早在20世紀(jì)90年代后期，粉末涂料作為底漆開始在通用汽車和克萊斯勒公司應(yīng)用，目前，美國已有十多家汽車廠家開始采用粉末涂料涂裝生產(chǎn)線噴涂車身。世界五大汽車涂料生產(chǎn)公司杜邦(DuPont)、巴斯夫(BASF)、關(guān)西涂料(Kansai)、PPG和日本涂料(Nippon)開始大力研發(fā)汽車(外殼用)粉末涂料。隨著我國環(huán)保力度的不斷加大以及汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，21世紀(jì)初我國開始使用粉末涂料涂裝汽車零部件，目前汽車鋁輪轂粉末涂料的應(yīng)用技術(shù)已達(dá)到國外水平。同時(shí)針對(duì)汽車車身開發(fā)的粉末涂料也已經(jīng)應(yīng)用于國產(chǎn)轎車的試驗(yàn)線上。
重慶粉末噴涂近年來粉末涂料在汽車涂裝領(lǐng)域發(fā)展迅速，但是由于粉末涂料的特殊性質(zhì)和汽車行業(yè)對(duì)涂層的高要求，國內(nèi)外很多汽車公司的粉末噴涂生產(chǎn)線仍然會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)問題[1]。問題之一是粉末的流動(dòng)性差，因而在噴槍口處發(fā)生噴涌，造成生產(chǎn)線上噴粉速率不均[2]。此外，粉末涂料制造商為了獲得更光滑的涂層不得不減小顆粒尺寸；而隨著顆粒粒徑的減小，流動(dòng)性能更加惡化[3]。很多粉末涂料制造商都致力于盡可能減小粉末顆粒粒徑的同時(shí)保證粉末顆粒很好的流動(dòng)性。由于這兩方面的要求，使得粉末顆粒的參數(shù)調(diào)節(jié)范圍很小，粉末涂料的配方、顆粒尺寸、溫度、相對(duì)濕度和噴涂過程的微小變化都會(huì)導(dǎo)致粉末的流動(dòng)性達(dá)不到噴涂施工要求和涂膜外觀要求[4-5]。因此，在涂裝前，對(duì)粉末流動(dòng)性的測(cè)試和預(yù)測(cè)顯得更加重要。
本研究旨在歸納出一系列顆粒流動(dòng)性的有效表征方法，通過這些表征結(jié)果識(shí)別出性質(zhì)不佳的粉末涂料。測(cè)量粉末顆粒流動(dòng)性能的方法很多，理想情況下，這些表征方法應(yīng)該準(zhǔn)確、便于操作并且能夠很好地判斷出粉末流動(dòng)性的好壞。但是，實(shí)際中這些方法在測(cè)量準(zhǔn)確性、結(jié)果重復(fù)性和簡(jiǎn)單易操作方面卻不盡相同[6]。在本研究中，我們選擇了幾種重要的表征方法在一定使用環(huán)境(應(yīng)力范圍)內(nèi)探討其實(shí)驗(yàn)結(jié)果并找出這些表征方法的適用情況。
1 實(shí)驗(yàn)部分
本研究采用環(huán)氧聚酯和聚氨酯2種目前在汽車工業(yè)領(lǐng)域具有代表性的粉末涂料作為樣品。討論了2類粉末顆粒的表征方法：一類是測(cè)量粉末顆粒的基本物理參數(shù)；一類是測(cè)量顆粒的流動(dòng)性。
1.1 粉末的基本物理參數(shù)
1.1.1 密度
根據(jù)ASTM D5965—2013測(cè)定粉末涂料樣品的密度。此測(cè)量方法的原理是通過測(cè)量粉末樣品的質(zhì)量以及粉末在正己烷中的體積排量來計(jì)算顆粒的真密度。
1.1.2 粒徑分布
采用馬爾文儀器公司的Mastersizer2000激光粒度分析儀測(cè)量每種粉末顆粒的粒徑，分別測(cè)出D10、D50(D10表示小于此粒徑的顆粒體積占顆?？傮w積的10%，D50表示大于或小于此值的顆粒各占50%)。
1.2 流動(dòng)性的表征方法
此部分描述的表征方法能直接測(cè)量粉末的流動(dòng)性。這些表征方法不是針對(duì)單個(gè)粉末顆粒，而是測(cè)量在一定的應(yīng)力狀態(tài)下顆粒群的表現(xiàn)情況。這些表征方法結(jié)果可以用來評(píng)估在相似的實(shí)際使用環(huán)境(應(yīng)力狀態(tài))下粉末的表現(xiàn)情況[7]。
1.2.1 床層膨脹率法
根據(jù)通用汽車公司標(biāo)準(zhǔn)GM 9984046中要求的測(cè)量方法，需要在不同的空氣壓力下，在56.6 L的流化床中流化18.14 kg的樣品，測(cè)量粉末的流動(dòng)性。實(shí)驗(yàn)中采用按比例縮小的、直徑為5.08 cm的有機(jī)玻璃管流化床來測(cè)量床層膨脹率
多孔分布板的材料為聚四氟乙烯。首先在流化床中填充10 cm高的粉末，用表觀氣速為3.7 cm/s的干燥的壓縮空氣流化粉末，使其達(dá)到劇烈的鼓泡床狀態(tài)。然后將表觀氣速調(diào)至1 cm/s，并逐漸降低至0，測(cè)量此過程中不同氣速下的床層高度。床層膨脹率為不同表觀氣速下的床層高度和表觀氣速為0時(shí)床層高度之比。床層膨脹率愈大，表明粉體的流動(dòng)性愈好。在粉末涂層工藝中，表觀氣速0.5 cm/s具有代表性，因此選取該氣速條件下的床層膨脹率進(jìn)行重復(fù)性分析。
1.2.2 旋轉(zhuǎn)床膨脹率法
為嘗試一種新的床膨脹測(cè)試方法，采用Mercury Scientific公司生產(chǎn)的粉體綜合特性分析儀測(cè)量旋轉(zhuǎn)床膨脹率[8]。在測(cè)試前，用金屬杯稱量120 mL粉末，倒入直徑11 cm、高3.5 cm的圓柱形轉(zhuǎn)鼓中。在測(cè)試時(shí)，首先將鼓的旋轉(zhuǎn)速度設(shè)為100 r/min，待粉末混合均勻，停1 min使粉末完全靜止。然后將鼓的轉(zhuǎn)速調(diào)至10 r/min，在鼓旋轉(zhuǎn)時(shí)，設(shè)備內(nèi)部的數(shù)碼攝像機(jī)會(huì)拍攝粉末流動(dòng)情況并傳輸?shù)诫娔X上，通過軟件計(jì)算出粉末的平均體積。旋轉(zhuǎn)10 s后，將鼓的轉(zhuǎn)速提高5 r/min，再次測(cè)量粉末的平均體積。重復(fù)上述步驟直到轉(zhuǎn)速達(dá)到100 r/min，結(jié)束測(cè)試。選取在轉(zhuǎn)速達(dá)到70 r/min時(shí)的測(cè)量值與最初樣品的體積之比即為旋轉(zhuǎn)床膨脹率。同樣地，旋轉(zhuǎn)床膨脹率越高，表明粉體的流動(dòng)性越好。
1.2.3 堆積角法
根據(jù)ASTM D6393—2014采用Hosokawa Micron Powder Systems公司生產(chǎn)的PT-N粉末特性測(cè)試儀測(cè)量堆積角。在本測(cè)試中，粉末通過漏斗降落到一圓盤上，形成一錐形堆。當(dāng)不再有額外的粉末堆積到錐形堆上時(shí)，粉末堆的表面和圓盤表面之間的角度即為堆積角。每種粉末需重復(fù)測(cè)量6次，取6次測(cè)量結(jié)果的平均值。堆積角越小，表明粉末的流動(dòng)性越好。
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