激光粒度仪在粉末涂料行业的应用


来源:珠海欧美克仪器有限公司

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本文浅析了粉末涂料行业对激光粒度分析仪的需求及应用问题。编写本文的目的是使读者更加了解粒度测试基础知识。粉末涂料行业是对粒度分布要求比较严格的行业之一。本文侧重于介绍了粒度分布对粉末涂料性能的影响、激光粒度仪的原理及特点,为如何选择适合粉末涂料行业的粒度仪提供了一些参考意见。

 

01粒度分布对粉末涂料性能的影响

 

首先我们要清楚为何粉末涂料需要测试粒度分布这个物理量。综合来说,涂料颗粒的粒度分布对粉末涂料性能的影响有以下几个大方面:

涂料颗粒粒径影响其带电性能

 

粉末涂料喷涂时的粘附力主要来源于静电荷的库仑力。涂料颗粒粒径越大带电性越好,但是颗粒的重力随粒径加大的增长速度大于库仑力的增长速度。也就是说颗粒大到一定程度后,重力会远大于库仑力,导致上粉率和涂覆效果会变差。故理想状态下的粉末涂料颗粒粒径应该尽量控制在10μm-60μm之间。粉末涂料太细或者太粗,涂装施工效率、质量就会下降。

 

影响涂料的流平性

 

粉末涂料吸附在工件上被加热后形成高粘度的流体状态,然后逐渐流平固化。通过研究流平时间的NIX和DODGE公式:t=kμR/γ(t是涂料颗粒聚结时间、k是常数、R是涂料颗粒半径、γ涂料的表面张力、μ涂料粘度),我们可以知道涂料颗粒粒径跟流平时间成正比。粉末涂料的粒度分布不均匀或者颗粒太粗,将严重影响流平性。

 

影响涂层厚度

 

传统粉末涂料的平均粒径一般控制在30μm -50μm,涂层厚度一般在60μm -100μm之间。不同类型的工件需要的涂层厚度不同。同时涂层厚度也在很大程度上影响单位重量的粉末涂料能够涂覆的面积。因此粉末涂料的粒度分布可以说是直接影响涂料性能及经济性的重要参数。

 

影响涂料的储藏性能

 

根据部分行业专家的研究,粉末涂料存在一个临界粒径,大于这个粒径,粉末不易结块,反之则很容易结团。涂料产品的粒径不应该低于临界粒径,否则产品的储藏性将变得很差。

 

 

02激光粒度仪测量原理及特点

 

 


激光粒度分析仪是利用光的散射(衍射)现象进行粒度分析的.光的本质是一种电磁波。一束平行光在传播过程中遇到障碍物颗粒,光波会发生偏转,偏转的角度跟颗粒的大小相关。激光粒度仪通过检测激光束照射待测粉体后产生的散射光,用对应的数学分析模型就可以解算出粉体的粒度分布。

 

激光粒度仪是当前流行的粒度测试仪器之一,具有多项优点。首先是它的测量动态范围大。动态范围是指仪器能同时测量的大粒径与小粒径的比值。动态范围越大,测试宽分布样品的能力就越强,仪器适用范围就越广。其次是它的测量速度快、对使用环境要求不高。激光粒度仪测试一个样品全过程一般只需两、三分钟,仪器安置在无明显振动、干燥的室内即可。

 

●  测试范围:0.02-2000μm(湿法),0.1-2000μm(干法)

●  重复性:≤0.5%(标样D50偏差)

●  准确性:≤±0.6%(标样D50偏差)

▲ 欧美克Topsizer 激光粒度分析仪

 

激光粒度仪的重复性好,它利用光电检测技术速度快、精度高的优点,一次取样可进行超过1000次的高精度信号采样,因而测量的重复性精度高,平均粒径的典型重复性精度可达1%以内。粉末涂料颗粒的粒度分布范围及颗粒特点属于激光粒度仪的优势领域。而且由于激光粒度仪适用面广,还可以为涂料生产企业检测生产原料粉体(例如钛白粉、碳酸钙等)。  

 

03激光粒度仪在粉末涂料行业的应用实例

 

多数的粉末涂料粒度相关问题都是围绕着涂料的流平性、上粉率、回收率以及涂层厚度等基础性能问题产生的。下面我们以粉末涂料使用过程一个常见的涂装质量问题——橘皮现象为例,简单的分析探讨一下。

 

橘皮是粉末涂料成膜过程中,熔融涂料局部流动的涡流效应导致的质量问题。这种局部涡流也称为贝纳德的旋涡。粉末涂料熔融时粘度变化导致了表面张力的变化,这样便形成高粘度低表面张力的涂液下沉至涡流的中间(即后来的凹陷部位);低粘度高表面张力的涂液上升至涡流的周边(即后来的凸处部位)。

 

▲ 图5 橘皮表现及其产生原因示意图

 

粒径小的涂料小颗粒热容比大颗粒低,熔化时间比大颗粒短,聚结也较快。而粒径大的涂料颗粒则情况相反,熔化和聚结时间长,流平相对较差。如果涂料整体粒度分布不合理,就有可能导致局部涡流效应较强,使得涂层橘皮问题产生。

 

典型案例:某粉末厂的一款粉末涂料,客户反馈有轻微橘皮问题,而且只是部分批次工件有问题。检查喷涂工艺环节未发现问题原因。粉末厂检查该款粉末涂料生产过程后,确认配方及原材料无异动,排除了配方和原材料质量问题。调取生产记录资料,得知该款涂料用量大,是由三套同型号生产设备同时开工生产的,疑点焦距到了涂料挤出、粉碎分级过程。仔细检查三套设备的工况,发现其中一台设备磨机外壳温度高出另外两台设备。抽检该设备出产的粉末涂料粒度分布,发现虽然D50没有明显变化,但是D90变大明显。

 

▲ 图6 问题样品粒度分布

 

▲  图7 正常样品粒度分布

 

做喷涂试验后,可以看出该涂料确实存在轻微的橘皮现象,问题原因找到。粉末涂料的粉碎过程大致如下:原料进入粉碎室,在动磨盘和静磨盘的冲击、剪切、摩擦作用下被粉碎。分级室中,粉末涂料在惯性力和风力的双重作用下,粗颗粒返回粉碎室,成品则向外输出。通过调节磨盘间距、转速,调整引风量,就可以调整成品粉末涂料的粒度分布参数。对该套问题设备的磨机、分级机进行检修,发现存在磨盘损耗大的问题。维修并对磨机工作参数做相应调整后,出产粉末涂料粒度分布恢复正常,问题解决。

 

在这个案例中,能够迅速准确的定位和解决问题,检测精度高、重复性好的粒度仪发挥了至关重要的作用。如果仅仅靠工艺师的经验摸索,虽然也能解决问题,但是整个过程将变得繁琐;消耗的工时、成本增加是必然的。需要强调的是导致橘皮问题的因素不是单一的,粉末涂料的基础配方、流平剂的使用情况都会影响橘皮问题,大家在分析问题时需要综合考虑。在欧美克团队求学过程中,广东华江粉末科技专家蔡劲树蔡工跟我们分享了许多专业知识,在此也特别表示感谢。

 

04粉末涂料行业如何选择合适的激光粒度仪器


用户选购激光粒度仪器时,由于不太了解相关知识,往往会有些困惑。要选择性价比高适用性好的激光粒度仪产品,建议大家考虑以下指标:

1.重复性。指仪器对同一样品进行多次测量所得结果的重复误差水平,误差越小,则重复性越好。现行的激光粒度仪国际标准建议,用D50、D10、D90的重复性来衡量整体重复性。 

2.易操作性。仪器是否便于操作和保养,这决定了仪器的使用成本及效能。这方面干法激光粒度仪是有优势的。 

3.少维护性。采用一体化激光管专利及一体化底座设计,常规使用无需光路维护。干法窗口采用密闭管道式设计,结合窗口负压保护设计与大功率吸尘器粉尘回收装置,尽可能限度回收样品,使主机不受粉尘影响。模块化的进样系统设计,方便检修和维护。 

4.量程。仪器量程越宽,使用范围越广,但是量程宽也会导致仪器价格贵。根据需要选择合适量程的仪器才是理性的,我们建议仪器量程范围不小于0.1μm-750μm。 

5.行业影响力。企业都希望自己的测试结果能得到同行和客户普遍认可,这首先要考虑选择的仪器供应商在本行业中是否已经有丰富的测试经验及大量的客户群。 

6.售后服务。及时、长期有效的售后服务是保证客户仪器正常使用的重要保障措施。

 

根据上述的参考指标,我们总结出选择激光粒度仪的大致原则:选择同行普遍使用,市场占有率高的品牌机型;仪器供应商能够地处经济、交通发达地区提供售后服务便利;仪器供应商对粉末涂料行业了解较深,重视行业技术需求,仪器技术参数范围符合需求。只要按照以上几点原则处理,就能够找到适合自己的激光粒度仪。


 

05干法、湿法激光粒度分析仪应用差异简介 

 

干法激光粒度仪使用高压空气分散粉体,不容易与粉体发生化学反应或者溶解粉体。干法分散过程跟粉末涂料喷涂工艺环节较为接近,不需要对待测粉体做专门的分散前处理。因此,干法测试操作简单便捷,易于掌握。不足之处在于干法测试系统构成较为复杂、仪器整体造价较高,同时对亚微米级粉体颗粒分散效果不如湿法分散方法。

 

●  测试范围:0.1-1400μm

●  重现性:优于1%(标样D50偏差)

●  对中方式:智能自动对中,对中精度0.2μm

▲ 欧美克LS-909E 激光粒度分析仪

 

湿法激光粒度仪通常用水或者有机溶剂作为分散介质。液体分散介质粘度大,分散能力强。同时由于水是声波良导体,使用湿法测试还可以使用超声震荡、添加特殊分散剂等额外分散手段。这使得湿法测试能够自如应对较难分散的超细粉体。例如粉末涂料原材料中的超细钛白粉,目前就只有湿法测试才能可靠检测其粒度分布。

 

湿法激光粒度仪还有结构简单的特点,采购成本低于普通干法仪器。需要注意的是,粉末涂料是不亲水粉体,湿法测试时需要做分散前处理,用分散剂将粉末涂料转化成亲水的状态。常用的分散剂有浓度为0.5%的十二烷基苯磺酸钠水溶液。

 

干法激光粒度仪与湿法激光粒度仪适用的领域不完全相同,不能一概而论地说谁更先进。总的来说,湿法、干法仪器都适于粉末涂料行业,干法激光粒度仪测试性能及操作便利性略有优势,是当前行业新标准的适用仪器。


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