薛峰
（陕西蓝晟新材料研发有限公司）
摘要：通过介绍空气分级磨粉机（ACM）在使用过程中各环节对粉末涂料粒径分布的影响、粒径分析方式的优缺点、粉末涂料粒径对粉末涂料各方面的影响（如涂膜的外观、粉末的带电性、产品的贮存稳定性、涂层的厚度、流化效果、回收率、安息角、流出测试、堆积密度等），系统地阐述粒径对粉末涂料的重要性。
关键词：粉末；涂料；粒径；ACM空气分级磨粉机
Particle Size Control and Its Important Role in Performance of Powder Coatings
Xue Feng
(Shaanxi Lansheng New Material R&D Co.,Ltd.)
Abstract: The effects of air classifying mill (ACM) parameters on the particle size distribution of powder coatings are investigated. The effects of particle size on the properties (e.g., film appearance, chargeability, storage stability, film thickness, fluidization effect, recovery rate, angle of repose, outflow test and bulk density, etc.) of powder coatings are also described. The important role of particle size control in performance of powder coating is described in particular.
Keywords: powder; coatings; particle size; ACM air classifying mill
0 引言
随着《土壤污染防治行动计划》、《水污染防治行动计划》、《大气污染防治行动计划》条例的出台，油转水、漆改粉方向性趋于明显。尤其对VOC管制方面，致使粉末涂料的需求量迅猛上升。目前粉末涂料主要应用于家电、家具、汽车、建材、户外设施、管道等领域的基材处理，且满足市场对涂膜外观的大部分要求。随着需求量的增大，产品质量稳定性也逐渐被关注，如配方的稳定性、生产工艺的稳定性、设备的稳定性、产品批次的稳定性、贮存的稳定性、施工的稳定性等。一般产品在采购或第二次采购时，都会与标准样板的颜色、光泽或是纹理状态有所差异，如何缩小差异范围，是保证产品正常施工的先提条件。常规型产品需要对其进行常规测试（如水平流动或斜流实验、凝胶时间、粒径分析、附着力、冲击、折弯、色差、光泽、膜厚等物理性能），以保证产品质量与产品的生产一致性、稳定性。每一项检测，对于产品批次的稳定性都起着重要的作用。其中，粒径分析是反映产品质量及施工问题最多的项目，也是涂装稳定的先提条件。例如产品的带电性、外观、部分性能、贮存特性、施工方式、涂层膜厚等（特殊产品会有更多的影响因素，这里主要介绍目前市场比较常规、大众化产品）。粒径又称粒度，由通过颗粒重心连接颗粒表面两点间直线段的大小所决定。除了部分颗粒，大部分颗粒都是不规则的，严格意义上说是没有真实粒径值的。通常所说的粒径在一定的意义上可称之为等效粒径。
1 粒度分析方法
粒径分析（仅介绍激光粒度分析仪）的方法分为干法分析和湿法分析（两种测试方法由于分散介质不同，测试结果会存在差异）。
1.1 干法分析
干法分析是以空气作为分散介质，利用紊流分散原理，使样品颗粒得到充分分散，再导入光路系统中进行分析。其优势包括：（1）在干燥状态下加工合成，干法分析比湿法分析更具有代表性；（2）对于一些会溶解在分散剂中或分散后出现水合作用（遇水后，颗粒大小会发生变化）的物料，干法分析是最佳的选择；（3）干法分析可在短时间内完成测量，效率高。而其劣势主要在于干法的分散机制具有破坏性，不适合极易破碎的样品。
1.2 湿法分析
湿法分析是把样品直接加入到水或者乙醇等分散介质中进行分散，再经过光路系统，进行粒径分析。其特点是：（1）细小或者有黏性的样品更适合湿法测量，因为可能需要表面活性剂或者其他分散剂来实现样品完全分散；（2）测试时间长，且测量过程中易产生气泡，导致分析结果不稳定，造成误差。
2 影响粉末涂料粒径分布的主要因素
在粉末涂料生产过程中，常用空气分级磨粉机（ACM）来获得理想的粉末粒径，磨粉机的主磨、分级器（副磨）、引风量、筛网目数都是操作人员需要关注的重点。与此同时，粉末涂料的配方（如原料的差异、颜基比的差异等）、环境的相对湿度、温度也是影响粉末粒径参数的重要因素。
2.1 ACM参数
在生产的过程有4个可调整的参数：进料速度、分级器转速、主磨转速、引风量；2个控制值：磨粉温度、粒径数值；磨粉工序其实就是以气流为动力，粒度分布和磨粉温度为工作标准，进行的进料量、引风量、主磨转速、分级器转速的协调配合的过程。这一过程的核心就是力的关系（粉末颗粒旋转产生的离心力与气流形成的吸力）。粉末颗粒的离心力和颗粒的动能有关，颗粒的运动速度越大，动能就越大，通过调整分级器转速大小可控制粉末颗粒的细或粗，具体的数值依据粒度分析仪分析结果而定。
2.2 主磨、分级器
破碎的片料进入磨粉机主磨盘后会通过离心力效应与主磨的磨柱撞击，被破碎成粉末状态，并在磨体的内壁上由气流转移至旋风分离器中，进行分级。相对于主磨，分级器对粉末的粒径影响最大，但它们之间的关系都是转速越大，粒径越细，转速越低，粒径越粗（其他条件为不变量）。
2.3 喂料速度
在其他参数恒定时，喂料速度越快，粉末粒径越粗，喂料速度越慢，粒径越细。
2.4 气流风量
对于ACM磨机来说，风量大有利于降温；但对于旋风分离器来说，风量的大小会直接影响粉末的粒径：风量大，粒径偏粗。风量小，粒径偏细。调整风量的同时，一定要考虑到磨机的温度。通常情况下，风量大，磨机内部温度较低。当然适当减少进料量，也可以降低磨机内部温度（注：配方或品种的不同，片料的硬度不同，在相同参数条件下，物料被粉碎的粒度也不同）。
3 粉末涂料几项参数及其影响因素
3.1 堆积密度
粉末涂料的堆积密度反映了粉末粒子堆积的紧密程度。由于粉末涂料在静电吸附后，不会再有堆积状态变化，因此堆积密度也在一定程度上反映干粉层中粒子排布的疏密（见图1~图4）。
堆积密度值的大小取决于粉末粒子等效径的大小、形状、表面粗糙度等（恒温恒湿）。常用的粉末涂料粒径范围在30～60μm之间。如果超细粉范围的含量过高时，将严重影响到粉末的堆积密度，此时粉末呈蓬松状态，抓取时表现粘附性。这种粉末流化易出现局部鼓泡和严重飞扬的现象，喷涂时不能提供稳定均匀的粉末气流，容易造成涂装弊病。形状不规则的粉末在涂膜中的堆积较松散。大量尖端的粉末粒子，电荷分布不均匀的静电吸附取向性强，会造成粉末在涂膜中的粉粒紧密度下降，影响成膜后的外观及堆积状态（在恒定湿度、温度、配方体系、表观密度、平均粒径等条件下）。
3.2 安息角
安息角是指置于斜面上的物体处于沿斜面下滑的临界状态时，与水平表面所成的最小角度，即随着倾斜角增加，斜面上的物体将越容易下滑；当物体达到开始下滑的临界状态的角度。通过安息角的测量，可初步确定粉末涂料的流动性，因为影响其数值的因素过多，故此，在相同条件下，可认为在一定数值范围内，角度越小，粉末涂料的流动性相对越好，反之越差。
影响安息角的因素包括温度、相对湿度、粒径、形态、粗糙度，在温度、相对湿度、表面粗糙度恒定的情况下，粒径的大小与分布状态会直接影响安息角的测量值。在以上信息恒定条件下分别对上述1#～7#样品进行安息角测量，结果如图5所示。
由图5看出，粉末涂料的粒径在一定范围内时，安息角（温度、相对湿度、表观密度等恒定时）与粒径是成反比的。当粉末粒径超过一定的数值时，安息角又会逐渐变大，这是由于粉体粒径过大，表面粗糙度所致。由此可见，合理的控制粉末涂料的粒径对粉末涂料的安息角的测量有很大的影响。也就是说，粒径过大或过小都会对安息角产生影响，故此合理的控制粒径范围，对安息角的测量起着重要的作用。由以上数据可宽泛认为D50在36~43μm之间时安息角测试效果最佳。
3.3 流出测试
流出测试是检验粉末涂料流动性的方法之一，可以简单模拟粉末在流化筒中的流化程度。流出测试数据好的粉末涂料，粉末的蓬松度高、传送效果好、雾化效果好、施工方便。
流出测试数据差的粉末涂料，易结团、上粉欠佳或差（应该从不同角度看待该问题）、产品的贮存稳定性差（长时间的储存和挤压，粉末会变硬结块），甚至在产品包装过程中就会发生结团现象。粉末的流动性应根据不同产品以及不同的施工进行具体设定，或是进行临界设定，因为流动性太好或是不太好都会直接导致粉末的不均匀分布，例如，流动性太好会导致粉末分层，流动性过差会导致粉体结块等不良现象，因此，合理控制粉末的流动性是粉末涂料在施工过程中需要考虑的重要因素。
流出测试的影响因素与粉末的比重、粒度、温度、相对湿度等密切相关（流出测试结果不能代表粉末涂料的优劣）。在粉末涂料的比重、温度、相对湿度恒定的条件下，粒径与流出测试试验的数值关系如图6所示。
从图6看出，粉末粒径在其他条件恒定的条件下，流出测试数据与粉末粒径成正比，但当粒径超过一定数值后，流出测试数据与粉末粒径成反比。这是由于颗粒自身的质量及表面的粗糙度所导致。也就是说，粒径过大或过小都会对流出测试产生影响，故此合理的控制粒径范围，对流出测试起着重要的作用。由以上数据可宽泛认为D50在34~43μm之间时流出测试效果最佳。
4 粒径对粉末涂料质量及施工的影响
4.1 粒径对涂膜外观的影响
粉末涂料的粒径的控制是粉末涂料生产工艺过程中非常重要的环节之一，不同外观样式、特性等粉末涂料都有其适合的粒径范围。如果粉末涂料粒度分布不均匀、太粗或是太细，都将严重影响涂膜的外观。在一定粒径范围内，通常认为平面产品，粒径较小的，表面流平性更好，且不容易出现粒子。美术涂料的粒径要根据具体外观效果需求而定。
4.2 粒径对粉末涂料带电效果的影响
粉末涂料颗粒与金属基材的粘附力，与粉体的带电能力有关。粒径过大或过小都都会严重影响粉末的上粉率。一般来说，粉末涂料颗粒的粒径偏大，带电性会相对变好，但当颗粒的质量大于粉体的带电量及空气的动力时，由于重力原因，粉体的上粉率和涂覆效果会下降。粒径偏小，带电性相对偏低，上粉效果也会相应地变差，导致施工效率降低，见表1。
从表1数据来看，如果不考虑其他要求情况下（状态或膜厚等要求），粒径在30~40μm时，粉末颗粒对金属基材的附着力最佳。
4.3 粒径对粉末流化效果的影响
粉末涂料粒径太细，在流化筒中流化效果差（粒径太细易发生团聚现象），不易散开。喷涂工件表面易形成小包（粉末涂料粒径过细，导致喷涂过程中出现“吐粉”的现象），影响涂层外观。粉末涂料的粒径太粗，在流化筒中不容易流化，也容易出现上粉差等不良现象。
4.4 粒径对粉末涂料的贮存稳定性以及回收率的影响
粉末涂料的贮存稳定性受影响因素较多，例如温度、相对湿度、粉末涂料的粒径、粉末涂料的玻璃化转变温度等。粒径偏小的粉末涂料，粉体的受潮概率和不易散热导致团聚的概率会增加，还会降低粉末的回收率。粒径偏大的粉末涂料相对粒径偏小的粉末涂料抗结团性要好很多（相同配方，不同粒径），但如果粗粉过多也会导至回收率下降。
4.5 粒径对粉末涂料涂层厚度的影响
粉末涂料的平均粒径一般控制在30～60μm，涂层厚度一般在50～200μm之间，见表2。具体的施工厚度还要根据产品的应用特性而定（涂层的厚度决定单位质量粉末涂料喷涂的面积）。参考粉末涂料特性，结合表2数据，当粒径在30~40μm时，可以匹配到涂层的最佳效果。
5 结语
通过上述几个方面的阐述，着重介绍了影响粉末涂料粒径的因素，以及粉末涂料粒径对粉末涂料的质量、贮存、施工、测试等各方面的影响，诠释了粒径对于粉末涂料的重要意义。目前一些高端粉末涂料施工方已经开始注重粉末涂料的来料粒径分析，并对粉末涂料的加工方进行了粒径范围约束。合理控制粒径指标，将不仅仅是加工厂的生产环节要素，更是施工方为保证产品的可施工性及稳定性的一项监测标准。
文章发表于《涂层与防护》 2021年第10期
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