Дозирование и диспергирование

ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ИСПЫТАНИЯ СИСТЕМЫ ДОЗИРОВАНИЯ И ДИСПЕРГИРОВАНИЯ ДЕМОНСТРИРУЮТ СОКРАЩЕНИЕ РАСХОДА АДДИТИВОВ НА 60%.

Статью подготовили Марк Гирземель, Кристиан Бегасс и Фабиан Мертенс для публикации в журнале «Farbe und Lack» (2/2020).

При производстве порошковых красок такие аддитивы, как оксид алюминия (Al₂O₃) или диоксид кремния (SiO₂, кремнезем) улучшают сыпучесть твердых частиц и предотвращают образование пыли при нанесении. Затраты на аддитивы имеют важное значение для производителей порошковых покрытий. Их можно сократить путем увеличения дисперсии аддитивов в порошке и, следовательно, уменьшения их количества при сохранении желаемой сыпучести.

В порошковых покрытиях используются разные аддитивы, например, выравнивающие агенты, структурные добавки, матирующие агенты, антислеживающие агенты и воски для обработки поверхности. Большая часть аддитивов добавляется в премикс и смешивается с ним в экструдере. Аддитивы, влияющие на сыпучесть, например оксид алюминия и диоксид кремния (кремнезем), смешиваются с порошком после экструзии. Такие аддитивы добавляются в продукт при помоле: до, после или в процессе измельчения. [1]

Первостепенным значением для нанесения порошкового покрытия обладает сыпучесть. Аддитивы, преимущественно оксид алюминия и диоксид кремния, облегчают транспортировку, предотвращают образование пыли при нанесении и, следовательно, возникновение дефектов поверхности. Также, с оксидом алюминия порошковые покрытия не меняют своих свойств при хранении, не поглощают влагу, а качество нанесения покрытия на кромки окрашиваемой поверхности улучшается. Кроме того, этот аддитив улучшает электростатическую положительную заряжаемость трибопорошков. [2]

Обычно расходуется около 20–50 т добавок на 10 000 т порошкового покрытия. Цель состоит в том, чтобы сократить потребление оксида алюминия или, скорее, кремнезема в процессе производства. Также необходимо полностью предотвратить появление белых точек на поверхности порошкового покрытия или свести их количество к минимуму.

Добавка аддитивов

В прошлом аддитивы традиционно насыпали в коробки вручную. Позднее производители порошковых покрытий стали добавлять аддитивы в контейнер для чипсы. Сегодня аддитивы вводят двумя способами: с помощью поворотного шлюза перед мельницей или с помощью дозатора, размещенного между циклоном и ситом.
Аддитив подается перед мельницей с помощью канала всасывания (рис. 1), а между циклонным классификатором и ситом – с помощью инжектора (рис. 2).

В конфигурации системы с каналом всасывания аддитив за счет отрицательного давления в системе всасывается в загрузочную трубу, затем подается вместе с чипсой в ударную мельницу-классификатор (ICM), где смешивается с порошковым покрытием. Недостатком этого метода являются значительные потери аддитива у циклонного коллектора на этапе фильтра. В конфигурации системы с инжектором аддитив подается сжатым воздухом в адаптер аддитивов NEA, где смешивается с конечным продуктом. По сравнению с первым способом в этом случае расход аддитива ниже, однако дисперсия не так эффективна.

Компания NEA разработала новую систему для сокращения количества аддитива и значительного увеличения дисперсии в конечном продукте.

 Рис. 1: Канал всасывания аддитивов

Рис. 2: Инжектор аддитивов

В системе измельчения

Новая система дозирования и диспергирования аддитивов состоит из дозатора аддитивов и диспергирующего устройства (рис. 3). Узел дозирования включает в себя гравиметрический дозатор и блок транспортировки. В отличие от стандартных систем подача аддитива в новой системе осуществляется гравиметрическим способом. Гравиметрический дозатор оснащен двойным шнеком. Нагнетатель подает аддитив в диспергирующее устройство, где он диспергируется и смешивается с готовым порошковым покрытием.

Технические показатели новой системы сравнивались как с показателями системы с каналом всасывания, так и с инжектором аддитивов. В рамках исследования в стандартных системах аддитив также вводился гравиметрическим дозатором с двойным шнеком. Эксплуатационные испытания проводились на системе измельчения ICM60 (рис. 4) с теми же граничными условиями и параметрами.

Для испытаний были использованы два наиболее часто применяющихся аддитива. Оксид алюминия (Al2O3) и, кроме того, диоксид кремния (SiO2) подавали в систему измельчения ICM с помощью систем подачи аддитивов.

Также в ходе испытаний изучалось возникновение белых точек на поверхностях с порошковым покрытием черного цвета. Черное порошковое покрытие измельчали на системе ICM с новой системой подачи аддитивов. Во время испытаний массовый расход аддитива варьировался в пределах от 0,1 до 0,5% по отношению к массовому расходу порошкового покрытия.

После этого сыпучесть конечного продукта измеряли с помощью порошкового реометра Anton-Paar. Реометр измеряет напряжение сдвига, которое коррелирует с сыпучестью. Чем ниже значение измерения, тем лучше сыпучесть.

Рис. 3: Новая система дозирования и диспергирования аддитивов

Рис. 4: Система измельчения ICM с NEAddiX

В ротационном реометре

Чтобы гарантировать надлежащую проверку результатов испытаний новой системы дозирования и диспергирования и измерить реологические свойства готового порошкового покрытия, использовался ротационный реометр (рис. 5). В первую очередь было исследовано реологическое поведение или сыпучесть.

Измельченное порошковое покрытие помещают между неподвижной и колеблющейся пластиной. Вращение колеблющейся пластины нагружает образец для чистого сдвига, создавая поперечное напряжение. Образец нагружается синусоидально. Различается два разных режима: режим с регулированием напряжения и режим с контролем деформации. В режиме с регулированием напряжения заданный крутящий момент передается на колеблющуюся пластину и генерируемое ей поперечное напряжение. Деформация, возникающая в результате поперечного напряжения, регистрируется вручную. Угол закручивания указывается в режиме с контролем деформации. Измеряется крутящий момент, необходимый для деформации. Он пропорционален вязкости жидкости. [3]

При условии, что крутящий момент и частоту вращения можно измерить, после калибровки подбирается конфигурация колеблющейся пластины и мешалки. Часто используются дисковые мешалки, например вискозиметр Брукфильда и сдвиговый дисковый вискозиметр Муни, или лопастные мешалки, например вращающаяся лопасть. Преимуществами этого метода являются хорошая однородность образца благодаря эффекту перемешивания, а также простая структура, эксплуатация, измерения и очистка [4–6].

Рис. 5: Ротационный реометр

Лучше меньше, да лучше

На рисунках 6 и 7 показаны результаты сыпучести готового порошкового покрытия с различными системами подачи аддитивов в зависимости от массового расхода.

Массовый расход оксида алюминия составляет 0,015–0,3%, диоксида кремния – 0,04–0,5%. У оксида алюминия и кремнезема разная насыпная плотность и электростатический заряд порошка. Насыпная плотность глинозема составляет прим. 50 г/дм³, а кремнезема – 150 г/дм³. Электростатический заряд кремнезема выше, чем у оксида алюминия, поэтому кремнезем содержит больше агломератов. Согласно рисунку 6 новая система достигает аналогичного расхода при содержании оксида алюминия на 44% меньше, чем в случае использования инжектора аддитивов.

Такая же закономерность прослеживается на рисунке 7 с данными диоксида кремния и на рисунке 6 с данными оксида алюминия. Тем не менее, в отличие от конфигурации с каналом всасывания новая система подачи аддитива позволяет получить аналогичную сыпучесть при сокращении расхода диоксида кремния на 26%. В отличие от конфигурации с инжектором аддитивов новая система сохраняет около 63% диоксида кремния при той же сыпучести.
Испытания по измельчению порошкового покрытия черного цвета при различных расходах аддитивов на новой системе показывают, что поверхность с порошковым покрытием не имеет белых точек.

Рис. 6: Сыпучесть как функция массового расхода оксида алюминия

Рис. 7: Сыпучесть как функция массового расхода кремнезема

Увеличенная дисперсия

Новая система дозирования и диспергирования аддитивов сочетает в себе преимущества стандартных систем подачи аддитива с помощью канала всасывания или инжектора.

Сокращение расхода аддитивов в новой системе обусловлено двумя основными причинами. Во-первых, новый узел дозирования аддитивов в комбинации с гравиметрическим дозатором и блоком транспортировки обеспечивает постоянный массовый расход. Погрешность гравиметрического дозатора составляет 5%. Точность дозирования волюметрического дозатора зависит от насыпной плотности аддитива, поскольку объемный расход постоянен, однако массовый расход колеблется пропорционально отклонениям насыпной плотности. Как следствие, погрешность массового расхода может достигать до 50%.

Вторая причина более низкого расхода аддитивов – увеличенная дисперсия в диспергирующем устройстве. При этом смешивание аддитива и готового порошкового покрытия производится более эффективно.

Новый дозатор аддитивов и модернизированный блок диспергирования снижают расход аддитивов до 63%, а качество порошкового покрытия значительно улучшается.

Перспективы

Все системы ICM NEA, как новые, так и уже работающие, могут быть оснащены новым устройством. Новая система может контролировать текущий массовый расход, связываясь со станцией затаривания Niverplast. На основании полученных данных задаются точные параметры.

Чтобы проанализировать воздействие других аддитивов на производительность новой системы, будут проводиться дальнейшие испытания. Кроме того, будет проанализировано возникновение потенциальных белых точек на поверхности с порошковым покрытием черного и других цветов.

Список литературы

[1] The Role of Additives in Powder Coatings; Paint & Coatings Industry; Fall 1999 Vol. 1; No. 1. [2] AEROSIL und AEROXIDE, Pyrogene Metalloxide für Pulverlacke, Technische Information 1340, EVONIK INDUSTRIES
[3] Schramm G.: Einführung in Rheologie und Rheometrie, Karlsruhe, 1995.
[4] Kulicke W.-M.: Fließverhalten von Stoffen und Stoffgemischen, Hüthig & Wepf, Heidelberg, 1986.
[5] Macosco, C.W.: Rheology - Principles, Measurements and Applications, VCH Verlagsgesellschaft, Weinheim, 1994.
[6] Gehm, L., Teubner, B.G.: Rheologie: Praxisorientiere Grundlagen und Glossar, Stuttgart, 1981.
[7] Chemie, Rheologie und Grenzflächenphänomene in hochviskosen Medien; Institut für Polymerforschung Dresden e.V.; Dresden; 1996.

Интервью с Марком Гирземелем

Родился в 1970 году. Изучал технологии производственных процессов в Университете прикладных наук Нижнего Рейна (Hochschule Niederrhein) в Крефельде. В 1995 году написал дипломную работу о циклонном классификаторе CSF в компании NEUMAN & ESSER и с тех пор работает в компании на постоянной основе. Сейчас занимает должность технического управляющего директора и отвечает за техническую область, включая исследования и разработки.

Могут ли преимущества технологии производства порошковых покрытий быть адаптированы под другие системы производства покрытий?

Адаптировать преимущества технологии под другие системы производства покрытий представляется возможным, однако мы еще не осуществили это на практике. Мы много знаем о механической обработке порошковых покрытий и на основе этих знаний разработали решение давно известной проблемы.

Можно ли уже сейчас судить, играет ли сокращение расхода аддитивов такую же значительную роль и для других типов аддитивов?

Это невероятно простое устройство – наши инженеры устанавливают его за два-три часа и сразу вводят его в эксплуатацию. Часто реологическое исследование в лаборатории занимает больше времени, чем процесс монтажа. Система дозирования и диспергирования настроена таким образом, что она может быть интегрирована как в уже установленные системы NEA, так и в системы других производителей.

Насколько трудоемка интеграция новой системы в существующие производственные процессы?

Мы предполагаем, что технология может быть легко адаптирована под другие системы производства порошковых покрытий, поскольку большинство аддитивов, которые вводятся после этапа смешивания и повышают сыпучесть, обладают химической структурой, аналогичной той, что была рассмотрена в техническом отчете. Более того, продолжительные измерения показали, что наша система приводит к значительно большему сокращению расхода аддитивов, чем было определено при первоначальных исследованиях в процессе производства.

КРИСТИАН БЕГАСС

Родился в 1982 году. Получил степень магистра в области управления развитием в Университете прикладных наук г. Ахена (FH Aachen). В 2010 году написал диссертацию на получение степени бакалавра в компании NEUMAN & ESSER, в 2012 году – магистерскую диссертацию в компании FEV Europe. С 2013 года является руководителем производственного направления «ICM порошковые покрытия» в компании NEUMAN & ESSER Process Technology.

ФАБИАН МЕРТЕНС

Родился в 1991 году. Получил степень магистра в области технологии производственных процессов в Рейнско-Вестфальском техническом университете г. Ахена (RWTH Aachen). В 2014 и 2016 гг. защитил диссертации на получение степеней бакалавра и магистра в компании NEUMAN & ESSER, с 2014 года работает в отделе исследований и разработок компании. Перед этим прошел комплексную программу производственного обучения по специальности промышленного механика в компании NEUMAN & ESSER Compressors.