成品粉末流动性能测试及其意义Testing Method and Significance for Powder Products Flowability徐卫华陈荣华(常州驰励粉体材料有限公司)摘要：粉末涂料的流动性是粉末涂料重要的应用性能，文章详细讨论了粉末涂料流动性的意义，影响流动性的因素以及如何评估粉末涂料的流动性。
1 前言在粉末涂料长期的应用实践中，几乎所有客户都会关注一个看似普通却又无法回避的问题，即粉末涂料的喷涂面积究竟有多少？同样的颜色和配方体系，不同的粉末涂料生产商所提供的产品往往存在极大的差异，而造成这种差异的原因很多，客户在使用过程中能够清楚地感知这种差异，却很难用科学的方法分析和检验这种差异。
其实喷涂面积大的粉末涂料产品都有一个很明显的特征，即具有很好的自由流动性，意味着粉末涂料在使用过程中疏松、易于流化，从供粉桶至喷枪的传送轻便，且从喷枪出来的粉末雾化很好，没有结团或吐粉现象。
我们曾经用激光粒径分析仪和电子显微镜对众多厂商提供的粉末涂料进行检测和观察，并从中发现了一些规律性的现象，试验结果见表1和图1。
表1 粉末涂料粒子的基本特征品种粉末形状粉末聚集态＜10µm粒子含量%平均粒径µm外观松散度高流动性粉末近似椭圆，形状规整分散，不团聚＜10 35~38 好，易流动低流动性粉末形状不规则颗粒粘连＜15 25~32 差，不松动低流动性粉末流动性较好的粉末图1 粉末涂料粒子的基本特征如图1所示，在低流动性粉末中形状不规则的粉末颗粒较多，细粉含量也很高。
这种粉体其颗粒间的摩擦力大，在压缩空气作用下的流化性能较差，输送速度和输出量相对较小。
仔细观察可以发现，该类粉体经二次气雾化后的喷雾形状不能散开，呈直线射流，粉末的一次上粉率不高，喷逸的粉末大量掉落在粉房内，增大了回收系统的工作负荷。
图1中高流动性的粉末有着与前述粉体大不相同的喷涂特性，流化和雾化性能都非常好，能够满足流水线喷涂对粉末涂料基本特性的要求，大量减少喷涂易损件如喷嘴导向帽﹑送粉管﹑文丘里管等的损耗，从而节省设备维修费用。
因此提高粉末涂料的自由流动性对于涂装企业来说非常重要。
2 粉末涂料粒径及控制方法2.1 粒径的基本理论微细粉末颗粒的粒径是表征粉末涂料性能的一个基本指标，“粒径”的字面意思是指颗粒的直径，如果颗粒为球形或近似于球形(如图2)，描述颗粒直径或颗粒大小就比较简单明了，但粉末涂料很难制成标准的球形粒子，较好的情况是近似于椭圆形，绝大多数情况下粉末涂料是如图1所示的不规则形状。
图2 球形或近似球形的颗粒要客观准确地描述图1所示不规则颗粒的粒径是比较困难的，有文献这样描述粉末粒子的粒径：不规则颗粒的直径是通过颗粒重心连接颗粒表面两点之间线段的长度。
在这种情况下粒子的直径不是单一的，而是一个分布范围，即连续地从粒径上限值变化到粒径下限值的范围，此时的粒子直径只能是所有粒子直径的统计平均值。
因此不规则颗粒的粒径和测量方法涉及到数学计算模型，从数学理论出发，常用的粒径计算方法有三种：(1)几何平均值；(2)算术平均值；(3)调和平均值。
粒径分布是指粉末粒子中大小不同的各种颗粒占颗粒总数的比例。
在实际工作中人们常用累积值表示粒度分布，称为累积分布，表示粒度从无限小到某代表值粒径之间所有颗粒重量占颗粒总重量的百分比。
由于粉末样品中的所有颗粒都具有相同的真密度，所以粒径的重量分布和体积分布是一致的，故也可称为体积分布。
通常情况下各类仪器绘出的粒度分布都是重量分布或体积分布。
目前许多粉末生产厂家还是以“目”为单位表示粒径。
“目”是指单位长度上筛孔的个数，目数越大说明筛孔直径越小，能通过筛孔的最大颗粒直径就越小。
用“目”表征粉体粒径分布的方法是，将目数不同的10~20只筛网垒在一起，至上而下目数依次增加，筛网的目数相差20目，称取一定量的粉末加入最高层的筛网中，开启振动，在重力作用下粉末颗粒依不同的大小停留在各层筛网上，称取每只筛网上的粉末质量，对应筛网的目数作记录，可以得到粒径分布图表，由此可以判断粉末颗粒大小是否符合要求。
粉末涂料的颜色、花纹体系比较复杂，在计算筛网目数时存在很大的偏差，例如黑色粉末通常比白色粉末比重小，同样大小的颗粒质量却大不相同，若黑色和白色粉末的粒径分布相同，通过筛分和统计得到的数据就不可能一致，无法准确反映粉末颗粒的实际大小。
另外筛分法分析过程耗时太长，分析结果与粉末的状态(聚集态、比重及材质等)有关，测定结果的重现性差，现在粉末涂料生产企业已极少有人再用。
2.2 粒径分布及其描述方法目前许多厂家采用激光粒度分析仪来测量粉末涂料的粒度分布，测试结果如图3所示。
图3 激光粒度分析结果的表述—粒度分布图及粒度分布表图3是激光粒度分析结果最常见的表达方式，即粒度分布曲线图和粒度分布表。
热固性粉末在发展的过程中，除挤出混炼工艺及设备不断改进外，粉碎研磨设备和工艺也在不断进步，从最初的球磨法到目前普遍采用的空气分级法，生产工艺的改进为粉末涂料的粒径控制提供了可靠的保证，具体的工艺流程和设备不在此赘述。
2.3 控制成品粉末自由流动性的方法2.3.1 低温粉碎粉末涂料的主要成份是树脂，且树脂的分子量较低，一般只有几千，软化点一般不超过115℃，环氧树脂的软化点仅90℃左右。
粉末涂料用树脂的玻璃化温度Tg则更低，一般在58℃左右。
目前粉末涂料的研磨粉碎大多采用ACM磨，粉碎与粉末分级同时进行。
在粉碎过程中大量空气通过磨腔，使物料和磨体的升温幅度很小。
在实际使用过程中我们发现，ACM磨长时间工作或在炎热的夏季工作，粉末涂料的生产效率明显下降，筛网出来的粉末温度偏高，若立即包装粉体很快就会结块，使粉体的涂装施工性能恶化。
这种粉末在电子显微镜下观察，粉末形状不规则，许多粒子呈锯齿状，粒子间严重粘连。
国产ACM磨进风口很短，空气没有经过处理直接进入磨体；与之相比，国外ACM磨的进风口很长，空气进入磨体前经过冷却处理(一般在15℃以下)，保证磨出的粉末温度不高于25℃，远低于粉末的Tg，从而避免粉体的结块。
因此我们建议国内制粉设备企业改进ACM磨的进风管，加装冷冻装置。
粉末厂则可在ACM磨进风口处加装冷却空调或专用冷风机。
现已有许多粉末生产企业采用这种方法，效果很好。
另外，在条件许可的情况下，制粉厂挤出的半成品片料应尽量冷透，不要立即粉碎。
2.3.2 后混流动助剂为了提高粉末涂料的流动性，人们一般在挤出片粉碎的同时加入气相二氧化硅。
由此制成的粉末涂料在电子显微镜下观察，粉末颗粒之间不粘连，颗粒感强，原因在于粉末粒子之间漂浮或流动着粒径更细，比重更小的胶体状二氧化硅微粒，这些微粒发挥了滚珠轴承的作用，有效防止了粉末涂料的结块。
常用的气相二氧化硅有：美国卡博特(CABOT)的M-5、EH-5；德国德固萨(DEGUSSA)的Aerosil 200和Aerosil 972；德国瓦克(W ACKER) 的H-15和N-20。
适于粉末涂料的气相二氧化硅从化学结构上分为亲水型和疏水型两种，疏水型二氧化硅对粉末涂料带电性能的提高要比亲水型的好，它们的具体技术指标见表2和表3。
表2卡博特气相二氧化硅特性参数注：M-5和EH-5可用于粉末涂料。
表3德固萨气相二氧化硅特性参数*在水和乙醇比例1:3条件下测定。
气相二氧化硅是四氯化硅通过火焰水解而得到的极细的无定型二氧化硅，由球状微粒组成，平均粒径在7~40nm。
疏水型二氧化硅对改善粉末涂料的生产工艺效果很好，通常在粉碎时添加粉末总量的0.1%~0.2%即有理想的效果。
如此少的气相二氧化硅对粉末涂料的成膜性能和固化过程中的流动性能几乎没有不利影响，有时候还能增加涂膜的边缘包覆能力。
但过多加入气相二氧化硅将带来负面影响，从气相二氧化硅的物理性质看，胶体状的气相二氧化硅非常细微，具有极强的飞散性，比表面积特别大，容易飘浮，所以准确定量加入气相二氧化硅是很困难的。
为此人们开发了专用设备，可根据制粉企业的实际工况精确添加气象二氧化硅。
针对国内粉末生产企业的实际情况，我们提出以下3种添加方法：—粉末生产量较少(数十公斤或100~200kg，可将预先计算并称量的气相二氧化硅和粉末半成品机械混合，然后再进行粉碎。
—在粉碎机进料段加开进料口，以专用加料机(如常州驰励公司的CL-67系列) 将气相二氧化硅定量地加入，完成与挤出半成品的共同粉碎。
—在ACM磨的空气进风口罩上加开进料口，利用负压，将气相二氧化硅从供料机中送入磨腔，与挤出半成品一起粉碎。
2.3.2 控制粉末粒径分布ACM磨具有调节粉末粒径的功能，不同品种的粉末片料在不同的环境条件(气温、季节、湿度等)下进行粉碎时，可以通过调节片料输入量、主副磨转速、引风机风量等进行粒径控制，并采用激光粒度分析仪适时监测粉末粒径的分布状况。
粉末粒径分布测试图表的分析应应着重于以下几个方面：—平均粒径：一般以Dv50表示，是指大于和小于该粒径的粉末粒子各占50%，普通粉末涂料的Dv50为30~35µm左右。
—细粉含量：一般是指小于10~15µm的粉末粒子占粉末粒子总体积的百分比，普通的平面粉末涂料细分含量应控制在10%以下。
—粗粉含量：是指大于粒径90µm的粉末粒子占粉末粒子总体积的百分比。
过粗的粉末粒子(如>115µm)应该避免出现。
—图形分布状况：理想的粒径分布应当是标准的正态分布，我们的粉末产品经常会出现单峰或是双峰分布，有的峰形高耸，有的峰形平坦。
根据实际经验，常规粉末的粒径分布参数控制如下：—高压静电喷枪用粉末：Dv50=35~38µm，小于10µm的细粉＜8%，大于90µm的粗粉＜3%。
—摩擦枪用粉末：Dv50=40~45µm，＜10µm的细粉含量＜6%，粗粉＜70µm的粉末粒子总量＞90%。
—流化床用粉末：Dv50一般在50~60µm。
＜10µm的细粉含量＜4%，＞170µm的粗粉含量＜3%。
粉末涂料的喷涂性与细粉含量有很大关系，细粉(尤其是<5µm的超细粉)的带电性能非常差，甚至无法带上电荷，这部分粉末通常会进入回收系统而成为直接的损耗。
我们曾经测试过许多家粉厂的粉末产品，绝大多数粉末涂料的粒径偏细，平均粒径多在25~32µm，＜10µm的细粉大多在15%左右，而＞75µm的粉末粒子又偏少。
相对于高压静电粉末涂料而言，摩擦枪用粉末的粒径控制更加严格，原因在于粉末粒子必须以一定的速度与枪管内壁的聚四氟乙烯材料剧烈摩擦才能带上足够的正电荷。
如果粉末粒子太细，与管内壁摩擦的面积就小，不足以产生和保持足够的正电荷。