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水性底漆在噴霧過程中的液滴大小測量- SpraySpy^?現(xiàn)場報告

霧化研究

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

圖1:來自AOM-Systems的SpraySpy^?LabLine 450

使用SpraySpy^?獲得更多關于霧化過程的參數(shù)信息

SpraySpy^?測量技術基于移動液滴在激光照射下的產(chǎn)生的光散射。由此產(chǎn)生的光散射在時間上被分離成單個的散射信號，并被光子接收器記錄下來。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。這是SpraySpy^?技術成為一種直接計數(shù)測量方法。與其他測量方法相比，他既測量噴霧中的透明液滴，也能夠?qū)ν该饕旱芜M行測量。該系統(tǒng)測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。如果把這些結果相互聯(lián)系起來，就會對噴霧的表征產(chǎn)生一個重要的測量值，這是很難用其他任何方法做到的。這既是時移測量方法的優(yōu)勢。SpraySpy^?能夠在真實的應用條件下進行測量。例如可以測量高電壓下ATEX區(qū)域內(nèi)的含溶劑涂料。

簡便的測量設置

為了表征汽車噴漆錐，使用了如圖2所示的測試裝置。

圖2:使用SpraySpy^?測量涂料滴度的示意圖結構。

典型的測量設置:在試驗工廠用SpraySpy^?測量一個高旋轉的霧化器。

高旋轉鐘罩與測量部分呈45度角，在標準條件下，實際測量激光位于鐘罩邊緣以下25mm。因此，過噴、紊流和逆流都能夠降到最.低。這種測量幾何結構提供了激光透鏡或探測器受到污染較少的優(yōu)點。由于噴霧比較稠密，保證了較高的液滴密度，使得測量結果具有較高的統(tǒng)計確定性。此外，在55毫米的測量截面上，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?？偠灾?，這個測試設置能夠重復測量不同應用參數(shù)設定下所有霧化器，旋杯和油漆系統(tǒng)。此外，對于用戶來說，這種測量裝置還有許多優(yōu)點。與現(xiàn)有的液滴尺寸測量裝置相比，該測試裝置在短時間內(nèi)就可以安裝就位，測量程序十分簡便。同樣地，測量系統(tǒng)對不準情況也很少會發(fā)生，因此即便更換到其他測試工位也不會產(chǎn)生任何問題。

分析四個水性底漆

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

l  M1，WBL無填料

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

進行分析。為此，預先使用405和450 nm (SpraySpy^?激光器的波長)對10μm抗蝕劑薄膜厚度進行傳輸測量。（圖3）。

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

正如預期的那樣，M1的透明度最.高，而M2和M3按照這個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程中不透明液滴的比例有很好的相關性。這可以解釋為干燥膜中的鋁顏料，它們沒有完全平面排列，導致比在噴霧錐的液滴中傳輸更高。通過高旋轉霧化，使用SpraySpy^?在三種不同速度(23k、43k和63k rpm)下對四種涂層進行分析。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，這在非透明測量模式下尤為明顯。在這里，M3和M4系統(tǒng)的進一步區(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量到。一般來說，較大液滴能夠產(chǎn)生最.大的速度，正如圖中的線性趨勢線所說明的那樣。

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

進一步的研究表明，旋杯邊緣對空間分辨的液滴大小有顯著的影響。為此，選擇一個WBL霧化速度為43000 rpm，出流率為300 mL/min，轉向空氣為400 NL/min，有兩種不同形狀的旋杯：a）無鋸齒鐘形和b）線鋸齒旋杯。首先看一下平均值，沒有鋸齒的旋杯（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。對于兩種旋杯產(chǎn)生的液滴來說，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)的線鋸齒導致透明液滴和非透明液滴明顯具有高速。這種特征對于沒有鋸齒的旋杯來說不明顯。

圖5: 旋杯鋸齒對所選WBL的空間分辨下降速度的影響

結論：

結果表明，SpraySpy^?是一種易于使用的測量系統(tǒng)，特別適用于在汽車涂料的應用過程中測量和表征噴錐。這些特性能夠獲得非常詳細的霧化參數(shù)信息，并提供關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。指導用戶可以較快地獲得可重復的結果。因此，在標準的測量條件下(一個霧化器，一個特定的測量位置)，SpraySpy^?提供了非常有用的方法來區(qū)分不同的油漆系統(tǒng)，并進一步更精確地了解霧化過程。有了表面特性的知識，應用參數(shù)就可以進一步優(yōu)化。在巴斯夫涂料部門的技術管理中，例如新涂料和涂料工藝的開發(fā)和測試，SpraySpay^?作為測量的關鍵技術，能夠更有針對性地闡明復雜的因果機制。

Author:

Steffen Rohlmann, Georg Wigger, Christian Bornemann

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