本文淺析了粉末涂料行業(yè)對(duì)激光粒度分析儀的需求及應(yīng)用問題。編寫本文的目的是使讀者更加了解粒度測(cè)試基礎(chǔ)知識(shí)。粉末涂料行業(yè)是對(duì)粒度分布要求比較嚴(yán)格的行業(yè)之一。本文側(cè)重于介紹了粒度分布對(duì)粉末涂料性能的影響、激光粒度儀的原理及特點(diǎn)，為如何選擇適合粉末涂料行業(yè)的粒度儀提供了一些參考意見。

1、粒度分布對(duì)粉末涂料性能的影響

首先我們要清楚為何粉末涂料需要測(cè)試粒度分布這個(gè)物理量。綜合來說，涂料顆粒的粒度分布對(duì)粉末涂料性能的影響有以下幾個(gè)大方面：

涂料顆粒粒徑影響其帶電性能

粉末涂料噴涂時(shí)的粘附力主要來源于靜電荷的庫侖力。涂料顆粒粒徑越大帶電性越好，但是顆粒的重力隨粒徑加大的增長(zhǎng)速度大于庫侖力的增長(zhǎng)速度。也就是說顆粒大到一定程度后，重力會(huì)遠(yuǎn)大于庫侖力，導(dǎo)致上粉率和涂覆效果會(huì)變差。故理想狀態(tài)下的粉末涂料顆粒粒徑應(yīng)該盡量控制在10μm-60μm之間。粉末涂料太細(xì)或者太粗，涂裝施工效率、質(zhì)量就會(huì)下降。

▲ 圖1 不同粒徑涂料帶電性能

影響涂料的流平性

粉末涂料吸附在工件上被加熱后形成高粘度的流體狀態(tài)，然后逐漸流平固化。通過研究流平時(shí)間的NIX和DODGE公式：t=kμR/γ（t是涂料顆粒聚結(jié)時(shí)間、k是常數(shù)、R是涂料顆粒半徑、γ涂料的表面張力、μ涂料粘度），我們可以知道涂料顆粒粒徑跟流平時(shí)間成正比。粉末涂料的粒度分布不均勻或者顆粒太粗，將嚴(yán)重影響流平性。

▲ 圖2 粒度分布均勻的粉末涂料流平效果明顯

影響涂層厚度

傳統(tǒng)粉末涂料的平均粒徑一般控制在30μm -50μm，涂層厚度一般在60μm -100μm之間。不同類型的工件需要的涂層厚度不同。同時(shí)涂層厚度也在很大程度上影響單位重量的粉末涂料能夠涂覆的面積。因此粉末涂料的粒度分布可以說是直接影響涂料性能及經(jīng)濟(jì)性的重要參數(shù)。

影響涂料的儲(chǔ)藏性能

根據(jù)部分行業(yè)專家的研究，粉末涂料存在一個(gè)臨界粒徑，大于這個(gè)粒徑，粉末不易結(jié)塊，反之則很容易結(jié)團(tuán)。涂料產(chǎn)品的粒徑不應(yīng)該低于臨界粒徑，否則產(chǎn)品的儲(chǔ)藏性將變得很差。

上圖是一個(gè)粉末涂料的顯微圖像，我們可以看到其中有為數(shù)眾多的小于5μm的“有害”顆粒，這些顆粒既浪費(fèi)了原材料和能源，又嚴(yán)重影響涂料的存藏性能，應(yīng)該盡量減少其含量。

2、激光粒度儀測(cè)量原理及特點(diǎn)

激光粒度分析儀是利用光的散射（衍射）現(xiàn)象進(jìn)行粒度分析的.光的本質(zhì)是一種電磁波。一束平行光在傳播過程中遇到障礙物顆粒，光波會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)的角度跟顆粒的大小相關(guān)。激光粒度儀通過檢測(cè)激光束照射待測(cè)粉體后產(chǎn)生的散射光，用對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)分析模型就可以解算出粉體的粒度分布。

激光粒度儀是當(dāng)前流行的粒度測(cè)試儀器之一，具有多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。首先是它的測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍大。動(dòng)態(tài)范圍是指儀器能同時(shí)測(cè)量的大粒徑與小粒徑的比值。動(dòng)態(tài)范圍越大，測(cè)試寬分布樣品的能力就越強(qiáng)，儀器適用范圍就越廣。其次是它的測(cè)量速度快、對(duì)使用環(huán)境要求不高。激光粒度儀測(cè)試一個(gè)樣品全過程一般只需兩、三分鐘，儀器安置在無明顯振動(dòng)、干燥的室內(nèi)即可。

▲ 歐美克Topsizer 激光粒度分析儀

激光粒度儀的重復(fù)性好，它利用光電檢測(cè)技術(shù)速度快、精度高的優(yōu)點(diǎn)，一次取樣可進(jìn)行超過1000次的高精度信號(hào)采樣，因而測(cè)量的重復(fù)性精度高，平均粒徑的典型重復(fù)性精度可達(dá)1%以內(nèi)。粉末涂料顆粒的粒度分布范圍及顆粒特點(diǎn)屬于激光粒度儀的優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域。而且由于激光粒度儀適用面廣，還可以為涂料生產(chǎn)企業(yè)檢測(cè)生產(chǎn)原料粉體（例如鈦白粉、碳酸鈣等）。  

3、激光粒度儀在粉末涂料行業(yè)的應(yīng)用實(shí)例

多數(shù)的粉末涂料粒度相關(guān)問題都是圍繞著涂料的流平性、上粉率、回收率以及涂層厚度等基礎(chǔ)性能問題產(chǎn)生的。下面我們以粉末涂料使用過程一個(gè)常見的涂裝質(zhì)量問題——橘皮現(xiàn)象為例，簡(jiǎn)單的分析探討一下。

橘皮是粉末涂料成膜過程中，熔融涂料局部流動(dòng)的渦流效應(yīng)導(dǎo)致的質(zhì)量問題。這種局部渦流也稱為貝納德的旋渦。粉末涂料熔融時(shí)粘度變化導(dǎo)致了表面張力的變化，這樣便形成高粘度低表面張力的涂液下沉至渦流的中間(即后來的凹陷部位)；低粘度高表面張力的涂液上升至渦流的周邊(即后來的凸處部位)。

▲ 圖5 橘皮表現(xiàn)及其產(chǎn)生原因示意圖

粒徑小的涂料小顆粒熱容比大顆粒低，熔化時(shí)間比大顆粒短，聚結(jié)也較快。而粒徑大的涂料顆粒則情況相反，熔化和聚結(jié)時(shí)間長(zhǎng)，流平相對(duì)較差。如果涂料整體粒度分布不合理，就有可能導(dǎo)致局部渦流效應(yīng)較強(qiáng)，使得涂層橘皮問題產(chǎn)生。

典型案例：某粉末廠的一款粉末涂料，客戶反饋有輕微橘皮問題，而且只是部分批次工件有問題。檢查噴涂工藝環(huán)節(jié)未發(fā)現(xiàn)問題原因。粉末廠檢查該款粉末涂料生產(chǎn)過程后，確認(rèn)配方及原材料無異動(dòng)，排除了配方和原材料質(zhì)量問題。調(diào)取生產(chǎn)記錄資料，得知該款涂料用量大，是由三套同型號(hào)生產(chǎn)設(shè)備同時(shí)開工生產(chǎn)的，疑點(diǎn)焦距到了涂料擠出、粉碎分級(jí)過程。仔細(xì)檢查三套設(shè)備的工況，發(fā)現(xiàn)其中一臺(tái)設(shè)備磨機(jī)外殼溫度高出另外兩臺(tái)設(shè)備。抽檢該設(shè)備出產(chǎn)的粉末涂料粒度分布，發(fā)現(xiàn)雖然D50沒有明顯變化，但是D90變大明顯。

▲ 圖6 問題樣品粒度分布

▲  圖7 正常樣品粒度分布

做噴涂試驗(yàn)后，可以看出該涂料確實(shí)存在輕微的橘皮現(xiàn)象，問題原因找到。粉末涂料的粉碎過程大致如下：原料進(jìn)入粉碎室，在動(dòng)磨盤和靜磨盤的沖擊、剪切、摩擦作用下被粉碎。分級(jí)室中，粉末涂料在慣性力和風(fēng)力的雙重作用下，粗顆粒返回粉碎室，成品則向外輸出。通過調(diào)節(jié)磨盤間距、轉(zhuǎn)速，調(diào)整引風(fēng)量，就可以調(diào)整成品粉末涂料的粒度分布參數(shù)。對(duì)該套問題設(shè)備的磨機(jī)、分級(jí)機(jī)進(jìn)行檢修，發(fā)現(xiàn)存在磨盤損耗大的問題。維修并對(duì)磨機(jī)工作參數(shù)做相應(yīng)調(diào)整后，出產(chǎn)粉末涂料粒度分布恢復(fù)正常，問題解決。

在這個(gè)案例中，能夠迅速準(zhǔn)確的定位和解決問題，檢測(cè)精度高、重復(fù)性好的粒度儀發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。如果僅僅靠工藝師的經(jīng)驗(yàn)摸索，雖然也能解決問題，但是整個(gè)過程將變得繁瑣；消耗的工時(shí)、成本增加是必然的。需要強(qiáng)調(diào)的是導(dǎo)致橘皮問題的因素不是單一的，粉末涂料的基礎(chǔ)配方、流平劑的使用情況都會(huì)影響橘皮問題，大家在分析問題時(shí)需要綜合考慮。

4、粉末涂料行業(yè)如何選擇合適的激光粒度儀器

用戶選購(gòu)激光粒度儀器時(shí)，由于不太了解相關(guān)知識(shí)，往往會(huì)有些困惑。要選擇性價(jià)比高適用性好的激光粒度儀產(chǎn)品，建議大家考慮以下指標(biāo)：

1.重復(fù)性。指儀器對(duì)同一樣品進(jìn)行多次測(cè)量所得結(jié)果的重復(fù)誤差水平，誤差越小，則重復(fù)性越好。現(xiàn)行的激光粒度儀國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)建議，用D50、D10、D90的重復(fù)性來衡量整體重復(fù)性。

2.易操作性。儀器是否便于操作和保養(yǎng)，這決定了儀器的使用成本及效能。這方面干法激光粒度儀是有優(yōu)勢(shì)的。

3.少維護(hù)性。采用一體化激光管專利及一體化底座設(shè)計(jì)，常規(guī)使用無需光路維護(hù)。干法窗口采用密閉管道式設(shè)計(jì)，結(jié)合窗口負(fù)壓保護(hù)設(shè)計(jì)與大功率吸塵器粉塵回收裝置，盡可能限度回收樣品，使主機(jī)不受粉塵影響。模塊化的進(jìn)樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)，方便檢修和維護(hù)。

4.量程。儀器量程越寬，使用范圍越廣，但是量程寬也會(huì)導(dǎo)致儀器價(jià)格貴。根據(jù)需要選擇合適量程的儀器才是理性的，我們建議儀器量程范圍不小于0.1μm-750μm。

5.行業(yè)影響力。企業(yè)都希望自己的測(cè)試結(jié)果能得到同行和客戶普遍認(rèn)可，這首先要考慮選擇的儀器供應(yīng)商在本行業(yè)中是否已經(jīng)有豐富的測(cè)試經(jīng)驗(yàn)及大量的客戶群。

6.售后服務(wù)。及時(shí)、長(zhǎng)期有效的售后服務(wù)是保證客戶儀器正常使用的重要保障措施。

根據(jù)上述的參考指標(biāo)，我們總結(jié)出選擇激光粒度儀的大致原則：選擇同行普遍使用，市場(chǎng)占有率高的品牌機(jī)型；儀器供應(yīng)商能夠地處經(jīng)濟(jì)、交通發(fā)達(dá)地區(qū)提供售后服務(wù)便利；儀器供應(yīng)商對(duì)粉末涂料行業(yè)了解較深，重視行業(yè)技術(shù)需求，儀器技術(shù)參數(shù)范圍符合需求。只要按照以上幾點(diǎn)原則處理，就能夠找到適合自己的激光粒度儀。

5、干法、濕法激光粒度分析儀應(yīng)用差異簡(jiǎn)介

干法激光粒度儀使用高壓空氣分散粉體，不容易與粉體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或者溶解粉體。干法分散過程跟粉末涂料噴涂工藝環(huán)節(jié)較為接近，不需要對(duì)待測(cè)粉體做專門的分散前處理。因此，干法測(cè)試操作簡(jiǎn)單便捷，易于掌握。不足之處在于干法測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成較為復(fù)雜、儀器整體造價(jià)較高，同時(shí)對(duì)亞微米級(jí)粉體顆粒分散效果不如濕法分散方法。

▲ 歐美克LS-909E 激光粒度分析儀

濕法激光粒度儀通常用水或者有機(jī)溶劑作為分散介質(zhì)。液體分散介質(zhì)粘度大，分散能力強(qiáng)。同時(shí)由于水是聲波良導(dǎo)體，使用濕法測(cè)試還可以使用超聲震蕩、添加特殊分散劑等額外分散手段。這使得濕法測(cè)試能夠自如應(yīng)對(duì)較難分散的超細(xì)粉體。例如粉末涂料原材料中的超細(xì)鈦白粉，目前就只有濕法測(cè)試才能可靠檢測(cè)其粒度分布。

濕法激光粒度儀還有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，采購(gòu)成本低于普通干法儀器。需要注意的是，粉末涂料是不親水粉體，濕法測(cè)試時(shí)需要做分散前處理，用分散劑將粉末涂料轉(zhuǎn)化成親水的狀態(tài)。常用的分散劑有濃度為0.5%的十二烷基苯磺酸鈉水溶液。

干法激光粒度儀與濕法激光粒度儀適用的領(lǐng)域不完全相同，不能一概而論地說誰更先進(jìn)�？偟膩碚f，濕法、干法儀器都適于粉末涂料行業(yè)，干法激光粒度儀測(cè)試性能及操作便利性略有優(yōu)勢(shì)，是當(dāng)前行業(yè)新標(biāo)準(zhǔn)的適用儀器。