前言
粉末涂料的制造技术是基于塑料和微粉化工业广泛使用的设备。因此,粉末涂料工厂的设计完全不同于一般的液体涂料。粉末涂料的生产包括以合理的顺序连接不同的工段工作(包括预混合步骤的准备时间、主设备的准备时间和质量控制时间)。通常规模较小的粉末涂料工厂生产过程可以是不连续的；对于具有较高生产能力的粉末涂料工厂来说,通常是将各个单独的工序集合成连续的生产工艺。
1、预混合
生产粉末的设备布置可以因生产线的产能和产品的类型不同而不同。在热熔混合前、将粉末涂料的各种组分进行预混合是决不可忽视的重要过程,对粉末涂料的性能起着决定性的作用。特别是那些用量很少的助剂和着色颜料,如果预混合不充分,是不能够在第二阶段的热熔挤出过程中得到补偿的。热熔挤出是一个连续的过程,在整个挤出过程中保证均一的喂料速度是保证产品质量的先决条件。如果第一步骤中的预混合不充分将导致涂膜组成不均一,从而造成涂层表面的流平不好、机械性能差、涂层表面颜色不均一、光泽度低、表面有缺陷等。
一般来说,粉末涂料的原料都是固体状的,只有当所需要混合的各种成分都具有同样的大小才能在预混合阶段获最好的效果,但这显然是不可能的。因为树脂和颜料两者的粒度差了几个数量级,少量的助剂,如流平剂或催化剂的加入,通过使用制作母料技术加以克服。为了防止基料被过分粉碎,采取适当的混合时间是非常重要的。预混合后基料的理想粒度应该在24mm,如果颗粒太小,在挤出工序的喂料期间将倾向于流化；如果颗粒太大则需要增加功率才能使预混合料在混合机中流动。混合机的选择依据是混合强度、换色频率以及操作工艺是连续生产还是间歇生产,因为更换品种的清洁时间对整个生产操作至关重要。因此,粉末涂料工厂生产的配方品种也会影响混合机的选择。对于要经常换色的生产线,应首选高速预混合机或容器预混合机,其优点是容易清洗且混合时间较短,只需23min;对于不经常换色的生产线,螺条混合机只要很低的投资,且每批产量大。图1描述了现代化工厂连续生产粉末涂料的设计示意图。
除操作工艺以外,为了制造一致性能的涂膜或对混合设备本身的损耗考虑,要特别关注混合机的结构,混合机需要适当的构造设计。尤其在混合机工作期间,它可能会被突然的原因停止或者有意地停下来,检查运转过程。对于这种情况下驱动装置必须能承受满负荷反复起动这个最基本的要求。比较好的装配是直流电动机,它能比一般的正常起动提供2~3倍的附加扭矩。当这种驱动装置还不能满足要求时,可以使用带有不同直流的驱动装置(如滑动环、液力联轴器和离心式离合器或者使用V形带传送的间接装置)。
与缓慢运动的搅拌机相比,高速混合机有几个优点而成为粉末涂料制造中较好的混合设备。这种机器的一个显著特征是用非常短的混合时间便可达到极高的混合效果,甚至是少量的着色颜料亦可很容易地被预混合,并能被均匀地分散。因为快速混合作用有利于充分展色,为获得淡雅优美的色彩,可以降低所使用的颜料用量,从而达到节约的目的。少量的液体也能被均匀分散,对于液体助剂来说就不需要再花昂贵的经费去制作母料。总之,可快速清洗、加上几个混合容器可公用一个混合头的优点,以及短的混合时间至少在预混合阶段消除了频繁换色所产生的问题。
2、熔融挤出
粉末涂料的混合包括几个步骤,并分别在独立的设备中完成。在其步骤生产中,基料和固化剂(不一定有)被熔融并进行分子级的混合,颜料团被破碎成原始粒子并和添加剂一起被均匀地分散在熔融的基料/固化剂混合物中；同时颜料粒子的表面被熔融的基料所润湿。原则上有3种机器可用于热熔挤出。尽管也能使用像Z型叶片捏合机和能加热的双辊研磨机,但最主要的设备还是挤出机。常用于生产制作粉末涂料的机械设备：单螺杆挤出机、双螺杆挤出机、行星螺杆挤出机。3种挤出机都可以在无压力情况下进行操作,在其螺筒的壁上有一些可供加料的开口。可通过螺杆设计的变化表征体系的特性,在双螺杆挤出机中应用传输、空档和反向传输的捏合块,在共捏合机中采用了传送、半传送或者多种捏合结构(改变捏合块的数量、捏合块之间的间隙和壁上的销钉),或者在行星式螺杆挤出机中采用连续旋转过程来影响混合和捏合操作。
根据被挤出产品的类型,可以使用两种方法来加热螺杆和螺筒。一个系统由水组成的,水在螺杆的内侧循环,其温度由独立的仪器控制。另一个是由电加热和冷却水组成的联合系统,可直接控制套筒内的温度。在最近生产的挤出机内,用外形与捏合销钉相同的热电偶替换一个或多个捏合销钉,可以更精确地控制内部加工温度。在挤出的时候,需要能量用于打碎细分级颜料和填料所形成的聚集团。然而靠高的冲击压力形成的能量可能导致局部过热,并使粉末涂料固化形成凝胶粒子。为了要避免这些影响,用“弱化”力取代高冲击能,提供适度的能量,即使是快速挤出或者低温固化粉末涂料都能够安全处理。这种所谓的“微混合”功效能提供某些分子级的均匀性,这对粉末涂料均匀固化和薄涂层的应用是非常重要的。
在筒壁形成的绝热层会大大降低传热效率,但是新一代的挤出机的自擦净和精确控制间隙公差,可以有效地减少绝热层的形成。另外,机筒内套和螺杆冷却中心的厚度保持最小化,可以减少对传热的阻力。在挤出期间控制热固性粉末涂料的反应性是非常重要的。因此,保证停留时间短、停留时间分配窄和自清洁效率高是很必要的。双螺杆挤出机的制造商们为适应现代热固性粉末涂料的要求已经为改进这种机器的混炼效果而对设计进行了许多修改。
一般挤出机生产商给出了自家的挤出机在经济和技术上的优势：
(1) 对于单螺杆挤出机：好的温度控制和高的速度；
(2) 对于双螺杆挤出机：好的分散效果和高的速度；
(3) 对于行星螺杆挤出机：用于金属粉末和回收精细粉。
3、细粉碎
在热熔挤出之后进行细粉碎。粉末涂料生产商会使用不同类型的粉碎机,以使涂料的粒度符合所期望的范围,所有这些设备都是利用磨碎原理来制造的。在这种情况下,粒子粒径的下降是由固体颗粒或片材与研磨机表面进行碰撞或者相互碰撞而造成的。当代的粉碎体系是成套供给的,它包括粒度分级器和除尘器。从20世纪60年代开始,研磨机的制造商们就集中精力开发能将粉碎和分级放在一起的成套设备以简化工厂的设计。1962年,“Mikro ACM”作为第一个空气分级磨出现在市场上,它适用于所有工业不同产品降低粒径的要求,当然也包括粉末涂料。最吸引人们注意力的是ACM的简洁和清晰的元件排列,撞击破碎和完整的动力学分级相结合为细碾磨和超细碾磨标准和中等标准的产品提供了完美的解决方案。
ACM其操作原理如下所述：由气动作用将产品加入磨内,依靠物质颗粒与旋转磨的表面或固定的衬套之间的碰撞可使颗粒粒径减小。当分级轮撞击速度达到140m/s时,粒径可达到d97=10μm。冷却、传输和分级用的空气通过下游的鼓风机进入磨粉机,然后经过护环的叶片将计量加入的材料带走。“Mikro ACM”的典型特征是它完整的动力学分级。
空气/产品混合物被叶片均匀地分散到旋转分级器中。归因于2个相反的作用和材料颗粒的不同质量,在分级器中被分为粗颗粒和细颗粒。质量高的颗粒由离心作用力抛出,不合格的粒子又重新返回到碾磨区。而细粉则被空气带走,经过分级器到达出口。图2给出了“Mikro ACM”磨的示意图。
切分点可以通过调整分级器的速度来改变,甚至在粉碎操作期间都可以无级调整。“Mikro ACM”可以有不同的设计。在几十年期间的发展和改进中,许多重要的特征都得到了优化。
ACM分级器的一个特殊的特征是分级器和研磨盘的驱动轴是同轴的。紧凑的转子包括以下几个部分：分级器、粉碎盘、轴承和V型带滑轮。传动轴承具有可靠的密封系统,可以避免产品渗入的同时也能避免润滑剂外漏,即使长时间的操作也能避免产品污染。
4、粉末收集和除尘
通常使用侧位过滤器或更倾向于将旋风分离器与侧位过滤器配合用来收集空气分级出口的细粉。粉末生产工艺最后部分的几种典型设计如图3所示。图3(a)表示了无旋风分离器的气流式细粉预分离器,从投资和维护的观点看这是最经济的设计,但几乎又没有实际的使用价值。
其次,带有旋风分离器的气流式细粉预分离器如图3(b)所示。旋风分离器已成为现代粉末涂料粉碎工艺中的基本组成。与过滤器相比能明显清洗,成本低,即使是频繁换色体系,也可以从容应付。然而随着旋风分离器尺寸的增大,其收集效率减小。所以对于产能高于1000kg/h 旋风分离器来说效率相对低。
粉末涂料的集尘装置,取决于工厂的产量和粉末涂料的类型和颜色种类的多少。尾尘过滤器几乎不需维修工作也能提高粉碎和分级操作的可靠性和改进对污染的控制。
5、多旋风粉末回收系统
由于粉末涂料的静电喷涂种种原因,总会有部分粉末未能得到充分利用,为解决这个问题业界研发了多旋风粉末回收系统。其作用就是收集喷涂过程落下的粉末,将其分离成可利用的粉末和不可利用的废粉,并分别送到相应的装置中。
多旋风粉末回收系统分吸入段、分离段、过滤段和排出段4部分。其中吸入段由可以自由调节的风板、调节系统和风口组成,作用是从喷涂室中将飘浮在空气中的粉末微尘或未被利用的粉末吸入到分离系统中使之分离。运行时根据具体情况调节系统,通过改变风口大小来调整吸入口的进风量,改善环境、收集微尘和粉末。分离段由旋风分离筒、过滤筛和进出气口组成,其作用是通过特定的旋风分离筒装置,使可以利用的粉末进入原粉箱中与原粉混合,再次进入喷涂循环；而另一部分颗粒很小的粉末由于很难在喷涂电场中捕获电子而带电,所以基本上不可能被涂覆到工件上,称之为废粉。
从分离段出来的粉末/气体混合物进入过滤段。过滤段由过滤室、废粉集粉箱和清洁气系统组成,过滤室由一组滤芯及其附件组成,主要作用是过滤前面过来的混合气。
排出段由风机、风道和滤网组成。风机用于排风,是整个系统气流流动的动力。风道决定风向,滤网是最后一道防护,使进入大气的气流尽可能干净,多旋风粉末回收系统的优点是：结构上的多级和设置上的分离,保证了混合物进入以后得到迅速和彻底的分离。
6、结语
国内生产设备企业在制粉设备国产化方面做了大量的工作,为粉末生产提供了保证。经过多年的发展,制粉设备企业已经逐步走向成熟,并在产品研发方面投入资金,邦定混料设备、立体薄涂生产线、采用了P S R11防爆技术的磨粉机组已经投放市场,与此同时国产制粉设备还远销海外。
但是制粉设备行业存在以下几个方面的问题：
(1) 设备品种单一,许多品种都是仿造派生的,自主研发的设备产品太少,绝大多数厂家均是从混合、挤出到粉碎、筛分所有设备均生产。德国是制粉设备的主要生产国,这些企业仅专做一种设备,没有一家公司能够提供整条生产线,因此德国的设备专业化、精细化程度非常高；
(2) 设计投入人员少,研发不够；
(3) 科研单位与高等院校技术投入太少,研究力量没有放在这方面；
(4) 企业发展艰难,管理不健全,尤其是资金投入、技术与市场开拓方面更显不足；
(5) 价格竞争越演越烈,不仅使粉末涂料行业门槛降低,也使企业利润大大削弱,企业无力进行产品的技术革新和改造。为此,我们应当充分认识这些问题并逐步加以解决。
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