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采用粉体流变仪理解涂料喷涂性能

作者:Doug Millington-Smith博士,首席应用专家, 英国Tewkesbury的富瑞曼科技有限公司   |  发表于:2016-03-17   |  关键词:粉末涂料,   | 摘自: 2016年美国PCI中文版电子杂志2-3月刊

粉末涂料具有许多的优点,包括能更高效的涂装、减少浪费,并且不需要使用溶剂,因此也就没有相关的VOC排放问题。环境友好并且在经济上具有吸引力的粉末涂料成为传统液体涂料的替代品,因此许多制造商都在考虑将粉末涂料拓展到更广泛的应用领域。然而,为了优化涂装,提高产品质量,了解粉末在运输、储存过程中以及最终工艺中表现的性能至关重要。粉末是固体、液体和气体的复杂混合物,它们的性能也的确能够体现他们的工业价值,但是要表征和预测它们的性能也很困难。虽然有许多传统的方法可用于测试粉末,但人们很快就发现了这些方法的局限性,因为应用要求变得越来越苛刻,对相关工艺条件下粉末性能进行测试的重大意义已经成为人们的共识。

涂料喷涂遇到的挑战

喷涂涂料的时侯,将流化前的粉末从供粉装置内抽出,并通过一个带电的喷嘴喷到基材上。至关重要的是,粉末微粒必须一直保持有效的流化状态,不会形成团聚物而堵塞喷嘴,从而影响单个颗粒的带电。这会导致最终的附着力差或在基材表面形成团聚物。从供粉装置出来后的均匀流动也非常重要,因为出现任何不稳定的流动都将影响流化过程,并导致产品分布不匀。

识别出高性能的粉末就能区分出好的原材料或对新配方进行优化,也无需在工艺中运行样品来评定适用性。这样大大节省了时间和资源,并最大限度地减少因为不合格而被退回的产品的数量。

评估工艺性能和产品质量

本文提出了一项采用电晕充电喷涂系统的三种聚合物粉末的案例研究。尽管,这三种粉末在粒径和粒径分布方面几乎一致,但是在工艺方面的表现迥然不同。样品A被归类为“良好”,因为它能很好地通过喷嘴并一致地附着在基材上。样品B被认为是“可以接受的”,而样品C在这两个关键性能上的表现并不佳;它经常堵塞喷嘴并且在随后的运输过程中从基材的表面上脱落。

用FT4粉体流变仪对三种粉末样品进行了分析。在测试结果中发现了清晰并可重复的差异,这些使得过程中的变化变得合理化。此外,这些数据为评估未来的原材料和配方提供了依据。

测试结果分析

样品A产生的基本流动能(BFE)和特别流动能(SE)的数值是最高的(图1),它们都说明了样品A具有较大内聚力,较高的颗粒间摩擦力和机械咬合力。与此相反,样品C产生的基本流动能和特别流动能是最低的。这表明,一定程度的颗粒间内聚力是在基材上形成均匀涂层所需要的。

图1

样品C在三个样品中的压缩性最好(图2),这也表明了它对施加的应力更加敏感。压缩性高的粉末在自己的重力下更容易团结,因此在储存后需要流动时更容易出现问题。它们也可能更容易团聚,这对许多装置的操作通常是不利的,肯定也会对喷涂过程中的喷雾和充电阶段产生负面影响。

图2

图3

当样品中充入一定量的空气时,样品A对粉末床产生最低的压力降(图3)。这表明具有较高的透气性,这通常是与自由流动的材料相关。我们知道透气性差会导致不稳定脉动气流,这可导致流化腔内粉末分布的不均匀性,因而导致流化粉末的不一致流动。

有趣的是,在对三种粉末的剪切盒实验结果中没有发现差异。图4所示的三种屈服轨迹与测得的剪切应力值几乎一致,所有相对标准偏差都在2.5%以内。剪切盒测试在静态时固结状态的粉末如何轻松地开始流动。这里的结果表明,测试条件与喷涂过程中普遍存在的动态低应力环境没有关系。

结论

样品A具有最高的基本流动能、特别流动能、透气性,以及最低的压缩性。这表明,一定程度的内聚力对于形成均匀的涂层是需要的,容易结块以及不稳定的流动对工艺可能是有害的。样品C,具有最低的基本流动能和透气性及最高的压缩性,在储存和输送期间最易压实,从而更可能形成结块而堵塞喷嘴,并导致不一致的带电。

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这里介绍的案例研究说明了在模拟工艺环境条件下测试粉末的重要性。喷涂通常是一种低应力的动态过程,只需少量粉末被存储、传送和流化。为了理解粉末在这些条件下的性能表现,试验中的样品也要必须经受相同的多样化条件。剪切盒试验结果没有差异,更加的需要提供与工艺相关的信息。同样,没有哪个单独的参数或者试验方法能够描述粉末在一系列条件下的表现。两种粉末在工艺过程中的某一阶段可能会出现类似反应,但在另一阶段的表现完全不同。这进一步强调了需要确定能代表工艺的某个部分的试验。例如样品A和样品B的压缩性试验结果非常相似,但基本流动能却明显不同。这表明,在受到施加的应力时这两个样品可能具有相似的压缩性,但处于强制流动状态时的反应则会不同。

粉体流变仪能够提供多种方法来进行粉末性能表征,它可以对三种非常相似的粉末的性能进行量化,并解释它们为什么在典型的喷涂过程中的表现却如此不同。

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