本文淺析了粉末涂料行業(yè)對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試基礎(chǔ)知識。粉末涂料行業(yè)是對粒度分布要求比較嚴格的行業(yè)之一。本文側(cè)重于介紹了粒度分布對粉末涂料性能的影響、激光粒度儀的原理及特點，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試粒度分布這個物理量。綜合來說，涂料顆粒的粒度分布對粉末涂料性能的影響有以下幾個大方面：

涂料顆粒粒徑影響其帶電性能

粉末涂料噴涂時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速度大于庫侖力的增長速度。也就是說顆粒大到一定程度后，重力會遠大于庫侖力，導(dǎo)致上粉率和涂覆效果會變差。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。粉末涂料太細或者太粗，涂裝施工效率、質(zhì)量就會下降。

▲ 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。通過研究流平時間的NIX和DODGE公式：t=kμR/γ（t是涂料顆粒聚結(jié)時間、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間成正比。粉末涂料的粒度分布不均勻或者顆粒太粗，將嚴重影響流平性。

▲ 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)濟性的重要參數(shù)。

影響涂料的儲藏性能

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

上圖是一個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，這些顆粒既浪費了原材料和能源，又嚴重影響涂料的存藏性能，應(yīng)該盡量減少其含量。

2、激光粒度儀測量原理及特點

激光粒度分析儀是利用光的散射（衍射）現(xiàn)象進行粒度分析的.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激光束照射待測粉體后產(chǎn)生的散射光，用對應(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)前流行的粒度測試儀器之一，具有多項優(yōu)點。首先是它的測量動態(tài)范圍大。動態(tài)范圍是指儀器能同時測量的大粒徑與小粒徑的比值。動態(tài)范圍越大，測試寬分布樣品的能力就越強，儀器適用范圍就越廣。其次是它的測量速度快、對使用環(huán)境要求不高。激光粒度儀測試一個樣品全過程一般只需兩、三分鐘，儀器安置在無明顯振動、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，它利用光電檢測技術(shù)速度快、精度高的優(yōu)點，一次取樣可進行超過1000次的高精度信號采樣，因而測量的重復(fù)性精度高，平均粒徑的典型重復(fù)性精度可達1%以內(nèi)。粉末涂料顆粒的粒度分布范圍及顆粒特點屬于激光粒度儀的優(yōu)勢領(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常見的涂裝質(zhì)量問題——橘皮現(xiàn)象為例，簡單的分析探討一下。

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)時間長，流平相對較差。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，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，確認配方及原材料無異動，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，是由三套同型號生產(chǎn)設(shè)備同時開工生產(chǎn)的，疑點焦距到了涂料擠出、粉碎分級過程。仔細檢查三套設(shè)備的工況，發(fā)現(xiàn)其中一臺設(shè)備磨機外殼溫度高出另外兩臺設(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

做噴涂試驗后，可以看出該涂料確實存在輕微的橘皮現(xiàn)象，問題原因找到。粉末涂料的粉碎過程大致如下：原料進入粉碎室，在動磨盤和靜磨盤的沖擊、剪切、摩擦作用下被粉碎。分級室中，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)。對該套問題設(shè)備的磨機、分級機進行檢修，發(fā)現(xiàn)存在磨盤損耗大的問題。維修并對磨機工作參數(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。

在這個案例中，能夠迅速準(zhǔn)確的定位和解決問題，檢測精度高、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)驗摸索，雖然也能解決問題，但是整個過程將變得繁瑣；消耗的工時、成本增加是必然的。需要強調(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影響橘皮問題，大家在分析問題時需要綜合考慮。

4、粉末涂料行業(yè)如何選擇合適的激光粒度儀器

用戶選購激光粒度儀器時，由于不太了解相關(guān)知識，往往會有些困惑。要選擇性價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。指儀器對同一樣品進行多次測量所得結(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)勢的。

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

4.量程。儀器量程越寬，使用范圍越廣，但是量程寬也會導(dǎo)致儀器價格貴。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)都希望自己的測試結(jié)果能得到同行和客戶普遍認可，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)有豐富的測試經(jīng)驗及大量的客戶群。

6.售后服務(wù)。及時、長期有效的售后服務(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，市場占有率高的品牌機型；儀器供應(yīng)商能夠地處經(jīng)濟、交通發(fā)達地區(qū)提供售后服務(wù)便利；儀器供應(yīng)商對粉末涂料行業(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，不需要對待測粉體做專門的分散前處理。因此，干法測試操作簡單便捷，易于掌握。不足之處在于干法測試系統(tǒng)構(gòu)成較為復(fù)雜、儀器整體造價較高，同時對亞微米級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溶劑作為分散介質(zhì)。液體分散介質(zhì)粘度大，分散能力強。同時由于水是聲波良導(dǎo)體，使用濕法測試還可以使用超聲震蕩、添加特殊分散劑等額外分散手段。這使得濕法測試能夠自如應(yīng)對較難分散的超細粉體。例如粉末涂料原材料中的超細鈦白粉，目前就只有濕法測試才能可靠檢測其粒度分布。

濕法激光粒度儀還有結(jié)構(gòu)簡單的特點，采購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，濕法測試時需要做分散前處理，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。總的來說，濕法、干法儀器都適于粉末涂料行業(yè)，干法激光粒度儀測試性能及操作便利性略有優(yōu)勢，是當(dāng)前行業(yè)新標(biāo)準(zhǔn)的適用儀器。