标题粉末涂层–优化粒度分布和研磨

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至：  Paint and Coatings Industry (Darlene R. Brezinski)

提交时间：2007 年 5 月

提交单位：Hilary Harris, Kapler Communications

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日期： 2007 年 2 月 1 日

代表：马尔文仪器有限公司

标题：粉末涂层 –

优化粒度分布和研磨

案号： MAL/JOB/1279

字数：                         

作者：Paul Kippax，产品经理

衍射系统

David Pugh

流程营销经理

Stephen Ward-Smith

产品技术专家 － 激光衍射

马尔文仪器有限公司，Enigma Business Park

Grovewood Road, Malvern, Worcestershire 

WR14 1XZ  UK

电话： 01684 892456 

传真： 01684 892789 

paul.kippax@malvern.co.uk   www.malvern.com

图：       X6 （文档最后是缩略图 － 高解析度版本单独提供）

图 1 采用离线分析的研磨机启动

图 2 采用在线分析的研磨机启动

图 3 切换至在线分析的研磨机，控制更严格

粉末涂层 –

优化粒度分布和研磨

作者：David Pugh，流程营销经理

Paul Kippax，衍射系统产品经理

Stephen Ward-Smith，产品技术专家 － 激光衍射

大约 30 年前，对于那些不想破坏环境，又能提供优质表面产品的涂层处理部门来说，粉末涂层技术的发展是一个重要的里程碑。现在，粉末涂层已经被广泛使用，尤其在耐用品市场上。汽车工业的进步更是为这一行业的长期发展带来了良好的前景。最近又开发出可以用于热敏介质（如木质和塑料）的低固化温度粉末，进一步扩大了其应用范围。

合理的价格、符合性能要求，一致的粉末涂层生产是主要的考虑因素，这使得有效的过程控制成为一个重要目标。粒度是粉末涂层的定义参数之一。它直接影响产品的加工性能和成膜光面的品质。因此，生产过程中对粒度的严格控制就显得尤为关键。本文中，我们将检验粒度对产品性能的影响，以及不同的粒度分析方法在优化粉末涂层生产中扮演的角色。

优化粒度分布

要生产具有理想性能的粉末涂层，需要了解粒度及其分布对操作性能、应用、固化处理以及光面的影响。

细微颗粒

“细微颗粒处理起来是很困难的，而且，细微颗粒的增加不仅意味着有患上呼吸系统疾病的危险，也会带来爆炸的可能。”

应用过程中，要准确控制细微颗粒更是难上加难。但是在静电应用系统中，它们很容易覆盖一个物品，因此常用于形成双面涂层。在介质表面，小颗粒会包得更紧，这就降低了对生产光滑涂层所需固化条件的严格要求。但是，细微颗粒也可能造成表面光洁度不足（橘皮效应）。这可能是因为固化过程中颗粒融化太快，或是表面电荷的聚集造成了“反喷”现象。

大颗粒

大颗粒流动顺畅，应用中相对容易控制。喷射时，它们的质量会带来很大的直线惯量，这对渗入物体边角处特别有用。但是在固化时，大颗粒需要相对较长的融化时间，而且融化也可能不完全。这会导致最终薄膜上有内含物，不利于外表的光洁和机械完整性。这样，在时间和温度方面，对大颗粒的固化次数会要求更高。

多分散性

如果粉末涂层具有相对较大的颗粒且粒度分布范围较广，那么，涂层介质表面的颗粒填充将会随着较小颗粒填补空隙而得到改善。这样，空气从涂层中排出，增加了整体导热性和固化过程中的熔体形成率。因此产生的高度交联会优化涂层的机械性能。多分散性较低时，涂层中可能会形成内含物，除非介质在足够长的时间内处于高温，使所有颗粒可以流动到一起。精细产品不会出现这种问题，因为，用粒度分布范围较窄的产品能够生产出光滑的膜层。

很大程度上，最终薄膜的性能是通过控制粒度和粒度分布来决定的。一般来说，粉末涂层的尺寸范围是 5 到 100 微米，尽管行业内存在这样一个长期趋势－ 较小颗粒对于生产目前需求很大的较薄薄膜是必须的。

优化粉末涂层生产

要制成粉末涂层，先要将聚合物、充电剂和其它添加剂在熔体中混合。然后经过挤压，形成碎片或小球。随后，这些碎片或小球经过一系列步骤被制成所需的粒度，这些步骤包括研磨、磨削以及分离/分类。粉末涂层是分批制造的，在包括大约十到十五条生产线的车间里完成，每条生产线的产品都不相同。产品换线和工艺流程启动频繁发生，产品污染也因此成为一个重要问题。例如，生产绿色产品的生产线上残留的红色产品微粒会破坏整批产品。因此，粉末涂层制造商的主要目标是：

• 优化产品的一致性

• 将产品换线时间缩到最短
• 避免污染
• 将研磨成本降到最低

要优化过程控制，采用传统的离线分析可能会面临诸多挑战。离线粒度分析对产品开发和质量控制是非常重要的。但是对过程控制，特别是当过程的响应时间相对较短时，其应用有很大的局限性。多样性和时滞使跟踪和快速过程变化的合理化毫无可能。所以，很难确定究竟是分析和取样品问题，还是过程本身的问题。当然，也可以选择内嵌式分析，或全自动在线系统。

在线粒度分析仪将分析与过程操作结合起来，更能满足工厂的需要，也有利于改进过程控制。对那些有多条生产线的生产车间来说，它提供了另外一种选择，即不必在每条生产线上都安装专门的分析仪即可加强控制。另一方面，在线检测能提供高度相关的连续数据流，允许发展最佳控制策略，执行自动控制。使用专门的在线系统，操作人员可以即时看到他们的操作结果，迅速将产品调整至新的规格。通过系统地研究各个变量变化的影响，可以极大地提高对过程的理解。在保证产品规格的同时，还可以优化操作。下面的例子阐述了转向在线分析对研磨控制，以及对过程效率的影响。

研磨机启动

图 1 显示的是一台在人工控制下启动的研磨机，采用手动离线分析。

红色圆圈表示取样时间，绿色圆圈表示研磨参数的变化。启动过程包括一系列重复步骤，其中包括以下各项：改变研磨参数、改变后操作稳定花费的时间、取样及分析。要将研磨机放置到能生产出符合规格材料的地点大约需要 50 分钟。

图 2 显示了处于同样人工控制下的研磨机，但是这次数据是从在线粒度分析仪中取得的。现在，由于操作人员可以立即评估各种变化的影响，迅速将研磨机移至要求的操作位置，因此只要 7 分钟就能启动。这种时间上的节约直接转化为不合格材料数量上的减少，以及随着批次生产时间减少而带来的能源节约。这一改变也增加了研磨机的通量，因为现在它有更多时间进行有效生产。当研磨机的启动频繁时，这些方面的节省会迅速扩大为巨大的成本收益。

更加严格稳定的状态控制

研磨是一个相当耗费能源的过程，因此，作为一种单元操作，制造商致力于在符合产品规格的条件下将研磨量降至最低。过度研磨会浪费能源，而且，如果颗粒过细（在粉末涂层中），产品亦会不符合规格。在粉末涂层的生产过程中，规格要求是非常严格的。因此，研磨机的操作人员必须在产品何时打磨充分，何时打磨过度之间精确控制。图 3 描述了切换到在线分析后，对研磨机控制的加强。

开始时研磨机是人工控制，并且依赖离线分析数据工作。操作期间的变动会产生很大影响；因此，先在偏离实际规格很远的情况下操作，以此确保实际操作中，样本不会偏离规格太远。一旦在线数据可用，研磨机控制有了改善，运行中的不稳定现象将会大大减少。随着研磨机控制置信水平的不断提高，生产过程也随之变化，会逐渐生产出恰好符合规格要求的材料。这样，过度研磨就会减少，浪费和能源消耗也随之降低。

研磨控制中的这种改进可以缩短那些确定接受研磨操作的工作带，因为在这些工作带之间的停留已经变得非常容易。这不仅使产品的一致性更好，还能够将研磨的可变成本降到最低。

优化分析仪设计

内嵌式分析和在线分析的潜在优势是显而易见的。但是，对它们的全面使用则需要选择恰当的系统，并且，对在线仪器的要求也相当高。分析仪必须可靠、设计稳定，而且和生产厂家的现有设备（比如在控制软件方面）兼容。由于主要目标之一是将人力投入降到最低，因此，维护需要也必须很低，分析必须是全自动的，代表数据也必须有效且与行业相关。高精度或需要复杂人工干预的系统很容易出现故障，或出现得出数据与行业规范不一致的情况。这样的系统都不会得到广泛的接受和正确的使用，后果将是极低的投资回报率。

对粉末涂层应用来说，还有两个问题 － 清洁和样品展示，这两个问题在系统设计时也需要认真考虑。

• 清洁

由于对多产品生产线来说，交叉污染是一个需要认真对待的问题。因此，工具的清洁设计应当简单、有效。设计中必须没有盲点，高品质的光面对减少产品黏着非常重要。为了在各批次生产之间彻底清洁系统，设备流路部件必须易于拆卸，材料结构也应该具有抗溶性。

• 样品展示

粉末涂层的玻璃转化温度较低。耗费能量的样品分散器已不再需要，因为它容易随着样品线的堵塞而使颗粒附着在设备壁面上。为了生成代表性的粒度分布数据，可以进行适度的样品分散，以确保颗粒进入测量区域时不会出现凝聚现象。

Malvern Insitec 的激光衍射分析仪为您提供了针对内嵌式或在线粒度分析的集成解决方案。Insitec ALISS 为内嵌式应用提供了易于使用的选择，而 Insitec Voyager 是一种移动设备，可以根据在线分析的需要进行临时安装。对于在线粒度的专门测量，Insitec 也提供了一系列全面集成的连续分析解决方案。

总结

在粉末涂层行业，有效而恰当的粒度分析对产品的开发、过程操作以及质量控制都是不可或缺的。因此，选择能够满足行业要求的在线分析仪是进行有效过程控制的理想选择。这些分析仪为自动操作提供了可能，而且能够实现相当高的过程效率。设计良好、适合应用的粒度分析仪对粉末涂层制造商来说至关重要，因为它可以实现产品的正确性能/价格特征，并由此帮助粉末涂层厂商进军新市场。

结束

图：

图 1 －采用离线分析的研磨机启动

图 2 采用在线分析的研磨机启动

图 3 切换至在线分析的研磨机，控制更严格