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粉末涂層–優(yōu)化粒度分布和研磨

[2012/12/3]

　　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：熱塑性粉末涂料和熱固性粉末涂料。涂料由特制樹脂、顏填料、固化劑及其它助劑，以一定的比例混合，再通過熱擠塑和粉碎過篩等工藝制備而成。

　　大約 30 年前，對于那些不想破壞環(huán)境，又能提供優(yōu)質表面產(chǎn)品的涂層處理部門來說，粉末涂層技術的發(fā)展是一個重要的里程碑，F(xiàn)在，粉末涂層已經(jīng)被廣泛使用，尤其在耐用品市場上。汽車工業(yè)的進步更是為這一行業(yè)的長期發(fā)展帶來了良好的前景。最近又開發(fā)出可以用于熱敏介質(如木質和塑料)的低固化溫度粉末，進一步擴大了其應用范圍。

　　合理的價格、符合性能要求，一致的粉末涂層生產(chǎn)是主要的考慮因素，這使得有效的過程控制成為一個重要目標。粒度是粉末涂層的定義參數(shù)之一。它直接影響產(chǎn)品的加工性能和成膜光面的品質。因此，生產(chǎn)過程中對粒度的嚴格控制就顯得尤為關鍵。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粒處理起來是很困難的，而且，細微顆粒的增加不僅意味著有患上呼吸系統(tǒng)疾病的危險，也會帶來爆炸的可能。"應用過程中，要準確控制細微顆粒更是難上加難。但是在靜電應用系統(tǒng)中，它們很容易覆蓋一個物品，因此常用于形成雙面涂層。在介質表面，小顆粒會包得更緊，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程中顆粒融化太快，或是表面電荷的聚集造成了“反噴"現(xiàn)象。

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

　　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，涂層介質表面的顆粒填充將會隨著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程中的熔體形成率。因此產(chǎn)生的高度交聯(lián)會優(yōu)化涂層的機械性能。多分散性較低時，涂層中可能會形成內(nèi)含物，除非介質在足夠長的時間內(nèi)處于高溫，使所有顆粒可以流動到一起。精細產(chǎn)品不會出現(xiàn)這種問題，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控制粒度和粒度分布來決定的。一般來說，粉末涂層的尺寸范圍是 5 到 100 微米，盡管行業(yè)內(nèi)存在這樣一個長期趨勢- 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)過擠壓，形成碎片或小球。隨后，這些碎片或小球經(jīng)過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。粉末涂層是分批制造的，在包括大約十到十五條生產(chǎn)線的車間里完成，每條生產(chǎn)線的產(chǎn)品都不相同。產(chǎn)品換線和工藝流程啟動頻繁發(fā)生，產(chǎn)品污染也因此成為一個重要問題。例如，生產(chǎn)綠色產(chǎn)品的生產(chǎn)線上殘留的紅色產(chǎn)品微粒會破壞整批產(chǎn)品。因此，粉末涂層制造商的主要目標是：

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

　　在線粒度分析儀將分析與過程操作結合起來，更能滿足工廠的需要，也有利于改進過程控制。對那些有多條生產(chǎn)線的生產(chǎn)車間來說，它提供了另外一種選擇，即不必在每條生產(chǎn)線上都安裝專門的分析儀即可加強控制。另一方面，在線檢測能提供高度相關的連續(xù)數(shù)據(jù)流，允許發(fā)展最佳控制策略，執(zhí)行自動控制。使用專門的在線系統(tǒng)，操作人員可以即時看到他們的操作結果，迅速將產(chǎn)品調整至新的規(guī)格。通過系統(tǒng)地研究各個變量變化的影響，可以極大地提高對過程的理解。在保證產(chǎn)品規(guī)格的同時，還可以優(yōu)化操作。下面的例子闡述了轉向在線分析對研磨控制，以及對過程效率的影響。

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

　　顯示了處于同樣人工控制下的研磨機，但是這次數(shù)據(jù)是從在線粒度分析儀中取得的，F(xiàn)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。這種時間上的節(jié)約直接轉化為不合格材料數(shù)量上的減少，以及隨著批次生產(chǎn)時間減少而帶來的能源節(jié)約。這一改變也增加了研磨機的通量，因為現(xiàn)在它有更多時間進行有效生產(chǎn)。當研磨機的啟動頻繁時，這些方面的節(jié)省會迅速擴大為巨大的成本收益。

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

　　開始時研磨機是人工控制，并且依賴離線分析數(shù)據(jù)工作。操作期間的變動會產(chǎn)生很大影響;因此，先在偏離實際規(guī)格很遠的情況下操作，以此確保實際操作中，樣本不會偏離規(guī)格太遠。一旦在線數(shù)據(jù)可用，研磨機控制有了改善，運行中的不穩(wěn)定現(xiàn)象將會大大減少。隨著研磨機控制置信水平的不斷提高，生產(chǎn)過程也隨之變化，會逐漸生產(chǎn)出恰好符合規(guī)格要求的材料。這樣，過度研磨就會減少，浪費和能源消耗也隨之降低。

　　研磨控制中的這種改進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(nèi)嵌式分析和在線分析的潛在優(yōu)勢是顯而易見的。但是，對它們的全面使用則需要選擇恰當?shù)南到y(tǒng)，并且，對在線儀器的要求也相當高。分析儀必須可靠、設計穩(wěn)定，而且和生產(chǎn)廠家的現(xiàn)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，分析必須是全自動的，代表數(shù)據(jù)也必須有效且與行業(yè)相關。高精度或需要復雜人工干預的系統(tǒng)很容易出現(xiàn)故障，或出現(xiàn)得出數(shù)據(jù)與行業(yè)規(guī)范不一致的情況。這樣的系統(tǒng)都不會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。

　　對粉末涂層應用來說，還有兩個問題 - 清潔和樣品展示，這兩個問題在系統(tǒng)設計時也需要認真考慮。

　　清潔由于對多產(chǎn)品生產(chǎn)線來說，交叉污染是一個需要認真對待的問題。因此，工具的清潔設計應當簡單、有效。設計中必須沒有盲點，高品質的光面對減少產(chǎn)品黏著非常重要。為了在各批次生產(chǎn)之間徹底清潔系統(tǒng)，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，因為它容易隨著樣品線的堵塞而使顆粒附著在設備壁面上。為了生成代表性的粒度分布數(shù)據(jù)，可以進行適度的樣品分散，以確保顆粒進入測量區(qū)域時不會出現(xiàn)凝聚現(xiàn)象。

　　總結在粉末涂層行業(yè)，有效而恰當?shù)牧６确治鰧Ξa(chǎn)品的開發(fā)、過程操作以及質量控制都是不可或缺的。因此，選擇能夠滿足行業(yè)要求的在線分析儀是進行有效過程控制的理想選擇。這些分析儀為自動操作提供了可能，而且能夠實現(xiàn)相當高的過程效率。設計良好、適合應用的粒度分析儀對粉末涂層制造商來說至關重要，因為它可以實現(xiàn)產(chǎn)品的正確性能/價格特征，并由此幫助粉末涂層廠商進軍新市場。