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。同時針對汽車車身開發(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)線仍然會經(jīng)常出現(xiàn)問題[1]。問題之一是粉末的流動性差，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保證粉末顆粒很好的流動性。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、相對濕度和噴涂過程的微小變化都會導(dǎo)致粉末的流動性達(dá)不到噴涂施工要求和涂膜外觀要求[4-5]。因此，在涂裝前，對粉末流動性的測試和預(yù)測顯得更加重要。
本研究旨在歸納出一系列顆粒流動性的有效表征方法，通過這些表征結(jié)果識別出性質(zhì)不佳的粉末涂料。測量粉末顆粒流動性能的方法很多，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性的好壞。但是，實際中這些方法在測量準(zhǔn)確性、結(jié)果重復(fù)性和簡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)探討其實驗結(jié)果并找出這些表征方法的適用情況。
1 實驗部分
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：一類是測量粉末顆粒的基本物理參數(shù)；一類是測量顆粒的流動性。
1.1 粉末的基本物理參數(shù)
1.1.1 密度
根據(jù)ASTM D5965—2013測定粉末涂料樣品的密度。此測量方法的原理是通過測量粉末樣品的質(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激光粒度分析儀測量每種粉末顆粒的粒徑，分別測出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 流動性的表征方法
此部分描述的表征方法能直接測量粉末的流動性。這些表征方法不是針對單個粉末顆粒，而是測量在一定的應(yīng)力狀態(tài)下顆粒群的表現(xiàn)情況。這些表征方法結(jié)果可以用來評估在相似的實際使用環(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，測量粉末的流動性。實驗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時床層高度之比。床層膨脹率愈大，表明粉體的流動性愈好。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試方法，采用Mercury Scientific公司生產(chǎn)的粉體綜合特性分析儀測量旋轉(zhuǎn)床膨脹率[8]。在測試前，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。在測試時，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，設(shè)備內(nèi)部的數(shù)碼攝像機(jī)會拍攝粉末流動情況并傳輸?shù)诫娔X上，通過軟件計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)束測試。選取在轉(zhuǎn)速達(dá)到70 r/min時的測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粉末特性測試儀測量堆積角。在本測試中，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，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)測量6次，取6次測量結(jié)果的平均值。堆積角越小，表明粉末的流動性越好。
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