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1 粉末涂料的制备和配方技术 讲义 2 一粉末涂料的定义 组成和分类 涂料的定义 是能涂敷于底材表面并形成坚韧连续涂膜的液体或固体高分子材料 摘自于中国大百科全书 化工卷 粉末涂料顾名思义就是固体粉末状的涂料 或叫粉体涂料 由于其性能和加工过程与塑料相似 又称之为塑粉 塑料粉末 粉末涂料的组成 成膜物质 树脂 是涂料成膜的基础 是粘结颜填料形成坚韧连续膜的主要组分 颜料 赋予粉末涂料遮盖性和颜色 填料 增加粉末涂料涂膜的耐久性和耐磨性 降低涂膜的收缩率和降低成本 助剂 增加粉末涂料的成模性 改善或消除涂膜的缺陷 或使涂膜形成纹理 功能组分 赋予涂膜某种特殊功能 如 导电 阻燃等等 粉末涂料的分类 粉末涂料以主要成膜物的性质分 热塑型和热固型 以主要成膜物的种类分成 聚乙烯型 环氧型 环氧聚酯混合型 聚酯型 聚氨酯型 丙烯酸型等 以涂膜使用环境分为 户内型 户外型等 以涂膜外观分为 消光型 高光型 美术型等等 这些个分类主要还是想在不同的情况下强调产品的性能和用途 粉末涂料的生产厂家一般还是以成膜物的种类分类 以方便产品的命名和管理 3 二热固性粉末涂料的制备工艺 1 粉末涂料的生产流程及操作要点粉末涂料生产分四个工序 配料 挤出 冷却破碎 磨粉 具体操作过程及要点见下表 4 二热固性粉末涂料的制备工艺热固性粉末涂料生产工艺流程及要点 清机 备料 配料 混炼挤出 新机器的清理主要是油污 焊渣和铁屑 品种切换时的清理 根据所做产品的品种和数量进行材料的准备 仔细核对各种原料的产地 型号 批次是否和工艺配方中要求的一致 对要使用的所有计量器具进行校对 分清不同材料对计量器具精度的要求并按要求进行准确计量投配料 按规定的顺序进行投料并按规定的程序 搅拌强度和时间进行混料并做到每料配制工艺的一致性 按规定将螺筒加热到设定温度 料斗内的物料不得加得过满 过实 以防堵料造成螺杆空转 安全启动螺杆转动 调整到规定转速 待主电机电流平稳后启动进料器 在挤出过程中要随时观察并定时记录螺筒各段温度值和各电机的电流值参数 接下页 5 二热固性粉末涂料的制备工艺热固性粉末涂料生产工艺流程及要点 压片 冷却 破碎 磨粉过筛 计量包装 后混加工 开启压片机之前先备好接料器皿 粗调辊距 开启轧辊冷却水阀 在启动挤出机前启动压片机 待挤出物料出来后细调辊距并协调挤出速度调整好钢带速度 保证料片在达到破碎辊处之前能够充分冷却 按要求装好规定目数的筛网并检查各管道 部件的连接是否牢固 按照规定程序启动磨机 待风机风量稳定后再依次启动其它部分 最后启动进料器 按规定调整好风量以及副磨 进料器的速度 保证磨体内温度正常 随时做筛析样以确定无破 漏筛 以每个投料批次量为单位进行中控抽样 6 二热固性粉末涂料的制备工艺 2 粉末涂料的生产设备及其结构和工作原理热固性粉末涂料的生产设备一般分为四个部分 配料系统 混炼挤出 分散 系统 冷却破碎系统和磨粉系统 7 二热固性粉末涂料的制备工艺配混料设备 该混料罐下部装有水平转动的并有一定斜面的桨叶 将物料水平搅动 并在离心力的作用下物料趋向罐体内壁 同时桨叶的斜面将物料向上推抛 再顺着罐体侧壁的斜面向内翻动 与此同时 侧面的破碎刀片高速旋转 将树脂打碎 该混料罐混料强度大 效率高 是目前最常用的混料设备 8 二热固性粉末涂料的制备工艺 混练挤出设备 双螺杆挤出机 单螺杆挤出机 9 二热固性粉末涂料的制备工艺双螺杆挤出机 1 主电机 螺杆的动力电机 2 变速齿轮箱 螺杆的传动装置 3 进料电机4 料斗5 螺旋进料器6 螺杆进口料斗7 操控仪表盘8 挤出螺筒 10 二热固性粉末涂料的制备工艺双螺杆的结构 双螺杆挤出机的螺杆结构比较复杂 两只螺杆的转动方向相同 从而使剪切程度加大 组合变动也较多 见下面的结构图片 11 二热固性粉末涂料的制备工艺双螺杆的结构说明 1送料段 即螺旋进料器 2过渡段 或预混炼段 3混炼段4加强混炼段 无论是单螺杆还是双螺杆 它们都有一个送料段 机器挤出物料量的大小就由它的粗细 长短及螺杆的转速决定 单螺杆的混炼长度 间隙及往复地幅度决定其混炼效果 而对于双螺杆来说其螺块部分的排布结构 长短 间隙等则决定机器的混炼效果的好坏 12 二热固性粉末涂料的制备工艺 冷却破碎设备 压片破碎机 结构 由机架 压辊 输送带 冷风机和破碎辊等组成 用途 该机对熔融状物料可轧成厚度1 5mm左右的片状 在输送过程中经护罩上方的冷风机风冷后 破碎成片状 13 二热固性粉末涂料的制备工艺 磨粉筛分设备 小片状物料通过料斗下部的进料器送入磨机 在高速转动主磨盘上的击柱冲击及物料冲击衬瓦的作用下 以及物料相互冲击下物料被粉碎 又在引风和副磨的共同作用下 粉末被分离 细的粉末在引风的作用下进入旋风分离器分离 超细粉被引风吸入粉柜回收 粗粉旋转至下部后被关风排料器送到下面的旋风筛进料器 并被送入筛中旋转筛分 粗粉从另一头排出回收 共分四次传输 三次分离 成品出口 粗粉出口 14 三 生产工艺原理及其控制方法和原则 根据热固性粉末涂料的生产设备系统的结构 一般把生产工艺过程分为四个工序 配 混料工序 热混炼 挤出工序 冷却 破碎工序 磨粉 筛分工序 前两道工序 其目的就是要使成膜树脂相互溶解均匀 并使颜填料在树脂中分散得足够均匀 而后两道工序 就是如何将粉磨好 因此 粉末涂料就生产和产品控制而言就是两个要点 如何使粉末涂料的各种原材料混合分散均匀 使其具备涂料的性能 如何将混合分散好的物料加工成合适粒度的粉料 以利于涂装使用 15 生产工艺原理及其控制方法和原则 领料拿到任务单后 看清楚任务单要求和操作通知单是否有明显不合理的地方 领料后 分不同品种按使用频率整齐码放在平台上 不能任意堆放 配料时对同一厂家不同型号的原材料要辨别清楚 对易破损的原料袋 应轻拿轻放 防止破损漏料 造成浪费和污染 16 三 工艺原理及其控制方法和原则 1 配 混料工序 粉末涂料的原料基本上是固体物料 因此物料的混和就是不同物质间固相的混和 目的是使这一固相体系形成均匀的堆积 以利于下道工序 混炼 挤出进行 17 三 工艺原理及其控制方法和原则配 混料工序 首先是配料的计量器具和称量误差 在规定的误差范围内 使用合适称量精度的计量工具 使各物料的计量误差达到要求 特别是在称量颜料的时候 例如 对着色力强的颜料称量的相对误差应控制在0 5 以内 其它材料的相对误差也不要超过1 误差要求的越高 对计量器具的精度要求就越高 操作难度就相应加大 主要还是考虑某种原料的误差量能否对产品品质造成影响来订出各物料允许的误差值 相对误差 测量值 真值 真值 18 三 工艺原理及其控制方法和原则配 混料工序 其次是投料顺序 各种材料的投料顺次不同会在一定程度上影响物料混合的均匀程度和效率 操作顺序按所给通知单从上到下依次加入 中间不可跳跃 漏加 对投料质量少的材料要进行预分散如使用图3这种有破碎装置的配料罐 其搅拌桨在底部 因此要先投颗粒大的材料 因粒径大的物料有利于力的传导 所以先投树脂材料利于物料的混合 如果先投粒径细的材料 则会在水平桨叶下部形成混合死角 另外也还要注意小料的预分散 19 三 工艺原理及其控制方法和原则配 混料工序 倒完料的空袋整齐有序的码放在平台上 配完料在混合检查一下空袋 确保树脂和填料是按配方正确添加 最好每锅的空袋放置到一袋子里 20 三 工艺原理及其控制方法和原则配 混料工序 物料混合4分钟后 目测混合均匀 取料检验 单次取料不少于2 5公斤 三车间单次取料不少于4公斤 21 三 工艺原理及其控制方法和原则 2 混炼 挤出工序粉末涂料树脂等材料的相互溶解以及树脂对颜填料的润湿和分散就是在这个过程进行的 料斗内的物料被螺旋进料器送入螺筒 螺杆的螺旋进料器将物料送进加有一定温度的螺筒后 树脂开始熔融 进而树脂间开始溶解并对颜填料进行润湿 螺杆上的捏合块在螺筒内的转动对物料产生的剪切力强化了溶解和润湿过程 22 三 工艺原理及其控制方法和原则混炼 挤出工序 一台挤出机 它的生产量 混炼效果和物料在挤出时的固化安全方面三者是相互制衡的 我们也可以用一台挤出机 通过选用不同结构形状的螺杆来达到不同的生产目的 所以 螺杆直径小并不意味着生产量一定小 而螺杆的长径比与其混炼效果并非一定是对应一致的 23 三 工艺原理及其控制方法和原则混炼 挤出工序 如何确定该工序中给料量 螺杆转速和挤出机各段温度参数呢 由于设备的差异和产品的多样性 各工艺参数应有一些不同 但是要有一定的原则 首先是螺筒的温度 靠近进料口的温度 在不使螺杆的螺旋进料器粘结物料的情况下越高越好 这样既不会使螺旋凹槽变浅 影响物料的输送 也利于树脂在螺杆的过渡段尽快的融化 靠近出料口的温度 在不使挤出物料发生固化反应 或胶化 的情况下越高越好 这样树脂的黏度低 流动阻力小 分散体系易形成复杂流动 利于树脂间的溶解及其对颜填料的润湿和分散 24 三 工艺原理及其控制方法和原则混炼 挤出工序 其次是螺杆转速 螺杆的转速越高 螺杆中的捏合块产生的剪切速率越大 越利于树脂对颜填料的分散 但同时 物料的传输速度也越快 物料在螺筒内的混炼时间也就短 很可能会造成分散程度不足 特别是对于短螺杆的设备而言 由于挤出设备的品种多 性能差异比较大 螺杆的转速要依据不同情况来确定 一般来说 混炼段较长的螺杆转速应高一些 混炼段较短的螺杆转速应低一些 最好根据涂膜表面的效果来确定 25 三 工艺原理及其控制方法和原则混炼 挤出工序 再者就是挤出机的给料量 挤出机料斗的进料器最大值以螺筒进料口不积料为准 最小值以螺筒温度值的稳定性为准 要使螺筒温度波动的范围和频率尽量的低 这里需要注意的是 物料在螺筒内传送过程中带走了螺筒内的部分热量 起到了一部分温度调节的作用 26 三 工艺原理及其控制方法和原则 3 冷却 破碎工序这道工序就是利用材料的热塑性 利用压片辊把热的物料挤压成薄片 使其能快速冷却 该工序的要点就是物料在破碎时 在破碎辊处 的温度尽量达到室温 此工序有两个调整参数 压片厚度和钢带传送速度 料片越薄越利于散热 但易被钢带上的冷却风扇吹得飞溅起来 一般控制料片的厚度在1 1 5mm 而后再调整传送带速度 不致使压片辊上过度积料 建议将螺筒的冷却水系统与压片辊的冷却水系统分开 以保证压片辊冷却水温尽量低 27 三 工艺原理及其控制方法和原则 4 磨粉 筛分工序该工序按设备结构的组成可分为六个重要部分 引风机 除尘集尘箱 超细粉柜 磨机 旋风分离器 关风排料器和旋风过滤器 引风机产生的负压气流是磨粉体系物料传送的主要动能来源 也是磨体冷却气流动能的来源 当料斗的螺旋进料器将片料送入磨机里 基于高速旋转磨盘产生的冲击粉碎作用 物料在击柱和衬瓦 齿圈 以及物料相互冲击下完成微粉过程 进入分级区的 具有一定粒径的颗粒同时受到风机引力和由于分级器旋转产生的离心力的作用 对于粒径微小的颗粒 当风机引力大于分级器旋转产生的离心力 这些粒径微小的颗粒 粒径小的颗粒质量轻 动能小 离心力就小 粒径大的颗粒质量重 动能大 离心力就大 在风机引力的作用下进入成品粉管道 粒径较大的颗粒在离心力的作用下进入粉碎区 进行再粉碎 见下图 28 三 工艺原理及其控制方法和原则磨粉 筛分工序 图中曲线是气流走向 红色箭头表示物料和气流的走向1 击柱磨盘 主磨 2 磨机体壳3 回流板4 分级器叶片 副磨 5 分级器轴6 成品粉室 接成品管道 7 粗细粉分离区8 进料器9 衬瓦 齿圈 10 主磨传动皮带 29 三 工艺原理及其控制方法和原则磨粉 筛分工序 气流将成品粉通过管道送入旋风分离器 气流在旋风分离器里形成旋转风带动物料旋转 物料颗粒在这里又产生一个离心力 和在磨机里的原理一样 粒径小的颗粒其离心力小 被气流吸入超细粉管道里进入回收柜 较粗的成品粉在离心力的作用下 向分离器的内壁运动 同时在重力和风压的作用下降到底部 见下图 30 三 工艺原理及其控制方法和原则磨粉 筛分工序 1 筒体 2 锥体 3 进气管 4 排气管 5 排料口 6 外旋流 7 内旋流 8 二次流 9 回流区 旋风分离器的组成及内部气流 关风排料器将成品粉翻转到下面的旋风筛的螺旋进料器里 送入旋风筛中进行筛分 而粉末的过筛也是利用粉末颗粒旋转产生的离心力进行的 31 四 粉末涂料的配方技术 粉末涂料的配方技术是粉末涂料生产工艺的重要部分 粉末涂料产品的类别和品种的变化是通过配方来实现的 配方技术还是产品品质的基础 它不仅包括各种材料的数量配比 还包括原料的选用和工艺路线的确定 32 四 粉末涂料的配方技术 1 粉末涂料产品技术标准和性能指标粉末涂料品质的高低是通过其产品技术标准来体现的 人们通过各种手段测得的一些具体数据 性能指标 并通过这些数据来判定产品的性能水平 在粉末涂料的技术标准中 通过三个方面的内容来体现粉末涂料产品的装饰性 防护性和产品的使用性能 这三个方面就是涂膜的物理性能标准 涂膜的化学性能标准 粉末涂料的使用性能标准 33 四 粉末涂料的配方技术粉末涂料产品技术标准和性能指标 1 涂膜的物理性能标准体现的是产品成膜后的外观和机械性能 内容有 涂膜外观 硬度 附着力 光泽 耐冲击强度 柔韧性 抗拉伸强度 杯凸试验 耐磨性等等 2 涂膜的化学性能标准体现的是产品成膜后的耐化学品的腐蚀性能 内容有 耐温性 耐水性 耐盐液性 耐盐雾性 耐酸液性 耐碱液性 耐油性 耐溶剂性 耐紫外线照射性等等 3 粉末涂料的使用性能标准体现的是产品成膜前的储存和喷涂使用的性能 内容有 抗结块性 比重 固化条件 粉末粒度 粉末的流动性 上粉率等等 34 四 粉末涂料的配方技术粉末涂料产品技术标准和性能指标 粉末涂料的各种性能指标是在规定的测试条件下 并使用规定的测试设备和方法 即测试方法标准 进行的 这样的结果才有通用性和可比性 由于我国目前在粉末涂料产品方面实行的是企业标准 各企业标准在项目内容和性能指标的要求方面参差不齐 目前有关机构已制定出了相关的国家标准 35 四 粉末涂料的配方技术 2 粉末涂料的原材料原材料的性能不仅决定粉末涂料产品的用途 还是粉末涂料产品品质的基础 各原材料的性能指标反映了该种材料的品质情况 也是我们配方选用材料和调整配方的依据 原材料的各种性能会在粉末涂料的生产产品使用中 品质中和产品用途中等各个方面表现出来 因此对原材料的性能 指标含义的了解是非常重要的 36 四 粉末涂料的配方技术 3 设定配方的程序和原则由于目前没有统一的粉末涂料产品的技术标准 用户对粉末涂料的要求和涂装条件也是千差万别 加上粉末涂料使用范围的广泛 致使粉末涂料产品品种繁杂 因此 也使粉末涂料生产过程的配方呈多样化 在配方设定前 首先要对所做产品要有全面地了解 分清户内或户外用粉 用户的涂装条件 甚至被涂工件的情况 包括形状和厚度 以便对产品的性能要求和使用进行全面地评判 这是配方设定的首要步骤 接下来就是依据对产品的性能要求以及使用的条件进行配方结构的判断和调整 配方的调整应遵守一个大概的程序 否则就会事倍功半 各项调整又要依据相应的原则 还要考虑相关的联系 才不至于顾此失彼 37 五 产品品质 配方及工艺之间的关系 首先 分析一下热固性粉末涂料的成膜过程 粉末受热被升温到某一温度时开始熔融 由于热量的交换和在表面张力差的作用下产生无数个细小湍流 贝纳德窝 随着温度的上升 粉末继续熔融 湍流 流平 并在某一温度下 树脂开始发生交联反应 涂料的粘度开始增加 随着温度的升高和时间的延续 粉末涂料的粘度越来越大 湍流和表面张力平衡的速率也越来越慢直至停止 粉末涂料开始出现胶凝状态 再随着温度的升高或保温时间的延续 树脂的交联反应的速率趋于零 成膜 工件出炉 粉末涂料涂膜降温 38 五 产品品质 配方及工艺之间的关系 2 美术型粉末涂料的制备 粉末涂料桔型粉纹理的形成和控制本文所说的桔型美术粉末涂料是指 皱纹 锤纹 浮花纹和砂纹等粉末涂料 这类纹理粉其纹理的形成有个共同点 都是在成膜过程中 利用表面张力的不平衡 或在表面张力不平衡状态下固化成膜而形成纹理的 39 五 产品品质 配方及工艺之间的关系 粉末涂料桔型粉纹理的形成和控制 1 粉末涂料的成膜过程粉末由静电吸附在工件上 受热升温到某一温度时开始熔融 由于粉末的熔融有先后 加之各组分混溶和分散程度的差别 使得熔融物具有表面张力差 又由于热量的交换和在表面张力差的作用下 熔融液体产生无数个细小湍流 贝纳德窝 如图 40 五 产品品质 配方及工艺之间的关系 粉末涂料桔型粉纹理的形成和控制 随着温度的上升和时间的延续 粉末继续熔融 湍流 表面张力向平衡驱动 进行流平 凸凹的贝纳德窝逐步变大 并在某一温度下 树脂开始发生交联反应 涂料的黏度开始增加 又随着温度的升高和时间的延续 粉末涂料的黏度越来越大 湍流和表面张力平衡的速率也越来越慢直至停止 粉末涂料开始出现胶凝状态 再随着温度的升高或保温时间的延续 树脂的交联反应趋于停滞 成膜 41 五 产品品质 配方及工艺之间的关系 粉末涂料桔型粉纹理的形成和控制 2 纹理的形成从上面的图示和过程来看 所谓桔型纹理粉 其纹理就是某种程度贝纳德窝的定型 通过人为的各种手段对贝纳德窝深浅大小的定型控制 就形成了不同深浅 立体感 和大小的桔型纹理了 在实际生产中 通过加入适量的低表面张力的材料来控制贝纳德窝的形成和形状大小 来保持凹处的低表面张力点 从而加大凸凹的表面张力差 并延长这种不平衡的时间 既然要形成这种点 因而低表面张力的材料就不能加得过多 否则它们会形成连续的分子层 使涂膜趋于流平 立体感变差 反过来也不能加得太少 这样低表面张力的凹点拉得太开 湍流时回流的物料填补不了凹处 会使涂膜出现缩孔 42 五 产品品质 配方及工艺之间的关系 粉末涂料桔型粉纹理的形成和控制 喷涂的厚薄 由于粉末涂料的热量传递是靠熔融状态下对流传递的 粉末堆积的厚 热量传递的就慢 粉末熔融的过程就长 贝纳德窝流动的过程就长些 加之贝纳德窝的形成是有一个空间的 粉末堆积的薄 热量传递的就快 粉末熔融的过程就短 贝纳德窝流动的过程就短些 所以 相同的纹理粉 喷涂厚则纹理大 薄则纹理小 43 五 产品品质 配方及工艺之间的关系 粉末涂料桔型粉纹理的形成和控制 被涂工件 被涂工件的影响可分为两种情况 工件的材质 不同的材质的导热系数是不一样的 从有关资料里可以查到 这里我就不细说了 对于工件的厚度和涂敷状态方面 我举几个例子 例一 薄板单面喷涂 如配电箱柜等 当粉末表面受热的同时工件也受热 并迅速传导热量至粉末的另一面 粉末双面受热 融化较快 使之熔融状态时间较长 相对纹理较大 例二 厚板单面喷涂 包括某些铸件等 由于工件的热容量很大 粉末即使熔融彻底 但因为工件接触粉末处的温度较低 此时粉末的热量向工件传递 消耗了粉末的热能 使粉末熔融过程时间延长 缩短了彻底熔融的时间 贝纳德窝展不开 而使粉末的纹理变小 还有类似这种情况的喷涂 对柱状和管状工件形成包覆喷涂的 都会造成粉末在受热时向工件传递热量 使粉末的热能效降低 从而缩短了粉末形成熔融状态的时间 使粉末的纹理变小 44 五 产品品质 配方及工艺之间的关系 粉末涂料桔型粉纹理的形成和控制 烘烤条件 无论是烘箱还是烘道都为粉末固化提供一个热源 而这种热量的传递一是对流 二是辐射 因此烘箱或烘道的热效率