文章提交

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

提交時(shí)間：2007 年 5 月

提交單位：Hilary Harris, Kapler Communications

           Suite 2, Cressner House, 12 Huntingdon Street

           St Neots, Cambs PE19 1BD  UK

電話：+44 (0) 1480 471117 傳真： +44 (0) 1480 471118

hilary@kapleronline.com

日期： 2007 年 2 月 1 日

代表：馬爾文儀器有限公司

標(biāo)題：粉末涂層 –

優(yōu)化粒度分布和研磨

案號(hào)： MAL/JOB/1279

字?jǐn)?shù)：                         

作者：Paul Kippax，產(chǎn)品經(jīng)理

衍射系統(tǒng)

David Pugh

流程營(yíng)銷經(jīng)理

Stephen Ward-Smith

產(chǎn)品技術(shù)專家 － 激光衍射

馬爾文儀器有限公司，Enigma Business Park

Grovewood Road, Malvern, Worcestershire 

WR14 1XZ  UK

電話： 01684 892456 

傳真： 01684 892789 

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

圖：       X6 （文檔最后是縮略圖 － 高解析度版本單獨(dú)提供）

圖 1 采用離線分析的研磨機(jī)啟動(dòng)

圖 2 采用在線分析的研磨機(jī)啟動(dòng)

圖 3 切換至在線分析的研磨機(jī)，控制更嚴(yán)格

粉末涂層 –

優(yōu)化粒度分布和研磨

作者：David Pugh，流程營(yíng)銷經(jīng)理

Paul Kippax，衍射系統(tǒng)產(chǎn)品經(jīng)理

Stephen Ward-Smith，產(chǎn)品技術(shù)專家 － 激光衍射

大約 30 年前，對(duì)于那些不想破壞環(huán)境，又能提供優(yōu)質(zhì)表面產(chǎn)品的涂層處理部門來(lái)說(shuō)，粉末涂層技術(shù)的發(fā)展是一個(gè)重要的里程碑�，F(xiàn)在，粉末涂層已經(jīng)被廣泛使用，尤其在耐用品市場(chǎng)上。汽車工業(yè)的進(jìn)步更是為這一行業(yè)的長(zhǎng)期發(fā)展帶來(lái)了良好的前景。最近又開發(fā)出可以用于熱敏介質(zhì)（如木質(zhì)和塑料）的低固化溫度粉末，進(jìn)一步擴(kuò)大了其應(yīng)用范圍。

合理的價(jià)格、符合性能要求，一致的粉末涂層生產(chǎn)是主要的考慮因素，這使得有效的過(guò)程控制成為一個(gè)重要目標(biāo)。粒度是粉末涂層的定義參數(shù)之一。它直接影響產(chǎn)品的加工性能和成膜光面的品質(zhì)。因此，生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)粒度的嚴(yán)格控制就顯得尤為關(guān)鍵。本文中，我們將檢驗(yàn)粒度對(duì)產(chǎn)品性能的影響，以及不同的粒度分析方法在優(yōu)化粉末涂層生產(chǎn)中扮演的角色。

優(yōu)化粒度分布

要生產(chǎn)具有理想性能的粉末涂層，需要了解粒度及其分布對(duì)操作性能、應(yīng)用、固化處理以及光面的影響。

細(xì)微顆粒

“細(xì)微顆粒處理起來(lái)是很困難的，而且，細(xì)微顆粒的增加不僅意味著有患上呼吸系統(tǒng)疾病的危險(xiǎn)，也會(huì)帶來(lái)爆炸的可能�！�

應(yīng)用過(guò)程中，要準(zhǔn)確控制細(xì)微顆粒更是難上加難。但是在靜電應(yīng)用系統(tǒng)中，它們很容易覆蓋一個(gè)物品，因此常用于形成雙面涂層。在介質(zhì)表面，小顆粒會(huì)包得更緊，這就降低了對(duì)生產(chǎn)光滑涂層所需固化條件的嚴(yán)格要求。但是，細(xì)微顆粒也可能造成表面光潔度不足（橘皮效應(yīng)）。這可能是因?yàn)楣袒�過(guò)程中顆粒融化太快，或是表面電荷的聚集造成了“反噴”現(xiàn)象。

大顆粒

大顆粒流動(dòng)順暢，應(yīng)用中相對(duì)容易控制。噴射時(shí)，它們的質(zhì)量會(huì)帶來(lái)很大的直線慣量，這對(duì)滲入物體邊角處特別有用。但是在固化時(shí)，大顆粒需要相對(duì)較長(zhǎng)的融化時(shí)間，而且融化也可能不完全。這會(huì)導(dǎo)致最終薄膜上有內(nèi)含物，不利于外表的光潔和機(jī)械完整性。這樣，在時(shí)間和溫度方面，對(duì)大顆粒的固化次數(shù)會(huì)要求更高。

多分散性

如果粉末涂層具有相對(duì)較大的顆粒且粒度分布范圍較廣，那么，涂層介質(zhì)表面的顆粒填充將會(huì)隨著較小顆粒填補(bǔ)空隙而得到改善。這樣，空氣從涂層中排出，增加了整體導(dǎo)熱性和固化過(guò)程中的熔體形成率。因此產(chǎn)生的高度交聯(lián)會(huì)優(yōu)化涂層的機(jī)械性能。多分散性較低時(shí)，涂層中可能會(huì)形成內(nèi)含物，除非介質(zhì)在足夠長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)處于高溫，使所有顆粒可以流動(dòng)到一起。精細(xì)產(chǎn)品不會(huì)出現(xiàn)這種問題，因?yàn)�，用粒度分布范圍較窄的產(chǎn)品能夠生產(chǎn)出光滑的膜層。

很大程度上，最終薄膜的性能是通過(guò)控制粒度和粒度分布來(lái)決定的。一般來(lái)說(shuō)，粉末涂層的尺寸范圍是 5 到 100 微米，盡管行業(yè)內(nèi)存在這樣一個(gè)長(zhǎng)期趨勢(shì)－ 較小顆粒對(duì)于生產(chǎn)目前需求很大的較薄薄膜是必須的。

優(yōu)化粉末涂層生產(chǎn)

要制成粉末涂層，先要將聚合物、充電劑和其它添加劑在熔體中混合。然后經(jīng)過(guò)擠壓，形成碎片或小球。隨后，這些碎片或小球經(jīng)過(guò)一系列步驟被制成所需的粒度，這些步驟包括研磨、磨削以及分離/分類。粉末涂層是分批制造的，在包括大約十到十五條生產(chǎn)線的車間里完成，每條生產(chǎn)線的產(chǎn)品都不相同。產(chǎn)品換線和工藝流程啟動(dòng)頻繁發(fā)生，產(chǎn)品污染也因此成為一個(gè)重要問題。例如，生產(chǎn)綠色產(chǎn)品的生產(chǎn)線上殘留的紅色產(chǎn)品微粒會(huì)破壞整批產(chǎn)品。因此，粉末涂層制造商的主要目標(biāo)是：

• 優(yōu)化產(chǎn)品的一致性

• 將產(chǎn)品換線時(shí)間縮到最短
• 避免污染
• 將研磨成本降到最低

要優(yōu)化過(guò)程控制，采用傳統(tǒng)的離線分析可能會(huì)面臨諸多挑戰(zhàn)。離線粒度分析對(duì)產(chǎn)品開發(fā)和質(zhì)量控制是非常重要的。但是對(duì)過(guò)程控制，特別是當(dāng)過(guò)程的響應(yīng)時(shí)間相對(duì)較短時(shí)，其應(yīng)用有很大的局限性。多樣性和時(shí)滯使跟蹤和快速過(guò)程變化的合理化毫無(wú)可能。所以，很難確定究竟是分析和取樣品問題，還是過(guò)程本身的問題。當(dāng)然，也可以選擇內(nèi)嵌式分析，或全自動(dòng)在線系統(tǒng)。

在線粒度分析儀將分析與過(guò)程操作結(jié)合起來(lái)，更能滿足工廠的需要，也有利于改進(jìn)過(guò)程控制。對(duì)那些有多條生產(chǎn)線的生產(chǎn)車間來(lái)說(shuō)，它提供了另外一種選擇，即不必在每條生產(chǎn)線上都安裝專門的分析儀即可加強(qiáng)控制。另一方面，在線檢測(cè)能提供高度相關(guān)的連續(xù)數(shù)據(jù)流，允許發(fā)展最佳控制策略，執(zhí)行自動(dòng)控制。使用專門的在線系統(tǒng)，操作人員可以即時(shí)看到他們的操作結(jié)果，迅速將產(chǎn)品調(diào)整至新的規(guī)格。通過(guò)系統(tǒng)地研究各個(gè)變量變化的影響，可以極大地提高對(duì)過(guò)程的理解。在保證產(chǎn)品規(guī)格的同時(shí)，還可以優(yōu)化操作。下面的例子闡述了轉(zhuǎn)向在線分析對(duì)研磨控制，以及對(duì)過(guò)程效率的影響。

研磨機(jī)啟動(dòng)

圖 1 顯示的是一臺(tái)在人工控制下啟動(dòng)的研磨機(jī)，采用手動(dòng)離線分析。

紅色圓圈表示取樣時(shí)間，綠色圓圈表示研磨參數(shù)的變化。啟動(dòng)過(guò)程包括一系列重復(fù)步驟，其中包括以下各項(xiàng)：改變研磨參數(shù)、改變后操作穩(wěn)定花費(fèi)的時(shí)間、取樣及分析。要將研磨機(jī)放置到能生產(chǎn)出符合規(guī)格材料的地點(diǎn)大約需要 50 分鐘。

圖 2 顯示了處于同樣人工控制下的研磨機(jī)，但是這次數(shù)據(jù)是從在線粒度分析儀中取得的�，F(xiàn)在，由于操作人員可以立即評(píng)估各種變化的影響，迅速將研磨機(jī)移至要求的操作位置，因此只要 7 分鐘就能啟動(dòng)。這種時(shí)間上的節(jié)約直接轉(zhuǎn)化為不合格材料數(shù)量上的減少，以及隨著批次生產(chǎn)時(shí)間減少而帶來(lái)的能源節(jié)約。這一改變也增加了研磨機(jī)的通量，因?yàn)楝F(xiàn)在它有更多時(shí)間進(jìn)行有效生產(chǎn)。當(dāng)研磨機(jī)的啟動(dòng)頻繁時(shí)，這些方面的節(jié)省會(huì)迅速擴(kuò)大為巨大的成本收益。

更加嚴(yán)格穩(wěn)定的狀態(tài)控制

研磨是一個(gè)相當(dāng)耗費(fèi)能源的過(guò)程，因此，作為一種單元操作，制造商致力于在符合產(chǎn)品規(guī)格的條件下將研磨量降至最低。過(guò)度研磨會(huì)浪費(fèi)能源，而且，如果顆粒過(guò)細(xì)（在粉末涂層中），產(chǎn)品亦會(huì)不符合規(guī)格。在粉末涂層的生產(chǎn)過(guò)程中，規(guī)格要求是非常嚴(yán)格的。因此，研磨機(jī)的操作人員必須在產(chǎn)品何時(shí)打磨充分，何時(shí)打磨過(guò)度之間精確控制。圖 3 描述了切換到在線分析后，對(duì)研磨機(jī)控制的加強(qiáng)。

開始時(shí)研磨機(jī)是人工控制，并且依賴離線分析數(shù)據(jù)工作。操作期間的變動(dòng)會(huì)產(chǎn)生很大影響；因此，先在偏離實(shí)際規(guī)格很遠(yuǎn)的情況下操作，以此確保實(shí)際操作中，樣本不會(huì)偏離規(guī)格太遠(yuǎn)。一旦在線數(shù)據(jù)可用，研磨機(jī)控制有了改善，運(yùn)行中的不穩(wěn)定現(xiàn)象將會(huì)大大減少。隨著研磨機(jī)控制置信水平的不斷提高，生產(chǎn)過(guò)程也隨之變化，會(huì)逐漸生產(chǎn)出恰好符合規(guī)格要求的材料。這樣，過(guò)度研磨就會(huì)減少，浪費(fèi)和能源消耗也隨之降低。

研磨控制中的這種改進(jìn)可以縮短那些確定接受研磨操作的工作帶，因?yàn)樵谶@些工作帶之間的停留已經(jīng)變得非常容易。這不僅使產(chǎn)品的一致性更好，還能夠?qū)⒀心サ目勺兂杀窘档阶畹汀?/P>

優(yōu)化分析儀設(shè)計(jì)

內(nèi)嵌式分析和在線分析的潛在優(yōu)勢(shì)是顯而易見的。但是，對(duì)它們的全面使用則需要選擇恰當(dāng)?shù)南到y(tǒng)，并且，對(duì)在線儀器的要求也相當(dāng)高。分析儀必須可靠、設(shè)計(jì)穩(wěn)定，而且和生產(chǎn)廠家的現(xiàn)有設(shè)備（比如在控制軟件方面）兼容。由于主要目標(biāo)之一是將人力投入降到最低，因此，維護(hù)需要也必須很低，分析必須是全自動(dòng)的，代表數(shù)據(jù)也必須有效且與行業(yè)相關(guān)。高精度或需要復(fù)雜人工干預(yù)的系統(tǒng)很容易出現(xiàn)故障，或出現(xiàn)得出數(shù)據(jù)與行業(yè)規(guī)范不一致的情況。這樣的系統(tǒng)都不會(huì)得到廣泛的接受和正確的使用，后果將是極低的投資回報(bào)率。

對(duì)粉末涂層應(yīng)用來(lái)說(shuō)，還有兩個(gè)問題 － 清潔和樣品展示，這兩個(gè)問題在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)也需要認(rèn)真考慮。

• 清潔

由于對(duì)多產(chǎn)品生產(chǎn)線來(lái)說(shuō)，交叉污染是一個(gè)需要認(rèn)真對(duì)待的問題。因此，工具的清潔設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)簡(jiǎn)單、有效。設(shè)計(jì)中必須沒有盲點(diǎn)，高品質(zhì)的光面對(duì)減少產(chǎn)品黏著非常重要。為了在各批次生產(chǎn)之間徹底清潔系統(tǒng)，設(shè)備流路部件必須易于拆卸，材料結(jié)構(gòu)也應(yīng)該具有抗溶性。

• 樣品展示

粉末涂層的玻璃轉(zhuǎn)化溫度較低。耗費(fèi)能量的樣品分散器已不再需要，因?yàn)樗�容易隨著樣品線的堵塞而使顆粒附著在設(shè)備壁面上。為了生成代表性的粒度分布數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行適度的樣品分散，以確保顆粒進(jìn)入測(cè)量區(qū)域時(shí)不會(huì)出現(xiàn)凝聚現(xiàn)象。

Malvern Insitec 的激光衍射分析儀為您提供了針對(duì)內(nèi)嵌式或在線粒度分析的集成解決方案。Insitec ALISS 為內(nèi)嵌式應(yīng)用提供了易于使用的選擇，而 Insitec Voyager 是一種移動(dòng)設(shè)備，可以根據(jù)在線分析的需要進(jìn)行臨時(shí)安裝。對(duì)于在線粒度的專門測(cè)量，Insitec 也提供了一系列全面集成的連續(xù)分析解決方案。

總結(jié)

在粉末涂層行業(yè)，有效而恰當(dāng)?shù)牧６确治鰧?duì)產(chǎn)品的開發(fā)、過(guò)程操作以及質(zhì)量控制都是不可或缺的。因此，選擇能夠滿足行業(yè)要求的在線分析儀是進(jìn)行有效過(guò)程控制的理想選擇。這些分析儀為自動(dòng)操作提供了可能，而且能夠?qū)崿F(xiàn)相當(dāng)高的過(guò)程效率。設(shè)計(jì)良好、適合應(yīng)用的粒度分析儀對(duì)粉末涂層制造商來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，因?yàn)樗�可以�?shí)現(xiàn)產(chǎn)品的正確性能/價(jià)格特征，并由此幫助粉末涂層廠商進(jìn)軍新市場(chǎng)。

結(jié)束

圖：

圖 1 －采用離線分析的研磨機(jī)啟動(dòng)

圖 2 采用在線分析的研磨機(jī)啟動(dòng)

圖 3 切換至在線分析的研磨機(jī)，控制更嚴(yán)格