في ذلك الطلاء المقاوم للحريق والطلاء المقاوم للماء والطلاء المضاد للتآكل. تسمح التكلفة المنخفضة للكوارتز المسحوق المسامي بتقليل التكلفة الإجمالية للطلاء بالمسحوق. كما أنه يحل محل كبريتات الباريوم، مما يقلل من محتوى الباريوم القابل للذوبان ويساعد في تلبية معايير حماية البيئة.
بالإضافة إلى ذلك، تُستخدم السيليكا المدخنة بشكل شائع في الطلاءات المسحوقة كعامل تخفيف ومضاد للتكتل. السيليكا المدخنة هي صبغة جسم متعددة الوظائف وعامل تحكم فعال في الرومولوجيا في الطلاءات. في الطلاءات السائلة، تؤدي وظائف مثل التكثيف، والتخثر، ومقاومة الترهل، وتغطية الحواف. في الطلاءات المسحوقة، تعمل على تعزيز سيولة المساحيق، ومنع التكتل والمساعدة في السيولة.
6. استخدام الكاولين في الطلاء بالمسحوق
يستخدم الكاولين في الطلاء بالمسحوق لتحسين اللزوجة ومقاومة الترسيب. يمكن للكاولين المحروق، الذي لا يؤثر على الخواص الرومولوجية، أن يضفي أيضًا تأثيرًا تلميعيًا، ويزيد من قوة الإخفاء، ويحسن البياض، على غرار بودرة التلك.
يتميز الكاولين عادة بقدرة امتصاص عالية للماء، مما يجعله غير مناسب لتحسين اللزوجة للطلاءات أو لتحضير الطلاءات الكارهة للماء. يتراوح حجم جزيئات الكاولين من 0.2 إلى 1 ميكرومتر. يتميز الكاولين ذو الجزيئات الأكبر بقدرة امتصاص أقل للماء ويوفر تأثير تلبد أفضل، بينما يكون الكاولين ذو الجزيئات الأصغر (أقل من 1 ميكرومتر) مناسبًا للطلاءات شبه اللامعة والطلاءات الداخلية.
يمكن تقسيم الكاولين إلى الكاولين المحروق والكاولين المغسول. بشكل عام، يتمتع الكاولين المحروق بامتصاص زيت أعلى، وعتامة، ومسامية، وصلابة، ولمعان مقارنة بالكاولين المغسول.
7. استخدام الكرات الزجاجية المجوفة في الطلاء بالمسحوق
الكرات الزجاجية المجوفة هي مساحيق كروية مجوفة صغيرة توفر العديد من المزايا، بما في ذلك الوزن الخفيف، والحجم الكبير، والتوصيل الحراري المنخفض، وقوة الضغط العالية، والعزل، ومقاومة التآكل، وعدم السمية، والقدرة الجيدة على التشتت، والسيولة، والاستقرار.
في الطلاءات المسحوقة، تلعب الكرات الزجاجية المجوفة الأدوار التالية:
1) العزل الحراري: يتم ملء الجزء الداخلي من الكرات الزجاجية المجوفة بالفراغ أو الغاز المخفف، مما يخلق فرقًا في الكثافة والتوصيل الحراري مع راتنج الإيبوكسي. تمنحها هذه الخاصية عزلًا حراريًا ممتازًا وتجعلها مثالية للطلاءات المسحوقة المقاومة لدرجات الحرارة العالية.
2) تحسين الخواص الفيزيائية والميكانيكية: يمكن لهذه الكرات الدقيقة أن تزيد من صلابة وصلابة الطلاء المسحوق. ومع ذلك، قد تقل مقاومة الصدمات، اعتمادًا على المعالجة السطحية للكرات الدقيقة. يمكن لعوامل الربط المناسبة أن تخفف من هذا الانخفاض في مقاومة الصدمات.
3) انخفاض معدل امتصاص الزيت: يتراوح معدل امتصاص الزيت في الكرات الزجاجية المجوفة بين 7 و50 ملجم لكل 100 جرام، حسب الطراز. ويؤدي هذا الامتصاص المنخفض للزيت إلى زيادة كمية الحشو في المنتج، مما يقلل التكلفة الإجمالية بشكل فعال.
8. استخدام الوولاستونيت في الطلاء بالمسحوق
المكون الرئيسي للولاستونيت هو سيليكات الكالسيوم، بكثافة 2.9 جم/سم3، ومؤشر انكسار 1.63، ومعدل امتصاص للزيت 30-50%. له بنية تشبه الإبرة وسطوع ممتاز.
في الطلاء بالمسحوق، يُستخدم مسحوق الوولاستونيت الطبيعي بشكل شائع. يتم معالجته من الوولاستونيت الطبيعي ويعمل كصبغة جسمية يمكن أن تحل محل جزء من الصبغة البيضاء، مما يعزز التغطية ويقلل من تكلفة الطلاء. نظرًا لموصليته الجيدة، غالبًا ما يستخدم الوولاستونيت في الطلاء بالمسحوق العازل بالإيبوكسي. بالإضافة إلى ذلك، تعمل البنية البيضاء الشبيهة بالإبر للولاستونيت على تحسين خصائص الانحناء والشد لطلاءات المسحوق.
ثالثا. اتجاه تطوير حشوات المسحوق لطلاء المسحوق
1. معالجة سطح حشوات المسحوق
جميع حشوات الطلاء بالمسحوق قطبية، في حين أن راتنجات الطلاء بالمسحوق قطبية للغاية أيضًا. يمكن أن يؤدي هذا إلى ضعف التوافق بين الاثنين، مما يؤثر سلبًا على معالجة وأداء الطلاء. لمعالجة هذا، غالبًا ما يكون من الضروري معالجة حشوات المسحوق من خلال الطرق الفيزيائية (مثل طلاء السطح والامتصاص) أو الطرق الكيميائية (مثل استبدال السطح والتحلل المائي والبلمرة والتطعيم). تساعد هذه المعالجات على تقليل حجم جزيئات الكتل بشكل كبير أو تحسين سيولة النظام، وتعزيز أداء المعالجة وجودة السطح (مثل اللمعان وسطوع اللون) والقوة الميكانيكية للطلاء.
2. ميكرون حشوات المسحوق
عندما تظل نسبة راتنج طلاء المسحوق إلى الحشو ثابتة، كلما كان حجم جزيئات الحشو أصغر، كان أداء السطح والخصائص الميكانيكية للطلاء أفضل. إذا تم تقليل حجم جزيئات الحشو إلى نطاق مماثل لثاني أكسيد التيتانيوم (0.2-0.5 ميكرومتر)، يمكن عزل التكتلات في التركيبة، مما يؤدي إلى إنشاء مراكز تشتت أكثر فعالية وتحسين قوة إخفاء ثاني أكسيد التيتانيوم. هذا هو مبدأ الفصل المكاني للحشوات الدقيقة. وبالمثل، يمكن للحشوات الدقيقة تقليل كمية الصبغة المطلوبة، وبالتالي تحسين الكفاءة.
3. تقنية النانو لحشو المساحيق
تشمل المواد النانوية المستخدمة بشكل شائع ثاني أكسيد السيليكون النانوي، وثاني أكسيد التيتانيوم النانوي، وكربونات الكالسيوم النانوية. تشير التقارير إلى أن ثاني أكسيد التيتانيوم النانوي يعزز الشفافية والخصائص الميكانيكية وامتصاص الأشعة فوق البنفسجية للطلاءات. وهو مفيد بشكل خاص في ورنيش السيارات، حيث يحسن بشكل كبير مقاومة الطلاءات المسحوقة للطقس. ومع ذلك، نظرًا لأن المواد النانوية عبارة عن جزيئات دقيقة للغاية ذات نشاط سطحي مرتفع، فهي عرضة للتكتل والتخثر. لذلك، فإن المعالجة السطحية للحشوات النانوية، جنبًا إلى جنب مع طرق الإضافة المناسبة ومعدات التشتيت والكميات المثالية، أمر بالغ الأهمية لتطبيقها الناجح في الطلاءات المسحوقة. عند تصميم صيغ الطلاء المسحوق، يجب اختيار حشوات مختلفة بناءً على متطلبات أداء المنتج لتحقيق أفضل النتائج.
4. وظائف حشوات طلاء المسحوق
يركز اتجاه تطوير الطلاءات المسحوقة الوظيفية على تحسين الخصائص الفيزيائية والكيميائية والميكانيكية للطلاءات في مناطق محددة، أو تقديم وظائف جديدة. على سبيل المثال، يتم استخدام مساحيق الكاولين والولاستونيت لإنشاء طلاءات مسحوق عازلة للكهرباء، مما يقلل التكاليف مع تحسين العزل الكهربائي. يتمتع هيدروكسيد الألومنيوم وهيدروكسيد المغنيسيوم بخصائص مثبطة للهب ويمكن استخدامهما لإنتاج طلاءات مسحوق مثبطة للهب. يمكن لهذه الحشوات أيضًا التحكم في الرومولوجيا وتحسين الالتصاق وتنظيم اللمعان وتعزيز قوة الإخفاء. لذلك، يتحول التركيز على الحشوات في طلاءات المسحوق من مجرد خفض التكاليف إلى دمج المزيد من الأبحاث الوظيفية، وتطوير حشوات جديدة ذات أداء ممتاز بتكلفة منخفضة لتلبية المتطلبات المتطورة لصناعة طلاء المسحوق.
خاتمة
نمو مسحوق يعكس سوق الطلاء تحولًا أوسع نطاقًا نحو حلول الطلاء الصديقة للبيئة وعالية الأداء. ومع سعي الصناعات إلى تحقيق الاستدامة، تقدم الطلاءات المسحوقة بديلاً مقنعًا يتمتع بمزايا كبيرة من حيث كفاءة الطاقة والفعالية من حيث التكلفة والتأثير البيئي. ومع الاستمرار في تطوير حشوات المسحوق وتقنيات الطلاء المبتكرة، يبدو مستقبل هذه الصناعة واعدًا.
