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水性底漆在噴霧過(guò)程中的液滴大小測(cè)量- SpraySpy^?現(xiàn)場(chǎng)報(bào)告

霧化研究

涂料的使用對(duì)成品的色調(diào)、鋁效果顏料的底色、涂料的外觀等性能有決定性的影響。不僅應(yīng)用方法本身是決定性的。例如在高轉(zhuǎn)速霧化情況下，轉(zhuǎn)速、流量、轉(zhuǎn)向空氣等應(yīng)用參數(shù)的選擇也對(duì)霧化效果有決定性的影響。因此，了解油漆的霧化過(guò)程是很有意義的。巴斯夫涂料部門使用由AOM - Systems公司研發(fā)的SpraySpy^?噴霧檢測(cè)系統(tǒng)（圖1）開(kāi)發(fā)了一套測(cè)量裝置，可以對(duì)汽車涂料的霧化過(guò)程（甚至是靜電霧化）進(jìn)行詳細(xì)研究。這樣，就能從油漆霧化過(guò)程中獲得的信息來(lái)更有效預(yù)測(cè)的油漆配方開(kāi)發(fā)或設(shè)置最.優(yōu)的應(yīng)用參數(shù)。

圖1:來(lái)自AOM-Systems的SpraySpy^?LabLine 450

使用SpraySpy^?獲得更多關(guān)于霧化過(guò)程的參數(shù)信息

SpraySpy^?測(cè)量技術(shù)基于移動(dòng)液滴在激光照射下的產(chǎn)生的光散射。由此產(chǎn)生的光散射在時(shí)間上被分離成單個(gè)的散射信號(hào)，并被光子接收器記錄下來(lái)。散射階數(shù)的特征與液滴的大小、速度和不透明度密切相關(guān)。這是SpraySpy^?技術(shù)成為一種直接計(jì)數(shù)測(cè)量方法。與其他測(cè)量方法相比，他既測(cè)量噴霧中的透明液滴，也能夠?qū)ν该饕旱芜M(jìn)行測(cè)量。該系統(tǒng)測(cè)量所使用的激光束在液滴內(nèi)或液滴表面上產(chǎn)生穿透和反射。如果把這些結(jié)果相互聯(lián)系起來(lái)，就會(huì)對(duì)噴霧的表征產(chǎn)生一個(gè)重要的測(cè)量值，這是很難用其他任何方法做到的。這既是時(shí)移測(cè)量方法的優(yōu)勢(shì)。SpraySpy^?能夠在真實(shí)的應(yīng)用條件下進(jìn)行測(cè)量。例如可以測(cè)量高電壓下ATEX區(qū)域內(nèi)的含溶劑涂料。

簡(jiǎn)便的測(cè)量設(shè)置

為了表征汽車噴漆錐，使用了如圖2所示的測(cè)試裝置。

圖2:使用SpraySpy^?測(cè)量涂料滴度的示意圖結(jié)構(gòu)。

典型的測(cè)量設(shè)置:在試驗(yàn)工廠用SpraySpy^?測(cè)量一個(gè)高旋轉(zhuǎn)的霧化器。

高旋轉(zhuǎn)鐘罩與測(cè)量部分呈45度角，在標(biāo)準(zhǔn)條件下，實(shí)際測(cè)量激光位于鐘罩邊緣以下25mm。因此，過(guò)噴、紊流和逆流都能夠降到最.低。這種測(cè)量幾何結(jié)構(gòu)提供了激光透鏡或探測(cè)器受到污染較少的優(yōu)點(diǎn)。由于噴霧比較稠密，保證了較高的液滴密度，使得測(cè)量結(jié)果具有較高的統(tǒng)計(jì)確定性。此外，在55毫米的測(cè)量截面上，所有噴霧部分都能夠被捕捉到，因此即使非常寬的噴霧錐也能被檢測(cè)。總而言之，這個(gè)測(cè)試設(shè)置能夠重復(fù)測(cè)量不同應(yīng)用參數(shù)設(shè)定下所有霧化器，旋杯和油漆系統(tǒng)。此外，對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，這種測(cè)量裝置還有許多優(yōu)點(diǎn)。與現(xiàn)有的液滴尺寸測(cè)量裝置相比，該測(cè)試裝置在短時(shí)間內(nèi)就可以安裝就位，測(cè)量程序十分簡(jiǎn)便。同樣地，測(cè)量系統(tǒng)對(duì)不準(zhǔn)情況也很少會(huì)發(fā)生，因此即便更換到其他測(cè)試工位也不會(huì)產(chǎn)生任何問(wèn)題。

分析四個(gè)水性底漆

在一項(xiàng)研究中，使用SpraySpy^?分析了四種不同的水性底漆 （WB）。解決系統(tǒng)中對(duì)透明度產(chǎn)生的影響

l  M1，WBL無(wú)填料

l  M2，WBL使用硫酸鋇作為填料

l  M3，WBL有填料，并且有碳黑顏料

l  M4，WBL有填料，碳黑和鋁效果顏料

進(jìn)行分析。為此，預(yù)先使用405和450 nm (SpraySpy^?激光器的波長(zhǎng))對(duì)10μm抗蝕劑薄膜厚度進(jìn)行傳輸測(cè)量。（圖3）。

圖3:抗蝕劑M1 - M4在10μm薄膜厚度時(shí)的透射測(cè)量。NT (%) = SpraySpy^?測(cè)量中不透明滴劑的比例。

正如預(yù)期的那樣，M1的透明度最.高，而M2和M3按照這個(gè)順序吸收的能量更多。最.后，除M4鋁系統(tǒng)外，干燥膜中的透射率與霧化過(guò)程中不透明液滴的比例有很好的相關(guān)性。這可以解釋為干燥膜中的鋁顏料，它們沒(méi)有完全平面排列，導(dǎo)致比在噴霧錐的液滴中傳輸更高。通過(guò)高旋轉(zhuǎn)霧化，使用SpraySpy^?在三種不同速度(23k、43k和63k rpm)下對(duì)四種涂層進(jìn)行分析。如圖4所示，可以清楚地區(qū)分不同的油漆。大于35μm (中值)的透明大液滴在M1霧化中產(chǎn)生，而M2中的填充劑將液滴尺寸減小到27 ~ 31μm。在含有顏料涂層的M3(炭黑)和M4(鋁效果顏料)中發(fā)現(xiàn)了更小的透明液滴，大小約為15 - 17μm。如預(yù)期的那樣，在較高的速度下可以得到更小的液滴，這在非透明測(cè)量模式下尤為明顯。在這里，M3和M4系統(tǒng)的進(jìn)一步區(qū)分成功了，在M4鋁系統(tǒng)中，較大的非透明液滴在所有速度下都能夠被測(cè)量到。一般來(lái)說(shuō)，較大液滴能夠產(chǎn)生最.大的速度，正如圖中的線性趨勢(shì)線所說(shuō)明的那樣。

圖4，涂層M1 - M4在不同速度下的D(N50)與速度(N50)的相關(guān)性。左:透明液滴，右:不透明液滴。

鐘形鋸齒決定空間解決的水滴大小

進(jìn)一步的研究表明，旋杯邊緣對(duì)空間分辨的液滴大小有顯著的影響。為此，選擇一個(gè)WBL霧化速度為43000 rpm，出流率為300 mL/min，轉(zhuǎn)向空氣為400 NL/min，有兩種不同形狀的旋杯：a）無(wú)鋸齒鐘形和b）線鋸齒旋杯。首先看一下平均值，沒(méi)有鋸齒的旋杯（D中位數(shù)= 18.2μm)和有鋸齒的旋杯(D中位數(shù)= 18.9μm)之間沒(méi)有顯著差異。然而，噴霧錐彼此之間差異很大，如圖5所示，基于0 - 30mm的空間分辨下降速度。對(duì)于兩種旋杯產(chǎn)生的液滴來(lái)說(shuō)，液滴的速度從噴霧錐的內(nèi)部(0毫米)向中.心下降，而噴霧錐外部區(qū)域(18 - 25毫米)的線鋸齒導(dǎo)致透明液滴和非透明液滴明顯具有高速。這種特征對(duì)于沒(méi)有鋸齒的旋杯來(lái)說(shuō)不明顯。

圖5: 旋杯鋸齒對(duì)所選WBL的空間分辨下降速度的影響

結(jié)論：

結(jié)果表明，SpraySpy^?是一種易于使用的測(cè)量系統(tǒng)，特別適用于在汽車涂料的應(yīng)用過(guò)程中測(cè)量和表征噴錐。這些特性能夠獲得非常詳細(xì)的霧化參數(shù)信息，并提供關(guān)于空間分辨的液滴大小、速度和液滴類型(透明vs.非透明)的信息。指導(dǎo)用戶可以較快地獲得可重復(fù)的結(jié)果。因此，在標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量條件下(一個(gè)霧化器，一個(gè)特定的測(cè)量位置)，SpraySpy^?提供了非常有用的方法來(lái)區(qū)分不同的油漆系統(tǒng)，并進(jìn)一步更精確地了解霧化過(guò)程。有了表面特性的知識(shí)，應(yīng)用參數(shù)就可以進(jìn)一步優(yōu)化。在巴斯夫涂料部門的技術(shù)管理中，例如新涂料和涂料工藝的開(kāi)發(fā)和測(cè)試，SpraySpay^?作為測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)，能夠更有針對(duì)性地闡明復(fù)雜的因果機(jī)制。

Author:

Steffen Rohlmann, Georg Wigger, Christian Bornemann

ECO/TAVB, Application Process Technology Europe, BASF Coatings GmbH Münster, Glasuritstrasse 1