粉末涂料流動性的真實含義

1、成品粉末流動性能測試及其意義Testing Method and Significance for Powder Products Flowability徐衛(wèi)華 陳榮華(常州馳勵粉體材料有限公司)摘要：粉末涂料的流動性是粉末涂料重要的應(yīng)用性能，文章詳細討論了粉末涂料流動性的意義，影響流動性的因素以及如何評估粉末涂料的流動性。1 前言在粉末涂料長期的應(yīng)用實踐中，幾乎所有客戶都會關(guān)注一個看似普通卻又無法回避的問題，即粉末涂料的噴涂面積究竟有多少？同樣的顏色和配方體系，不同的粉末涂料生產(chǎn)商所提供的產(chǎn)品往往存在極大的差異，而造成這種差異的原因很多，客戶在使用過程中能夠清楚地感知這種差異，卻很難用科學的

2、方法分析和檢驗這種差異。其實噴涂面積大的粉末涂料產(chǎn)品都有一個很明顯的特征，即具有很好的自由流動性，意味著粉末涂料在使用過程中疏松、易于流化，從供粉桶至噴槍的傳送輕便，且從噴槍出來的粉末霧化很好，沒有結(jié)團或吐粉現(xiàn)象。我們曾經(jīng)用激光粒徑分析儀和電子顯微鏡對眾多廠商提供的粉末涂料進行檢測和觀察，并從中發(fā)現(xiàn)了一些規(guī)律性的現(xiàn)象，試驗結(jié)果見表1和圖1。表1 粉末涂料粒子的基本特征品種粉末形狀粉末聚集態(tài)10µm粒子含量%平均粒徑µm外觀松散度高流動性粉末近似橢圓，形狀規(guī)整分散，不團聚103538好，易流動低流動性粉末形狀不規(guī)則顆粒粘連152532差，不松動 低流動性粉末 流動性較好的粉末

3、圖1 粉末涂料粒子的基本特征 如圖1所示，在低流動性粉末中形狀不規(guī)則的粉末顆粒較多，細粉含量也很高。這種粉體其顆粒間的摩擦力大，在壓縮空氣作用下的流化性能較差，輸送速度和輸出量相對較小。仔細觀察可以發(fā)現(xiàn)，該類粉體經(jīng)二次氣霧化后的噴霧形狀不能散開，呈直線射流，粉末的一次上粉率不高，噴逸的粉末大量掉落在粉房內(nèi)，增大了回收系統(tǒng)的工作負荷。圖1中高流動性的粉末有著與前述粉體大不相同的噴涂特性，流化和霧化性能都非常好，能夠滿足流水線噴涂對粉末涂料基本特性的要求，大量減少噴涂易損件如噴嘴導向帽送粉管文丘里管等的損耗，從而節(jié)省設(shè)備維修費用。因此提高粉末涂料的自由流動性對于涂裝企業(yè)來說非常重要。2 粉末涂料粒

4、徑及控制方法2.1 粒徑的基本理論微細粉末顆粒的粒徑是表征粉末涂料性能的一個基本指標，“粒徑”的字面意思是指顆粒的直徑，如果顆粒為球形或近似于球形(如圖2)，描述顆粒直徑或顆粒大小就比較簡單明了，但粉末涂料很難制成標準的球形粒子，較好的情況是近似于橢圓形，絕大多數(shù)情況下粉末涂料是如圖1所示的不規(guī)則形狀。圖2 球形或近似球形的顆粒要客觀準確地描述圖1所示不規(guī)則顆粒的粒徑是比較困難的，有文獻這樣描述粉末粒子的粒徑：不規(guī)則顆粒的直徑是通過顆粒重心連接顆粒表面兩點之間線段的長度。在這種情況下粒子的直徑不是單一的，而是一個分布范圍，即連續(xù)地從粒徑上限值變化到粒徑下限值的范圍，此時的粒子直徑只能是所有粒子

5、直徑的統(tǒng)計平均值。因此不規(guī)則顆粒的粒徑和測量方法涉及到數(shù)學計算模型，從數(shù)學理論出發(fā)，常用的粒徑計算方法有三種：(1)幾何平均值；(2)算術(shù)平均值；(3)調(diào)和平均值。粒徑分布是指粉末粒子中大小不同的各種顆粒占顆?？倲?shù)的比例。在實際工作中人們常用累積值表示粒度分布，稱為累積分布，表示粒度從無限小到某代表值粒徑之間所有顆粒重量占顆粒總重量的百分比。由于粉末樣品中的所有顆粒都具有相同的真密度，所以粒徑的重量分布和體積分布是一致的，故也可稱為體積分布。通常情況下各類儀器繪出的粒度分布都是重量分布或體積分布。目前許多粉末生產(chǎn)廠家還是以“目”為單位表示粒徑?！澳俊笔侵竼挝婚L度上篩孔的個數(shù)，目數(shù)越大說明篩孔直

6、徑越小，能通過篩孔的最大顆粒直徑就越小。用“目”表征粉體粒徑分布的方法是，將目數(shù)不同的1020只篩網(wǎng)壘在一起，至上而下目數(shù)依次增加，篩網(wǎng)的目數(shù)相差20目，稱取一定量的粉末加入最高層的篩網(wǎng)中，開啟振動，在重力作用下粉末顆粒依不同的大小停留在各層篩網(wǎng)上，稱取每只篩網(wǎng)上的粉末質(zhì)量，對應(yīng)篩網(wǎng)的目數(shù)作記錄，可以得到粒徑分布圖表，由此可以判斷粉末顆粒大小是否符合要求。粉末涂料的顏色、花紋體系比較復雜，在計算篩網(wǎng)目數(shù)時存在很大的偏差，例如黑色粉末通常比白色粉末比重小，同樣大小的顆粒質(zhì)量卻大不相同，若黑色和白色粉末的粒徑分布相同，通過篩分和統(tǒng)計得到的數(shù)據(jù)就不可能一致，無法準確反映粉末顆粒的實際大小。另外篩分法

7、分析過程耗時太長，分析結(jié)果與粉末的狀態(tài)(聚集態(tài)、比重及材質(zhì)等)有關(guān)，測定結(jié)果的重現(xiàn)性差，現(xiàn)在粉末涂料生產(chǎn)企業(yè)已極少有人再用。2.2 粒徑分布及其描述方法目前許多廠家采用激光粒度分析儀來測量粉末涂料的粒度分布，測試結(jié)果如圖3所示。圖3 激光粒度分析結(jié)果的表述粒度分布圖及粒度分布表圖3是激光粒度分析結(jié)果最常見的表達方式，即粒度分布曲線圖和粒度分布表。熱固性粉末在發(fā)展的過程中，除擠出混煉工藝及設(shè)備不斷改進外，粉碎研磨設(shè)備和工藝也在不斷進步，從最初的球磨法到目前普遍采用的空氣分級法，生產(chǎn)工藝的改進為粉末涂料的粒徑控制提供了可靠的保證，具體的工藝流程和設(shè)備不在此贅述。2.3 控制成品粉末自由流動性的方法

8、2.3.1 低溫粉碎粉末涂料的主要成份是樹脂，且樹脂的分子量較低，一般只有幾千，軟化點一般不超過115，環(huán)氧樹脂的軟化點僅90左右。粉末涂料用樹脂的玻璃化溫度Tg則更低，一般在58左右。目前粉末涂料的研磨粉碎大多采用ACM磨，粉碎與粉末分級同時進行。在粉碎過程中大量空氣通過磨腔，使物料和磨體的升溫幅度很小。在實際使用過程中我們發(fā)現(xiàn)，ACM磨長時間工作或在炎熱的夏季工作，粉末涂料的生產(chǎn)效率明顯下降，篩網(wǎng)出來的粉末溫度偏高，若立即包裝粉體很快就會結(jié)塊，使粉體的涂裝施工性能惡化。這種粉末在電子顯微鏡下觀察，粉末形狀不規(guī)則，許多粒子呈鋸齒狀，粒子間嚴重粘連。國產(chǎn)ACM磨進風口很短，空氣沒有經(jīng)過處理直接

9、進入磨體；與之相比，國外ACM磨的進風口很長，空氣進入磨體前經(jīng)過冷卻處理(一般在15以下)，保證磨出的粉末溫度不高于25，遠低于粉末的Tg，從而避免粉體的結(jié)塊。因此我們建議國內(nèi)制粉設(shè)備企業(yè)改進ACM磨的進風管，加裝冷凍裝置。粉末廠則可在ACM磨進風口處加裝冷卻空調(diào)或?qū)Ｓ美滹L機?，F(xiàn)已有許多粉末生產(chǎn)企業(yè)采用這種方法，效果很好。另外，在條件許可的情況下，制粉廠擠出的半成品片料應(yīng)盡量冷透，不要立即粉碎。2.3.2 后混流動助劑為了提高粉末涂料的流動性，人們一般在擠出片粉碎的同時加入氣相二氧化硅。由此制成的粉末涂料在電子顯微鏡下觀察，粉末顆粒之間不粘連，顆粒感強，原因在于粉末粒子之間漂浮或流動著粒徑更細

10、，比重更小的膠體狀二氧化硅微粒，這些微粒發(fā)揮了滾珠軸承的作用，有效防止了粉末涂料的結(jié)塊。常用的氣相二氧化硅有：美國卡博特(CABOT)的M-5、EH-5；德國德固薩(DEGUSSA)的Aerosil 200和Aerosil 972；德國瓦克(WACKER) 的H-15和N-20。適于粉末涂料的氣相二氧化硅從化學結(jié)構(gòu)上分為親水型和疏水型兩種，疏水型二氧化硅對粉末涂料帶電性能的提高要比親水型的好，它們的具體技術(shù)指標見表2和表3。表2卡博特氣相二氧化硅特性參數(shù)產(chǎn)品牌號M-5H-5HS-5EH-5外觀白色微粉白色微粉白色微粉白色微粉比表面積，m2/g200±25300±25325&

11、#177;25380±25pH值(%水溶液)3.74.33.74.33.74.33.74.3加熱損失(105)，%1.51.51.51.5燃燒損失(1000)2222堆積密度，g/L40404040注：M-5和EH-5可用于粉末涂料。表3德固薩氣相二氧化硅特性參數(shù)產(chǎn)品牌號Aerosil 200Aerosil 300Aerosil 972(疏水型)Aerosil 974外觀白色微粉白色微粉白色微粉白色微粉比表面積，m2/g200±25300±30110±20170±20pH值(%水溶液)3.64.33.64.33.64.3*3.44.3*原生粒子

12、直徑，nm1271612燃燒損失(1000)1222堆積密度，g/L約50約50約50約50*在水和乙醇比例1:3條件下測定。氣相二氧化硅是四氯化硅通過火焰水解而得到的極細的無定型二氧化硅，由球狀微粒組成，平均粒徑在740nm。疏水型二氧化硅對改善粉末涂料的生產(chǎn)工藝效果很好，通常在粉碎時添加粉末總量的0.1%0.2%即有理想的效果。如此少的氣相二氧化硅對粉末涂料的成膜性能和固化過程中的流動性能幾乎沒有不利影響，有時候還能增加涂膜的邊緣包覆能力。但過多加入氣相二氧化硅將帶來負面影響，從氣相二氧化硅的物理性質(zhì)看，膠體狀的氣相二氧化硅非常細微，具有極強的飛散性，比表面積特別大，容易飄浮，所以準確定量

13、加入氣相二氧化硅是很困難的。為此人們開發(fā)了專用設(shè)備，可根據(jù)制粉企業(yè)的實際工況精確添加氣象二氧化硅。針對國內(nèi)粉末生產(chǎn)企業(yè)的實際情況，我們提出以下3種添加方法： 粉末生產(chǎn)量較少(數(shù)十公斤或100200kg，可將預(yù)先計算并稱量的氣相二氧化硅和粉末半成品機械混合，然后再進行粉碎。 在粉碎機進料段加開進料口，以專用加料機(如常州馳勵公司的CL-67系列) 將氣相二氧化硅定量地加入，完成與擠出半成品的共同粉碎。 在ACM磨的空氣進風口罩上加開進料口，利用負壓，將氣相二氧化硅從供料機中送入磨腔，與擠出半成品一起粉碎。 2.3.2 控制粉末粒徑分布ACM磨具有調(diào)節(jié)粉末粒徑的功能，不同品種的粉末片料在不同的環(huán)境

14、條件(氣溫、季節(jié)、濕度等)下進行粉碎時，可以通過調(diào)節(jié)片料輸入量、主副磨轉(zhuǎn)速、引風機風量等進行粒徑控制，并采用激光粒度分析儀適時監(jiān)測粉末粒徑的分布狀況。粉末粒徑分布測試圖表的分析應(yīng)應(yīng)著重于以下幾個方面： 平均粒徑：一般以Dv50表示，是指大于和小于該粒徑的粉末粒子各占50%，普通粉末涂料的Dv50為3035µm左右。 細粉含量：一般是指小于1015µm的粉末粒子占粉末粒子總體積的百分比，普通的平面粉末涂料細分含量應(yīng)控制在10%以下。 粗粉含量：是指大于粒徑90µm的粉末粒子占粉末粒子總體積的百分比。過粗的粉末粒子(如>115µm)應(yīng)該避免出現(xiàn)。 圖形

15、分布狀況：理想的粒徑分布應(yīng)當是標準的正態(tài)分布，我們的粉末產(chǎn)品經(jīng)常會出現(xiàn)單峰或是雙峰分布，有的峰形高聳，有的峰形平坦。根據(jù)實際經(jīng)驗，常規(guī)粉末的粒徑分布參數(shù)控制如下： 高壓靜電噴槍用粉末：Dv50=3538µm，小于10µm的細粉8%，大于90µm的粗粉3%。 摩擦槍用粉末：Dv50=4045µm，10µm的細粉含量6%，粗粉70µm的粉末粒子總量90%。 流化床用粉末：Dv50一般在5060µm。10µm的細粉含量4%，170µm的粗粉含量3%。粉末涂料的噴涂性與細粉含量有很大關(guān)系，細粉(尤其是<5&

16、#181;m的超細粉)的帶電性能非常差，甚至無法帶上電荷，這部分粉末通常會進入回收系統(tǒng)而成為直接的損耗。我們曾經(jīng)測試過許多家粉廠的粉末產(chǎn)品，絕大多數(shù)粉末涂料的粒徑偏細，平均粒徑多在2532µm，10µm的細粉大多在15%左右，而75µm的粉末粒子又偏少。相對于高壓靜電粉末涂料而言，摩擦槍用粉末的粒徑控制更加嚴格，原因在于粉末粒子必須以一定的速度與槍管內(nèi)壁的聚四氟乙烯材料劇烈摩擦才能帶上足夠的正電荷。如果粉末粒子太細，與管內(nèi)壁摩擦的面積就小，不足以產(chǎn)生和保持足夠的正電荷。摩擦帶電噴涂系統(tǒng)中噴槍和工件之間沒有靜電場，粉末要沉積到工件上，主要依靠粉末摩擦所帶的電荷量，若

17、粉末帶電量小，靜電吸引力低，粉末就不易吸附到工件上。實驗發(fā)現(xiàn)，5µm的粉末粒子通常在摩擦槍噴涂系統(tǒng)中無法使用。另外用于摩擦槍的粉末必須盡量干燥，配方用流動助劑應(yīng)選用氣相法氧化鋁，以增加粉末涂料的摩擦帶電性。4 粉末流動性的評估評價粉末表觀質(zhì)量的第一要素即是粉末流動性，許多噴槍手都有這樣的經(jīng)驗，即干爽流動性能好的粉末噴涂速度快，粉末沉積均勻，回收粉量少且能夠充分使用。但長期以來，粉末界對如何測試或評價粉末的流動性能沒有一個明確的規(guī)定或測試標準，測試安息角或觀察粉末在流化桶中的流動狀況只能簡單評估粉末的流動性。安息角測試過程中漏斗的內(nèi)角、材質(zhì)、管徑、管口/接粉平臺的距離等因素嚴重影響著測

18、定結(jié)果的準確性。操作臺的輕微振動、漏斗的加粉角度和速度及操作現(xiàn)場的風力等也會影響測定結(jié)果，這種方法的重現(xiàn)性不好。我們根據(jù)ISO8130粉末涂料流動性實驗方法標準研制的粉末流動性測試儀在很大程度上提高測試精度(見圖1)，其測試粉末涂料流度的方法和程序是如下：(1)接通壓縮空氣至接口D；(2)將流化杯底部的流出小口用膠帶紙封好或橡膠塞封好.；(3)稱取待測粉末樣品250g置于流化桶G中；(4)打開旋鈕2至壓力表B的刻度指示為13kgf；(5)調(diào)節(jié)流量計按鈕至200 L/h，使粉末流化2030s，采用帶刻度的塑料直尺測試粉末層最大高度，測量三個點取其平均值，記為h1，以cm表示，精確到mm；(6)關(guān)閉流量計按鈕，使流化杯中的粉末靜置10s，再次測定粉末層高度，測試三點取其平均值，記為h0；(7)重新開啟流量計至壓縮空氣流量在200L/h，使粉末充分