汽车涂料的过滤

来源:荣格油墨与涂料-中国版

发布时间:2019年4月11日下午 09:04:06

汽车涂装是将涂料涂敷于基底表面(车身)上,经干燥成膜的工艺。和一般涂料相同,汽车涂料是由树脂、 助剂、颜料、溶剂等组成。随着人们环保意识的提高, 越来越多的汽车涂装生产线选用以水为主要溶剂的水性涂料。 随着人们对汽车漆面喷涂质量要求的提高,不管是传统的溶剂型涂料还是更为环保的水性涂料,人们对其清洁度的要求更为严格。

汽车涂装是将涂料涂敷于基底表面(车身)上,经干燥成膜的工艺。和一般涂料相同,汽车涂料是由树脂、 助剂、颜料、溶剂等组成。随着人们环保意识的提高, 越来越多的汽车涂装生产线选用以水为主要溶剂的水性涂料。 随着人们对汽车漆面喷涂质量要求的提高,不管是传统的溶剂型涂料还是更为环保的水性涂料,人们对其清洁度的要求更为严格。涂料中的杂质,会导致喷涂面的缩孔、粗糙、映像性降低,因此对涂料中各类污染物进行有效地去除就显得十分必要。

汽车涂料生产厂家一般是将数种或数十种原料按照一定比例、一定顺序加入到反应罐中,在常温缓慢搅拌的过程中进行循环过滤,之后进行灌装。但是,循环时间往往需要经验丰富的工程师确定。因此,如何更为科学和准确地将循环过滤时间与过滤效果联系起来显得尤为重要。有了理论基础, 还需要有适合的过滤器产品,才能达到理想的过滤效果。具有分级过滤效果的深层滤芯非常适合涂料的过滤,在过滤过程中,其可让颜料、金属粉、云母等有效固体成分通过;同时对超尺寸颗粒、纤维和凝胶进行截留。

涂料生产工艺中的循环过滤时间

图 1 为简略的带有两级过滤的涂料生产工艺流程图,污染物浓度与时间的关系可描述为方程式 -1。

图1 汽车涂料工艺流程图

假设,一级和二级过滤效率恒定为 ε1 和 ε2;系统中大颗粒(需要去除的颗粒)的浓度为 C,C1,C2 分别为一级和二级过滤器后大颗粒的浓度;Q 为反应罐体积;V 为系统流量; 那么 t 时刻,反应罐中被保留的大颗粒百分含量 C ⁄ C0 满足方 程式 -5:

C0 为过滤前大颗粒的初始浓度;τ 被定义为反应罐体积与流速之比,其物理含义代表颗粒在反应罐中的平均保留时间, 通常被称为批次周转率(bath turnover rate),则 t ⁄ τ 可称为循环过滤次数,简单来讲,代表了整罐涂料被过滤了几遍。 假设二级过滤器(终过滤器)对大颗粒的去除为 100%, 则被保留的大颗粒百分含量 C⁄C_0 与循环过滤次数 t⁄τ 为自然常数的负指数关系,那么循环过滤次数与大颗粒去除率之 间可计算得到下表 1。

由表 1 可知,理想状态下,当涂料被循环过滤 5 遍后, 其超尺寸大颗粒的去除率可达 99% 以上。 涂料厂现场的实验结果说明了循环过滤时间对过滤效果的影响。

涂料样品搅拌后,经测试滤芯过滤,定期在滤芯下游取样,并同时记录测试时间和压差变化。下游滤出液经滤布过滤后在显微镜下进行观察,下图 2 中的四张显微照片, 分别为 a,未过滤样品;b,过滤 1 遍后样品;c,过滤 2 遍 后样品;d,过滤 4 遍后样品。在实验过程中,滤芯压差始终保持不变。

表1 循环过滤次数与大颗粒去除率计算表

图2 经滤布过滤后样品的显微照片,35X

涂料生产工艺中的过滤器

涂料的过滤相当复杂,因为选用的过滤器必须允许颜料、金属粉、云母等有效固体成分通过;同时对超尺寸颗粒、纤维和凝胶进行截留。这种过滤方法一般称作分级过滤 (classification),典型的分级过滤器的去除效率曲线见图 3; 与此相对应的是澄清过滤(clarification),即将宽泛颗粒分布内的所有颗粒全部去除(如图 4 所示)。由图 3 可见,分级过滤器可将几乎所有大于等于 20μm 的颗粒全部去除,同时保留 几乎所有小于 20μm 的颗粒;图 4 的澄清过滤同样可将 90% 以上大于等于 20μm 的颗粒全部去除,但同时大量小于 20μm 的颗粒也被去除。

图3 分级过滤            图4 澄清过滤

一般来说,传统的袋式过滤器和熔喷过滤器可以拦截很高比例尺寸小于滤芯精度的颗粒。在涂料生产过程中,这种澄清式过滤是不希望发生的,因为这会浪费很多希望保留的颜料、金属粉、云母和填料等有效成 分。使用此种过滤器的结果是较差的涂覆效果和很短的滤芯使用寿命。而分级过滤恰恰能够很好地避免有效成分的去除, 同时适当延长滤芯的更换周期。

3M 公司的 BetapureTM AU 系 列 滤 芯(外观如图 5) 是涂料行业理想的过滤器产品,它是一款具有绝对过滤精度的分级过滤器,它可以去除污染物的同时允许颜料、金属 粉、云母和填料等有效成分通过。BetapureTM AU 系列还提供广泛的滤芯等级可供选择 (2 ~ 190μm)。

图5 3M BetapureTM AU滤芯外观

BetapureTM AU 系列滤芯 具有刚性结构,使其可以避免非刚性滤芯经常会遇到的孔径 变化、卸载和旁通等问题。其中,孔径变化是指滤芯在正常使用寿命中,由于压差等因素的变化,而使滤材孔径变大;卸载 是指由于滤材孔径变大后,原本截留的污染物下泄到流体下游, 污染流体的现象;旁通则是指由于超标孔径或过宽的孔径分布 使污染物优先从大孔径通过的现象。BetapureTM AU 系列滤芯同时提供聚烯烃和聚酯两种材质,可根据不同涂料的化学相容性 进行选择。

图6 3M BetapureTM AU滤芯的滤材结构

BetapureTM AU系列滤芯的滤材都是采用双组分纤维构成, 每一根纤维都有一个内核和一层外鞘(如图 6 所示)。双组分纤维的内外层材料具有不同的熔点。以聚烯烃滤材为例,外层聚乙烯材料具有较低的熔点,而内层聚丙烯则熔点较高,升高纤维温度以达到聚乙烯的熔点,使得纤维与纤维之间热熔粘结的非常紧密,同时,内层聚丙烯为纤维提供了很好的强度,这 种紧密的粘结和超强的纤维强度使得整根滤芯刚性很强,从而 为滤芯提供了很好的支撑强度,并且避免了介质迁移的可能。 

BetapureTM AU 系列滤芯的特征和优势可参见表 2。

表2 BetapureTM AU系列滤芯特征&优势

结论

综上所述,汽车涂料过滤器的过滤效果是循环过滤时间的函数;3M 公司的 BetapureTM AU 系列滤芯具有绝对过滤精度, 刚性结构,优异的分级过滤性能,可以在短时间内大大提高流体的清洁度水平。实践证明,BetapureTM AU 系列滤芯在涂料,尤其是高端汽车涂料应用中,对各类污染物都有良好的去除效果。

 

作者:张磊,宋明宇,邱瑾 3M中国有限公司

作者简介:

张磊,男,材料学博士,毕业于北京理工大学。从事过 滤产品技术服务工作 8 年,现就职于 3M 中国有限公司北方 技术中心。电子邮箱:rzhang6@mmm.com

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