涂料生产工艺

第十六章 涂料生产设备与工艺 第一节 概 述 从本质上来讲，涂料生产的过程就是把颜料固体粒子通过外力进行破碎并分散在树脂溶液或者乳液中，使之形成一个均匀微细的悬浮分散体。其生产过程通常采用四个步骤。 （1）预分散 将颜料在一定设备中先与部分漆料混合，以制得属于颜料色浆半成品的拌合色浆，同时利于后续研磨； （2）研磨分散 将预分散后的拌合色浆通过研磨分散设备进行充分分散，得到颜料色浆； （3）调漆 向研磨的颜料色浆加入余下的基料、其他助剂及溶剂，必要时进行调色，达到色漆质量要求； （4）净化包装 通过过滤设备除去各种杂质和大颗粒，包装制得成品涂料。涂料生产的主要设备有分散设备、研磨设备、调漆设备、过滤设备、输送设备等。 返回 第二节 生产设备 一、分散设备 预分散是涂料生产的第一道工序，通过预分散，颜、填料混合均匀，同时使基料取代部分颜料表面所吸附的空气使颜料得到部分湿润，在机械力作用下颜料得到初步粉碎。在色漆生产中，这道工序是研磨分散的配套工序，过去色漆的研磨分散设备以辊磨机为主，与其配套的是各种类型的搅浆机，近年来，研磨分散设备以砂磨机为主流，与其配套的也改用高速分散机，它是目前使用最广泛的预分散设备。 高速分散机由机体、搅拌轴、分散盘、分散缸等组成，主要配合砂磨机对颜、填料进行预分散用，对于易分散颜料或分散细度要求不高的涂料也可以直接作为研磨分散设备使用，同时也可用作调漆设备。 高速分散机的关健部件是锯齿圆盘式叶轮，它由高速旋转的搅拌轴带动，搅拌轴可以根据需要进行升降。工作时叶轮的高速旋转使漆浆呈现滚动的环流，并产生一个很大的旋涡，位于顶部表面的颜料粒子，很快呈螺旋状下降到旋涡的底 部，在叶轮边缘2.5-5cm处，形成一个湍流区。在湍流区，颜料的粒子受到较强的剪切和冲击作用，很快分散到漆浆中。在湍流区外，形成上、下两个流束，使漆浆得到充分和循环和翻动。同时，由于粘度剪切力的作用，使颜料团粒得以分散。 圆盘式叶轮 高速分散机中液流情况 高速分散机具有以下优点 （1）结构简单、使用成本低、操作方便、维护和保养容易； （2）应用范围广，配料、分散、调漆等作业均可使用，对于易分散颜料和制造细度要求不高的涂料，可以混合、分散、调漆可直接制成产品； （3）效率高，可以一台高速分散机配合数台研磨设备开展工作； （4）结构简单，清洗方便。但其剪切力底，从而分散能力较差，不能分散紧密的颜料，对高粘度漆浆不适用。 高速分散机工作时漆浆的粘度要适中，太稀则分散效果差，流动性差也不合适。合适的漆料粘度范围通常为0.1-0.4pas 。 近几年来高速分散机又开发了一些新的品种，如双轴双叶轮高速分散机，它能产生强烈的汽蚀作用，具有很好的分散能力，同时产生的旋涡较浅，漆浆罐的装量系数也可提高；双轴高速分散机的双轴可在一定范围内作上下移动，有利于漆浆罐内物料的轴向混合；双轴高低速搅拌机适用高粘度物料拌合，如用于生产硝基铅笔漆、醇酸腻子等。 在各种研磨分散设备中，三辊机和五辊机是加工粘稠漆浆的，与之配套的预分散设备通常是搅浆机，常用的有立式换罐式混合机、转桶式搅浆机和行星搅拌机 二、研磨设备 研磨分散设备是色漆生产的主要设备，其基本型式可分为两类，一类带自由运动的研磨介质（或称分散介质），另一类不带研磨介质，依靠抹研力进行研磨分散。常用研磨分散设备有砂磨机、辊磨、高速分散机等，砂磨机分散效率高，使用于中、底粘度漆浆，辊磨可用于粘度很高的甚至成膏状物料的生产。 砂磨机、球磨机依靠研磨介质在冲击和相互滚动时产生的冲击力和剪切力进行研磨分散，由于效率高、操作简便，成为当前最主要的研磨分散设备。砂磨机由电动机、传动装置、简体、分散轴、分散盘、平衡轮等组成，分散轴上安装数个分散盘，简体中盛有适量的玻璃珠、氧化锆珠、石英砂等研磨介质。经预分散的漆浆用送料泵从底部输入，电动机带动分散轴高速旋转，研磨介质随着分散盘运动，抛向砂磨机的简壁，又被弹回，漆浆受到研磨介质的冲击和剪切得到分散。 砂磨机主要立式砂磨机和卧式砂磨机两大类。立式砂磨机研磨分散介质容易沉底，卧式砂磨机研磨分散介质在轴向分布均匀，避免了此问题。砂磨机具有生产效率高、分散细度好、操作简便、结构简单，便于维护等特点，因此成为了研磨分散的主要设备，但是进入砂磨机必须要有高速分散机配合使用，而且深色和浅色漆浆互相换色生产时，较难清洗干净，目前主要用于低粘度的漆浆。 球磨机机体内装有钢球，鹅卵石或瓷球等研磨介质，运转时，圆筒中的球被 向上提起，然后落下，球体间相互撞击或摩擦使颜料团粒受到冲击和强剪切作用，分散到漆料中。球磨机无需预混作业，完全密闭操作，适用于高挥发分漆及毒性大的漆浆的分散，而且操作简单、运行安全，但其效率低，变换颜色困难，漆浆不易放净；不适宜加工过于粘稠的漆浆。 辊磨利用转速不同的辊筒间生产的剪切作用进行研磨分散，能加工粘度很高的漆浆，适宜于难分散漆浆，换色时清洗容易，以三辊磨使用最普遍。 三、过滤设备 在色漆制造过程中，仍有可能混入杂质，如在加入颜、填料时，可能会带入一些机械杂质，用砂磨分散时，漆浆会混入碎的研磨介质（如玻璃珠），此外还有未得到充分研磨的颜料颗粒。用于色漆过滤的常用设备有罗筛、振动筛、袋式过滤器、管式过滤器和自清洗过滤机等，一般根据色漆的细度要求和产量大小选用适当的过滤设备。 （1）袋式过滤器 袋式过滤器由一细长筒体内装有一个活动的金属网袋，内套以尼龙丝绢、无纺布或多孔纤维织物制作的滤袋，接口处用耐溶剂的橡胶密封圈进 行密封，压紧盖时，可同时使密封面达到密封，因而在清理滤渣，更换滤袋时十分方便。过滤器的材质有所不锈钢和碳钢两种。为了便于用户使用，制造厂常将过滤器与配套的泵用管路连接好，装在移动式推车上，除单台过滤机外、还有双联过滤机，可一台使用，另一台进行清查。这种过滤器的优点是适用范围广，既可过滤色漆，也可过滤漆料和清漆，适用 的粘度范围也很大。选用不同的滤袋可以调节过滤细度的范围，结构简单、紧凑、体积小、密闭操作；操作方便。缺点是滤袋价格较高，虽然清洗后尚可使用，但清洗也较麻烦。 （2）管式过滤器 管式过滤器也是一种滤芯过滤器。待过滤的油漆从外层进入，过滤后的油漆从滤芯中间排出。它的优点是：滤芯强度高，拆装方便，可承受压力较高，用于要求高的色漆过滤。但滤芯价格较高，效率底。涂料生产过程中，原料、半成品，成品往往需要运输，这就需要用到输送设备，输送不同的物料需要不同的输送设备。常用的输送设备有：液料输送泵，如隔膜泵、内齿轮泵和螺杆泵，螺旋输送机，粉料输送泵等。 返回 第三节 工艺过程 一、基本工艺 （1）清漆生产工艺 清漆生产中，由于不涉及颜、填料分散，工艺相对比较简单，包括树脂溶解、调漆（主要是调节粘度、加入助剂）、过滤、包装。 （2）色漆生产工艺 色漆生产工艺是指将颜、填料均匀分散在基料中加工成色漆成品的物料传递或转化过程，核心是颜、填料的分散和研磨，一般包括混合、分散、研磨、过滤、包装等工序。通常依据产品种类、原材料特点及其加工特点的不同，首先选用适宜的研磨分散设备，确定基本工艺模式，再根据多方面的综合考虑，选用其它工艺手段，制订生产工艺过程。 通常色漆生产工艺流程是以色漆产品或研磨漆浆的流动状态，颜料在漆料中的分散性、漆料对颜料的湿润性及对产品的加工精度要求这四个方面的考虑为依据，结合其它因素如溶剂毒性等首先选定过程中所使用的研磨分散设备，从 而确定工艺过程的基本模式。 砂磨机对于颗粒细小而又易分散的合成颜料、粗颗粒或微粉化的天然颜料和填料等易流动的漆浆，生产能力高、分散精度好、能耗低、噪音小、溶剂挥发少、结构简单、便于维护、能连续生产，是加工此类涂料的优选设备，在多种类型的磁漆和底漆生产中获得了广泛的应用。但是，它不适用于生产膏状或厚浆型的悬浮散体，用于加工炭黑等分散困难的合成颜料时生产效率低，用于生产磨蚀性颜料时则易于磨损，此外换色时清洗比较困难，适合大批量生产。 球磨机同样也适用于分散易流动的悬浮分散体系，适用于分散任何品种的颜料，对于分散粗颗粒的颜料、填料、磨蚀性颜料和细颗粒又难分散的合成颜料有着突出的效果。卧式球磨机由于密闭操作，故适用于要求防止溶剂挥发及含毒物的产品。由于其研磨精度差，且清色换色困难，故不适于加工高精度的漆浆及经常调换花色品种的场合。 三辊机由于开放操作，溶剂挥发损失大，对人体危害性强，而且生产能力较低，结构较复杂，手工操作劳动强度大，故应用范围受到一定限制。但是它适用于高粘度漆浆和厚浆型产品，因而被广泛用于厚漆、腻子及部分厚浆美术 漆生产。对于某些贵重颜料，三辊机中不等速运转的两辊间能生产巨大的剪切力，导致高固体含量的漆料对颜料润湿充分，有利于获得较好的产品质量，因而被用于生产高质量的面漆。三辊机清洗换色比较方便，也常和砂磨机配合应用，用于制造复色磁漆的少量调色浆。 确定研磨分散设备的类型是决定色漆生产工艺过程的前提和关键。研磨分散设备不同，工艺过程也随之变化。以砂磨机分散工艺为例，一般需要使用高速分散机进行研磨漆浆的预混合，使颜、填料混合均匀并初步分散以后再以砂磨机研磨分散，待细度达到要求后，输送到调漆罐中进行调色制得成品，最后经过滤净化后包装，入库完成全部工艺过程。由于砂磨机研磨漆浆粘度较低，易于流动，大批量生产时可以机械泵为动力，通过管道进行输送；小批量多品种生产也可使用移动调漆罐的方式进行漆浆的转移。球磨机工艺的配料、预混合与研磨分散则在球磨筒体内一并进行，研磨漆浆可用管道输送和活动容器运送两种方式输入调漆罐调漆，再经过滤包装入库等环节完成工艺过程。三辊机分散因漆浆较稠，故一般用换罐式搅拌机混合，以活动容器运送的方式实现漆浆的传送，往往与单辊机串联使用进行工艺组合。 色漆的生产工艺一般分为砂磨机工艺、球磨机工艺、三辊机工艺和轧片工艺，核心在于分散手段不同。 以砂磨机工艺为例，包括以下工序： 备料，即将色漆生产所需的各种原材料送至车间； 配料预混合， 按工艺配方规定的数量将漆料和溶剂分别经机械泵输送并计量后加入配料预混合罐中，开动高速分散机将其混合均匀，然后在搅拌下逐渐加入配方量的颜、填料，加完后提高高速分散机的转速，以充分湿润和预分散颜料，制得待分散的漆浆； 研磨分散， 将待分散的漆浆用泵输入砂磨机进行分散，至细度合格后输入调漆罐中或者中间贮罐； 调色制漆，将分散好的漆浆输入到调漆罐中，在搅拌下，将调色漆浆逐渐加入其中，以调整颜色，补加配方中基料及助剂，并加入溶剂调整粘度； 过滤包装 经检验合格的色漆成品，经过滤器净化后，计量、包装、入库。 三、乳胶漆生产工艺 乳胶漆是颜料的水分散体和聚合物的水分散体（乳液）的混合物，这二者本身都已含有多种表面活性剂，为了获得良好的施工和成膜性质，又添加了许多表面 活性剂。这些表面活性剂除了化学键合或化学吸附外，都在动态地作吸附/脱吸附平衡，而表面活性剂间又有相互作用，如使用不当，有可能导致分散体稳定性的破坏。 因此，在颜料和聚合物两种分散体进行混合时，投料次序就显得特别重要。典型的投料顺序如下： 水； 杀菌剂； 成膜溶剂； 增稠剂； 颜料分散剂； 消泡剂、润湿剂； 颜填料； 乳液； pH调整剂； 其他助剂； 水和/或增稠剂溶液。 操作步骤是：将水先放入高速搅拌机中，在低速下依次加入杀菌剂、成膜溶剂、增稠剂、颜料分散剂、消泡剂、润湿剂，混合均匀后，将颜、填料用缓缓加入叶轮搅起的旋涡中。加入颜填料后，调节叶轮与调漆桶底的距离，使旋涡成浅盆状，加完颜料后，提高叶轮转速，为防止温度上升过多，应停车冷却，停车时刮下桶边粘附的颜填料。随时测定刮片细度，当细度合格，即分散完毕。分散完毕后，在低速下逐渐加入乳液、PH调整剂，再加入其他助剂，然后用水和/或增稠剂溶液调整粘度，过筛出料。 四、生产过程中应注意的问题 （1）絮凝 当用纯溶剂或高浓度的漆料调稀色浆时，容易发生絮凝；其原因在于调稀过程中，纯溶剂可从原色浆中提出树脂，使颜料保护层上的树脂部分为溶剂取代，稳定性下降，当用高浓度漆料调稀时，因为有溶剂提取过程，使原色中颜料浓度局部大增加，从而增加絮凝的可能。 （2）配料后漆浆增稠 色漆生产中，会在配料后或砂磨分散过程遇到漆浆稠的现象。其原因，一是颜料由于加工或贮存的原因，含水量过高，在溶剂型涂料中出现了假稠现象，二是颜料中的水溶盐含量过高，或含有其他碱性杂质，它与漆料混合后，脂肪酸与碱反应生成皂而导致增稠，解决方法：增稠现象较轻时，加少量溶剂，或补加适量漆料。增稠情况严重时，如原因是水分过高，可加入少量乙醇等醇类物质。如是碱性物质所造成的，可加入少量亚麻油酸或其他有机酸进行中和。 （3）细度不易分散 研磨漆浆时细度不易分散的原因主要有以下几点。 1. 颜料细度大于色漆要求的细度，如云母氯化铁、石墨粉等颜料的原始颗粒大于色漆细度的标准，解决办法是先将颜料进一步粉碎加工，使其达到色漆细度的要求。此时，单纯通过研磨分散解决不了颜料原始颗粒的细度问题。 2. 颜料颗粒聚集紧密难以分散。如炭黑、铁蓝在生中就很难分散，且易沉淀。解决办法是分散过程中不要停配料罐搅拌机，砂磨分散时快速进料过磨，经过砂 磨机过一遍后，再正常进料，二次分散作业，此外还可以配料中加入环烷酸锌对颜料进行表面处理，提高颜料的分散性能，也可加入分散剂，提高分散效率。3漆料本身细度达不到色漆的细度要求，也会造成不易分散，应严格把好进漆料的检验手续关。 （4）调色在贮存中变胶 某些颜料容易造成调色贮存中变胶，最易产生变胶现象的酞菁蓝浆与铁蓝浆。解决方法，可采用冷存稀浆法，即配色浆研磨后，立即倒入冷漆料中搅拌，同时加松节油稀释搅匀。 （5）醇酸色漆细度不合格 细度不合格的主要原因有：研磨漆浆细度不合格，调漆工序验收不严格；调色浆，漆料的细度不合格，调漆罐换品种对没刷洗干净，没放稀料或树脂混溶性不好。 （6）复色漆出现浮色和发花现象 浮色和发花是复色漆生产时常见的两种漆膜病态。 浮色是由于复色漆生产时所用的各种颜料的密度和颗粒大小及润湿程度不同，在漆膜形成但尚未固化的过程中向下沉降的速度不同造成的。粒径大，密度大的颜料（如铬黄钛白、铁红等）的沉降速度快，粒径小，密度小的颜料（如炭黑、铁蓝、酞菁等）的沉降速度相对慢一些，漆膜固化后，漆膜表面颜 色成为以粒径小，密度小的颜料占显著色彩的浮色，而不是工艺要求的标准复色。 发花是由于不同颜料表面张力不同，漆料的亲和力也有差距，造成漆膜表面出现局部某一颜料相对集中而产生的不规则的花斑。 解决上述问题的办法是在色漆生产中，加入降低表面张力的低粘度硅油或者其它流平助剂。 （7）凝胶化 涂料在生产或贮存时粘度突然增大，并出现具弹性凝胶的现象称为凝胶化。聚氨酯涂料在生产和贮存过程中，异氰酸酯组成（又称甲组成）和羟基组分（又称乙组分）都可能出现凝胶化现象，其原因有：生产时没有按照配方用量投料；生产操作工艺（包括反应温度、反应时间及PH值等）失控；稀释溶剂没有达到氨酯级要求；涂料包装桶漏气，混入了水分或空气中的湿气；包装桶内积有反应性活性物质，如水、醇、酸等。预防与解决的办法：原料规格必须符合配方、工艺要求；严格按照工艺条件生产，反应温度、反应时间及PH值控制在规定的范围内。 （8）发胀 色浆在研磨过程中，浆料一旦静置下来就呈现胶冻状，而一经搅拌又稀下来的现象称为发胀。这种现象主要发生在羧基分中，产生羧基组分发胀的原因主要有：羧基树脂pH值偏低，采用的是碱性颜料，两者发生皂化反应使色浆发胀，聚合度高的羧基树脂会使一些活动颜料结成的颜料粒子团而显现发胀。可以在 发胀的浆料中加入适量的二甲基乙胺或甲基二乙醇胺，缓解发胀；用三辊机对发胀的色浆再研磨，使絮凝的颜料重新分散；在研磨料中加入适量的乙醇胺类，能消除因水而引起的发胀。 （9）沉淀 由于杂质或不溶性物质的存在，色漆中的颜料出现沉底的现象叫沉淀。产生的原因主要有：色漆组分粘度小，稀料用量过大，树脂含量少；颜料相对密度大，颗粒过粗；稀释剂使用不当；贮存时间长。可以加入适量的硬脂酸铝或有机膨润土等涂料常用的防沉剂，提高色漆的研磨细度避免沉淀。 （10）变色 清漆在贮存过程中由于某些原因颜色发生变化的现象叫变色。这种现象主要发生在羧基组分中，其原因有：羧基组分PH值偏低，与包装铁桶和金属颜料发生化学反应；颜色料之间发生化学反应，改变了原来颜料的固有显色；颜料之间的相对密度相差大，颜料分层造成组分颜色不一致。可以通过选用高pH值羧基树脂，最好是中性树脂避免变色；在颜料的选用上须考虑它们之间与其他组分不发生反应。 （11）结皮 涂料在贮存中表层结出一层硬结的漆膜的现象成为结皮。产生的原因有：涂 料包装桶的桶盖不严；催干剂的用量过多。可加入防结皮剂丁酮肟以及生产时严格控制催干剂的用量解决。返回 第四节 质量检验与性能测试 对涂料进行质量检验和性能测试有利于选定配方，指导生产，起到控制产品质量的作用，同时为施工提供技术数据，并且有助于开展基础理论研究。涂料本身不能作为工程材料使用，必须和被涂物品配套使用并发挥其功能，其质量好坏，最重要的是它涂在物体上所形成的涂膜性能。因此，涂料的质量检测有其特点： （1）涂料产品质量检测即涂料及涂膜的性能测试，主要体现在涂膜性能上，以物理方法为主，不能单纯依靠化学方法； （2）试验基材和条件有很大影响；涂料产品应用面极为广泛，必须通过各种涂装方法施工在物体表面，其施工性能好地不也大大影响涂料的使用效果，所以，涂料性能测试还必须包括施工性能的测试。 （3）同一项目往往从不同角度进行考察，结果具有差异； （4）性能测试全面，涂料涂装在物体表面形成涂膜后应具有一定的装饰、保护性能，除此而外。涂膜常常在一些特定环境下使用，需要满足特定的技术要求。 因此，还必须测试某些特殊保护性能，如耐温，耐腐蚀，耐盐雾等。涂料的性能一般包括涂料产品本身的性能、涂料施工性能、涂膜性能等。 一、涂料产品本身的性能测试涂料产品本身的性能包括涂料产品形态，组成，贮存性等性能。下文择要介绍： （1）颜色与外观 本项目是检查涂料的形状，颜色和透明度的，特别是对清漆的检查，外观更为重要，参见国家标准GB1727-79清漆，清油及稀释剂外观和透明度，GB1722-79清漆，清油及稀释颜色测定方法。 （2）细度 细度是检查色漆中颜料颗料或分散均匀程度的标准以um表示，测定方法见GB1724-79涂料细度测定法。 （3）粘度 粘度测定的方法很多，涂料中通常是在规定的温度下测量定量的涂料从仪器孔流出所需的时间，以s表示，如涂-4粘度计，具体方法见GB1723-79涂料粘度测定法。 （4）固体份（不挥发份） 固体份是涂料中除去溶剂（或水）之外的不挥发份（包括树脂、颜料、增塑剂等）占涂料重量的百分比，用以控制清漆和高装饰性磁漆中固体份和挥发份的比例是否合适，从而控制漆膜的厚度。一般来说，固体份低，一次成膜较薄，保护性欠佳，施工时较易流挂。 二、涂料施工性能 涂料施工性能是评价涂料产品质量好坏的一个重要方面，主要有：遮盖力，指的是遮盖物面原来底色的最小色漆用量；使用量，即涂覆单位面积所需要的涂料数量；干燥时间，涂料涂装施工以后，从流体层到全部形成固体涂膜的这段时间，称为干燥时间； 流平性系指涂料施工后形成平整涂膜的能力。 三、 涂膜性能 涂膜性能是涂料产品质量的最终表现，也是涂料价值的体现，一般包括机械性能、外观、热性能、耐候性等。 涂膜外观包括颜色、表面平滑性、光泽等。 机械性能是涂膜的基本性能，包括附着力、硬度、柔韧性、抗冲击等。涂膜的硬度是指涂膜干燥后具有的坚实性，用以判断它抵抗外来磨擦和碰撞的能力，测定涂膜硬度的方法很多，一般用摆杆硬度计测定。柔韧性是指涂膜经过一定的弯曲后，不发生破裂的性能，所也称为柔韧性或弯曲性。测定柔韧性是将涂漆马口铁板在一定直径的轴棒上弯曲，观察涂膜是否有裂纹，无裂纹即算通过。 冲击强度是指涂膜受到机械冲击时，涂膜不发生破损或起皱的承受能力，这项指标对于车辆及机械用漆具有重要电义。附着力涂膜附着力是指它和被涂物表面牢固结合的能力，附着力的油定方法有划圈法，划格法和扭力法等。 涂膜的热性能包括耐热、耐寒性、温变性。 耐介质性包括：耐水性，水可以采用蒸馏水，盐水，海水，热水，冷水等不同水种；还有耐酸，耐碱，耐溶剂，耐汽车油，耐化学药品等性能涂膜对光（主要上紫外光）作用的稳定性称为涂料的耐光性。涂膜的耐光性主要取决于树脂的结构，颜料也有重要影响，不同品种的涂料，耐光性相差很远。通常丙烯酸树脂，脂肪族聚氨酯的耐光性很好，硝基，环氧等较差，易产生褪色，变黄，泛白等。 返回