粉末涂層–優(yōu)化粒度分布和研磨

　　粉末涂層是一種新型的不含溶劑100%固體粉末狀涂料。它有兩大類(lèi)：熱塑性粉末涂料和熱固性粉末涂料。涂料由特制樹(shù)脂、顏填料、固化劑及其它助劑，以一定的比例混合，再通過(guò)熱擠塑和粉碎過(guò)篩等工藝制備而成。

　　大約 30 年前，對于那些不想破壞環(huán)境，又能提供優(yōu)質(zhì)表面產(chǎn)品的涂層處理部門(mén)來(lái)說(shuō)，粉末涂層技術(shù)的發(fā)展是一個(gè)重要的里程碑�，F在，粉末涂層已經(jīng)被廣泛使用，尤其在耐用品市場(chǎng)上。汽車(chē)工業(yè)的進(jìn)步更是為這一行業(yè)的長(cháng)期發(fā)展帶來(lái)了良好的前景。最近又開(kāi)發(fā)出可以用于熱敏介質(zhì)(如木質(zhì)和塑料)的低固化溫度粉末，進(jìn)一步擴大了其應用范圍。

　　合理的價(jià)格、符合性能要求，一致的粉末涂層生產(chǎn)是主要的考慮因素，這使得有效的過(guò)程控制成為一個(gè)重要目標。粒度是粉末涂層的定義參數之一。它直接影響產(chǎn)品的加工性能和成膜光面的品質(zhì)。因此，生產(chǎn)過(guò)程中對粒度的嚴格控制就顯得尤為關(guān)鍵。本文中，我們將檢驗粒度對產(chǎn)品性能的影響，以及不同的粒度分析方法在優(yōu)化粉末涂層生產(chǎn)中扮演的角色。

　　優(yōu)化粒度分布要生產(chǎn)具有理想性能的粉末涂層，需要了解粒度及其分布對操作性能、應用、固化處理以及光面的影響。

　　細微顆�！凹毼㈩w粒處理起來(lái)是很困難的，而且，細微顆粒的增加不僅意味著(zhù)有患上呼吸系統疾病的危險，也會(huì )帶來(lái)爆炸的可能。"應用過(guò)程中，要準確控制細微顆粒更是難上加難。但是在靜電應用系統中，它們很容易覆蓋一個(gè)物品，因此常用于形成雙面涂層。在介質(zhì)表面，小顆粒會(huì )包得更緊，這就降低了對生產(chǎn)光滑涂層所需固化條件的嚴格要求。但是，細微顆粒也可能造成表面光潔度不足(橘皮效應)。這可能是因為固化過(guò)程中顆粒融化太快，或是表面電荷的聚集造成了“反噴"現象。

　　大顆粒大顆粒流動(dòng)順暢，應用中相對容易控制。噴射時(shí)，它們的質(zhì)量會(huì )帶來(lái)很大的直線(xiàn)慣量，這對滲入物體邊角處特別有用。但是在固化時(shí)，大顆粒需要相對較長(cháng)的融化時(shí)間，而且融化也可能不完全。這會(huì )導致最終薄膜上有內含物，不利于外表的光潔和機械完整性。這樣，在時(shí)間和溫度方面，對大顆粒的固化次數會(huì )要求更高。

　　多分散性如果粉末涂層具有相對較大的顆粒且粒度分布范圍較廣，那么，涂層介質(zhì)表面的顆粒填充將會(huì )隨著(zhù)較小顆粒填補空隙而得到改善。這樣，空氣從涂層中排出，增加了整體導熱性和固化過(guò)程中的熔體形成率。因此產(chǎn)生的高度交聯(lián)會(huì )優(yōu)化涂層的機械性能。多分散性較低時(shí)，涂層中可能會(huì )形成內含物，除非介質(zhì)在足夠長(cháng)的時(shí)間內處于高溫，使所有顆�？梢粤鲃�(dòng)到一起。精細產(chǎn)品不會(huì )出現這種問(wèn)題，因為，用粒度分布范圍較窄的產(chǎn)品能夠生產(chǎn)出光滑的膜層。

　　很大程度上，最終薄膜的性能是通過(guò)控制粒度和粒度分布來(lái)決定的。一般來(lái)說(shuō)，粉末涂層的尺寸范圍是 5 到 100 微米，盡管行業(yè)內存在這樣一個(gè)長(cháng)期趨勢- 較小顆粒對于生產(chǎn)目前需求很大的較薄薄膜是必須的。

　　優(yōu)化粉末涂層生產(chǎn)要制成粉末涂層，先要將聚合物、充電劑和其它添加劑在熔體中混合。然后經(jīng)過(guò)擠壓，形成碎片或小球。隨后，這些碎片或小球經(jīng)過(guò)一系列步驟被制成所需的粒度，這些步驟包括研磨、磨削以及分離/分類(lèi)。粉末涂層是分批制造的，在包括大約十到十五條生產(chǎn)線(xiàn)的車(chē)間里完成，每條生產(chǎn)線(xiàn)的產(chǎn)品都不相同。產(chǎn)品換線(xiàn)和工藝流程啟動(dòng)頻繁發(fā)生，產(chǎn)品污染也因此成為一個(gè)重要問(wèn)題。例如，生產(chǎn)綠色產(chǎn)品的生產(chǎn)線(xiàn)上殘留的紅色產(chǎn)品微粒會(huì )破壞整批產(chǎn)品。因此，粉末涂層制造商的主要目標是：

　　要優(yōu)化過(guò)程控制，采用傳統的離線(xiàn)分析可能會(huì )面臨諸多挑戰。離線(xiàn)粒度分析對產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和質(zhì)量控制是非常重要的。但是對過(guò)程控制，特別是當過(guò)程的響應時(shí)間相對較短時(shí)，其應用有很大的局限性。多樣性和時(shí)滯使跟蹤和快速過(guò)程變化的合理化毫無(wú)可能。所以，很難確定究竟是分析和取樣品問(wèn)題，還是過(guò)程本身的問(wèn)題。當然，也可以選擇內嵌式分析，或全自動(dòng)在線(xiàn)系統。

　　在線(xiàn)粒度分析儀將分析與過(guò)程操作結合起來(lái)，更能滿(mǎn)足工廠(chǎng)的需要，也有利于改進(jìn)過(guò)程控制。對那些有多條生產(chǎn)線(xiàn)的生產(chǎn)車(chē)間來(lái)說(shuō)，它提供了另外一種選擇，即不必在每條生產(chǎn)線(xiàn)上都安裝專(zhuān)門(mén)的分析儀即可加強控制。另一方面，在線(xiàn)檢測能提供高度相關(guān)的連續數據流，允許發(fā)展最佳控制策略，執行自動(dòng)控制。使用專(zhuān)門(mén)的在線(xiàn)系統，操作人員可以即時(shí)看到他們的操作結果，迅速將產(chǎn)品調整至新的規格。通過(guò)系統地研究各個(gè)變量變化的影響，可以極大地提高對過(guò)程的理解。在保證產(chǎn)品規格的同時(shí)，還可以?xún)?yōu)化操作。下面的例子闡述了轉向在線(xiàn)分析對研磨控制，以及對過(guò)程效率的影響。

　　紅色圓圈表示取樣時(shí)間，綠色圓圈表示研磨參數的變化。啟動(dòng)過(guò)程包括一系列重復步驟，其中包括以下各項：改變研磨參數、改變后操作穩定花費的時(shí)間、取樣及分析。要將研磨機放置到能生產(chǎn)出符合規格材料的地點(diǎn)大約需要 50 分鐘。

　　顯示了處于同樣人工控制下的研磨機，但是這次數據是從在線(xiàn)粒度分析儀中取得的�，F在，由于操作人員可以立即評估各種變化的影響，迅速將研磨機移至要求的操作位置，因此只要 7 分鐘就能啟動(dòng)。這種時(shí)間上的節約直接轉化為不合格材料數量上的減少，以及隨著(zhù)批次生產(chǎn)時(shí)間減少而帶來(lái)的能源節約。這一改變也增加了研磨機的通量，因為現在它有更多時(shí)間進(jìn)行有效生產(chǎn)。當研磨機的啟動(dòng)頻繁時(shí)，這些方面的節省會(huì )迅速擴大為巨大的成本收益。

　　更加嚴格穩定的狀態(tài)控制研磨是一個(gè)相當耗費能源的過(guò)程，因此，作為一種單元操作，制造商致力于在符合產(chǎn)品規格的條件下將研磨量降至最低。過(guò)度研磨會(huì )浪費能源，而且，如果顆粒過(guò)細(在粉末涂層中)，產(chǎn)品亦會(huì )不符合規格。在粉末涂層的生產(chǎn)過(guò)程中，規格要求是非常嚴格的。因此，研磨機的操作人員必須在產(chǎn)品何時(shí)打磨充分，何時(shí)打磨過(guò)度之間精確控制。圖 3 描述了切換到在線(xiàn)分析后，對研磨機控制的加強。

　　開(kāi)始時(shí)研磨機是人工控制，并且依賴(lài)離線(xiàn)分析數據工作。操作期間的變動(dòng)會(huì )產(chǎn)生很大影響;因此，先在偏離實(shí)際規格很遠的情況下操作，以此確保實(shí)際操作中，樣本不會(huì )偏離規格太遠。一旦在線(xiàn)數據可用，研磨機控制有了改善，運行中的不穩定現象將會(huì )大大減少。隨著(zhù)研磨機控制置信水平的不斷提高，生產(chǎn)過(guò)程也隨之變化，會(huì )逐漸生產(chǎn)出恰好符合規格要求的材料。這樣，過(guò)度研磨就會(huì )減少，浪費和能源消耗也隨之降低。

　　研磨控制中的這種改進(jìn)可以縮短那些確定接受研磨操作的工作帶，因為在這些工作帶之間的停留已經(jīng)變得非常容易。這不僅使產(chǎn)品的一致性更好，還能夠將研磨的可變成本降到最低。

　　優(yōu)化分析儀設計內嵌式分析和在線(xiàn)分析的潛在優(yōu)勢是顯而易見(jiàn)的。但是，對它們的全面使用則需要選擇恰當的系統，并且，對在線(xiàn)儀器的要求也相當高。分析儀必須可靠、設計穩定，而且和生產(chǎn)廠(chǎng)家的現有設備(比如在控制軟件方面)兼容。由于主要目標之一是將人力投入降到最低，因此，維護需要也必須很低，分析必須是全自動(dòng)的，代表數據也必須有效且與行業(yè)相關(guān)。高精度或需要復雜人工干預的系統很容易出現故障，或出現得出數據與行業(yè)規范不一致的情況。這樣的系統都不會(huì )得到廣泛的接受和正確的使用，后果將是極低的投資回報率。

　　對粉末涂層應用來(lái)說(shuō)，還有兩個(gè)問(wèn)題 - 清潔和樣品展示，這兩個(gè)問(wèn)題在系統設計時(shí)也需要認真考慮。

　　清潔由于對多產(chǎn)品生產(chǎn)線(xiàn)來(lái)說(shuō)，交叉污染是一個(gè)需要認真對待的問(wèn)題。因此，工具的清潔設計應當簡(jiǎn)單、有效。設計中必須沒(méi)有盲點(diǎn)，高品質(zhì)的光面對減少產(chǎn)品黏著(zhù)非常重要。為了在各批次生產(chǎn)之間徹底清潔系統，設備流路部件必須易于拆卸，材料結構也應該具有抗溶性。

　　樣品展示 粉末涂層的玻璃轉化溫度較低。耗費能量的樣品分散器已不再需要，因為它容易隨著(zhù)樣品線(xiàn)的堵塞而使顆粒附著(zhù)在設備壁面上。為了生成代表性的粒度分布數據，可以進(jìn)行適度的樣品分散，以確保顆粒進(jìn)入測量區域時(shí)不會(huì )出現凝聚現象。

　　總結在粉末涂層行業(yè)，有效而恰當的粒度分析對產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)、過(guò)程操作以及質(zhì)量控制都是不可或缺的。因此，選擇能夠滿(mǎn)足行業(yè)要求的在線(xiàn)分析儀是進(jìn)行有效過(guò)程控制的理想選擇。這些分析儀為自動(dòng)操作提供了可能，而且能夠實(shí)現相當高的過(guò)程效率。設計良好、適合應用的粒度分析儀對粉末涂層制造商來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，因為它可以實(shí)現產(chǎn)品的正確性能/價(jià)格特征，并由此幫助粉末涂層廠(chǎng)商進(jìn)軍新市場(chǎng)。