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粒度分布与研磨的优化

作者:   |  发表于:2013-03-01   |  关键词:

大约在30年前开发出来的干式粉末涂料技术,是一种装饰性能极佳的环保型工艺,堪称是涂料工业发展历程中的一座重要的里程碑。如今,粉末涂料的应用非常广泛,尤其是在耐用消费品市场上,汽车工业为其长期发展提供了一个诱人的远景。近来,适用于像木器和塑料之类热敏感型基材的低固化温度粉末的发展,进一步拓宽了它的应用范围。

稳定生产具有期望性能的粉末 - 当然要以合理的价格 - 是人们最为关心的一个问题,这就对有效的工艺控制提出了高要求。颗粒度是粉末涂料的决定性参数之一,直接影响着产品以及最终固化涂膜的处理性能。因此,在生产过程中严格控制颗粒度,是至关重要的。在本文中,我们将讨论颗粒度对于产品性能的影响,以及不同的颗粒度分析方案对于优化粉末涂料生产所能够起到的作用。



颗粒度分布的优化

为了生产出具有期望性能的粉末涂料,需要了解颗粒度和粒度分布对于搬运性能、涂装和固化工艺、装饰面等的影响。


细颗粒


细颗粒可能在搬运方面造成困难,另外,微粒过多不仅会增加对呼吸系统的危害,而且还有爆炸的危险。

在涂装时,准确地控制细颗粒可能更加困难。但是,在静电涂装体系中,细颗粒有包围在一件物体四周的趋势,对于双面涂装很有帮助。在基材表面,小颗粒更容易集中在一起,降低了为得到平滑的最终涂层而对固化条件的苛刻要求。当然,细颗粒可能会由于固化时熔化速度过快或涂装时电荷积聚在表面产生“反跳”而造成表面装饰效果变差(桔皮现象)


粗颗粒

粗颗粒一般流动性能好,涂装时相对容易控制。粗颗粒质量较大,在喷涂时具有很大的直线惯量,尤其对于渗透到物体的角落部位很有帮助。但是,在固化时,粗颗粒需要较长的时间才能熔化,而且熔化可能不彻底,这会导致最终涂膜中存在夹杂,影响到外观和整体力学性能。因此,粗颗粒的固化对于时间和温度的要求都更加严格。



多分散性

如果某种颗粒相对较大的粉末涂料具有很宽的粒度分布范围,那么颗粒在基材表面的填装效果就会得到改善,达到像小颗粒填充空隙那样的效果。这样就能够从涂膜中排除空气,提高了固化时的总体导热性和熔化速度,从而提高了交联度,改善了成品涂膜的力学性能。而如果多分散性较低,就会有在最终涂膜中产生夹杂的趋势,除非基材长时间保持高温以使所有颗粒能够流动聚拢。颗粒较细的产品不会产生这一问题,即使粒度分布范围较窄也能够得到平滑的涂膜。

通过调节颗粒度和粒度分布,可以在相当大程度上控制最终涂膜的性能。总的来说,粉末涂料的粒度分布在5微米到100微米范围内。当然,行业中长期存在着减小颗粒度的趋势,这是为了满足如今对于更薄涂膜的要求。



粉末涂料生产的优化

粉末涂料的制备,是在熔体中混合聚合物、荷电剂和其他助剂,然后挤出形成块状或者球形,再经过一系列碾压、研磨及分选/分级步骤而得到需要的颗粒度。粉末涂料一般是在也许有10条到15条不同生产线的工厂进行分批生产,每条线均生产多种不同产品。产品的转换和工艺的启动都很频繁,所以,防止产品污染是一个重要问题。比如,哪怕只有一小块红色产品混入一批绿色产品,都可能使整个一批产品报废。对于粉末涂料生产商而言,最重要的目标是:

优化产品的稳定性;

尽可能减少产品的转换次数;

避免污染;

使研磨成本降至最低水平。


采用传统的离线分析手段来优化工艺控制,难度可能较大。离线颗粒度分析对于产品开发和质量控制具有不可估量的作用,但是,它对于工艺控制的适用性却比较有限,特别对于那些响应时间相对较短的工艺来说更是如此。工艺条件的多变性和时间上的滞后性,使离线分析不可能跟踪并且控制工艺的快速变化,而且也难以判定问题出在分析、取样上还是出在工艺本身。备选方案是线上分析或者全自动在线系统。

线上颗粒度分析仪将分析与工艺操作结合在一起,从而更适合于对设备的需要做出响应和改善工艺控制。对于有多条生产线的工厂,它能够改善控制,但又无需为每条线都安装专用分析仪,是一个切实可行的方案。相比之下,在线测量系统能够连续获得高度相关的数据流,能够制定最优化的控制模式,实现全自动控制。依靠专用的在线系统,操作人员可以立刻看到他的操作结果,可以迅速将产品调整到新的规格。通过系统性地研究改变不同参数的效果,能够深入地了解工艺,在保证产品标准的前提下优化操作。以下两个实例说明了改用在线分析对研磨机控制的效果以及对提高工艺效率的作用。


研磨机的启动

1展示了根据离线分析而人工控制研磨机启动的情况。红圈代表取样的次数,绿圈代表研磨机参数的修改。启动阶段包括了一系列的迭代步骤,每个步骤中都有修改研磨机参数、运行一定时间使其稳定在新参数下、取样、分析等内容。从启动到开始稳定生产需要规格的产品,大约需要50分钟。

2展示了同样的人工控制启动过程,但这时是根据在线颗粒度分析仪的结果而进行操作。现在,启动过程只用了7分钟,因为操作人员能够立刻掌握任何修改的结果,很快就能够达到需要的操作点。由此节省的时间,意味着减少了不合格产品,而且由于缩短了批次生产时间而降低了能耗。这一改变还提高了研磨机的产量,因为生产性运行时间大大增加。在研磨机需要频繁启动的情况下,这些优点将会很快在明显的成本收益上体现出来。


严格的稳态控制

研磨是能耗很高的工艺过程,因此,当它被用作独立系统时,生产商总是要寻求将研磨的程度在产品标准所允许的范围内降低到最低水平。过度研磨既浪费能源,而且在过量的细颗粒会带来问题(比如对于粉末涂料)的情况下,还会使产品变得不合格。在粉末涂料的生产中,严格的标准至关重要,研磨机操作人员必须将工艺控制在最低研磨要求和过度研磨这两个限度之间。图3展示了改为在线分析后研磨机控制的准确性。

最初,研磨机是依靠离线分析结果而进行人工控制的,操作中的波动十分明显;为了在两次取样之间保证不生产出不合格材料,研磨机的操作只能远离实际标准。一旦能够获得在线数据,研磨机的控制就大为改观,性能的波动变得远小于规定的范围。随着研磨机控制可靠性的增加,可以做到修改操作参数以便生产出刚好达到要求规格的材料,从而避免了过度研磨,减少了材料的浪费,节省了能源的消耗。

可以利用研磨机控制的这一改进使可接受的操作范围变得更窄,因为稳定在允许范围内变得非常容易。这不仅会使产品质量更加稳定,而且还能够降低研磨机的运行成本。


分析仪设计的优化

线上分析仪和在线分析仪的潜在优点都是显而易见的,但要想充分发挥出这些优点,需要对系统进行正确的选型。对于在线分析仪的要求非常高,它必须可靠,结实,适应工业生产条件,在控制软件等方面与生产厂的现有设备相互兼容。由于减少人工输入很可能会是主要目标之一,分析仪的维护要求必须很低。分析必须是全自动进行的,数据的给出必须有效而又有针对性。需要准确的或者说复杂的人为介入的系统,往往容易出现问题,或是给出不符合行业规范的数据;这样的系统肯定不会被接受和正确地使用,最终会是一项失败的投资。

对于粉末涂料的生产,还有两个方面也需要在分析系统的设计中予以关注,即清理和取样。

清理

对于多生产线配置来说,防止交叉污染是一个相当重要的问题,因此,仪器的清理必须简单而且高效。设计上必须消除死角,而且必须有高质量的表面加工以减少产品的附着。为了能够在不同生产批次之间彻底清理分析系统,仪器流道部件必须拆卸方便,制造材质必须耐溶剂腐蚀。


取样

粉末涂料的玻璃态转变温度一般都比较低,不需要耗能高的样品分散,但它容易附着在仪器壁上,逐渐堵塞甚至堵死样品线。为了获得具有代表性的粒度分布数据,对样品进行适度的分散能够确保颗粒在没有聚团风险的情况下被送至测量区域。

 Malvern Insitec激光衍射分析仪为线上和在线颗粒度分析提供了综合性方案。InsitecALISS是一种使用方便的线上分析仪;InsitecVoyager是移动式分析仪,可以根据需要临时作为在线分析仪使用。对于专门的在线粒度分析,有多种Insitec系统可以为连续分析提供全面的综合性方案。


结论

在粉末涂料领域,有效而又准确地分析颗粒度是产品开发、工艺优化和质量控制所必不可少的。能够满足行业要求的在线分析仪,是有效工艺控制的最佳选择,可以实现自动化操作,显著提高生产效率。设计合理、满足具体应用要求的颗粒度分析仪,在帮助生产商提高产品性价比方面起着重要作用,能够为粉末涂料技术开拓新市场而发挥力量。




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