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        顏積比在實(shí)際涂料生產(chǎn)中的簡化演變及應(yīng)用研究

        2011-08-29 07:35:22孫曄阿克蘇諾貝爾涂料有限公司TEDA天津300456
        天津科技 2011年3期
        關(guān)鍵詞:色差顏料涂料

        孫曄 (阿克蘇諾貝爾涂料有限公司(TEDA) 天津300456)

        0 引言

        如今,有色涂料在涂料行業(yè)中已占據(jù)了越來越重要的地位。人們審美觀的提高,要求涂料行業(yè)能夠提供更加豐富的色彩。由于流行色生命周期變化較快,開發(fā)后的顏色產(chǎn)品應(yīng)及時(shí)進(jìn)入生產(chǎn)狀態(tài),并對市場作出反應(yīng)。而顏色產(chǎn)品為達(dá)到客戶的要求,通常在投料后,要對產(chǎn)品的色彩做出調(diào)整。目前調(diào)色是涂料行業(yè)中比較棘手的問題:調(diào)整時(shí)間相對比較長,調(diào)整次數(shù)多,產(chǎn)品常常因性能問題遭到客戶抱怨,并因此而丟失商業(yè)機(jī)會(huì)。從事調(diào)色的工作人員通常要有非常豐富的工作經(jīng)驗(yàn),通過目視的方法來估算調(diào)整原料,即使使用輔助設(shè)備色差儀,對于調(diào)整量也是采用估算的方式。由于每個(gè)人的工作經(jīng)驗(yàn)和判斷能力不同,調(diào)整時(shí)往往出現(xiàn)調(diào)整過量或調(diào)整不足的問題。目前的調(diào)色狀況成為有色涂料生產(chǎn)的瓶頸。我們通過對實(shí)際生產(chǎn)的歷史批次數(shù)據(jù)做分析后,發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品顏積比的相對穩(wěn)定對實(shí)際生產(chǎn)具有很重要的意義,而顏積比在實(shí)際操作中比較繁瑣,計(jì)算量大,不便于生產(chǎn)控制。為了在生產(chǎn)中更具有操作性,我們對顏積比計(jì)算方法進(jìn)行簡化和演變,提出了顏質(zhì)比和顏基比的概念。通過實(shí)踐的證明,顏質(zhì)比和顏基比的生產(chǎn)應(yīng)用具有提高生產(chǎn)效率,節(jié)省設(shè)備資源,節(jié)省勞動(dòng)力成本,對市場反饋及時(shí)的特點(diǎn)。顏質(zhì)比和顏基比的應(yīng)用較好地解決了目前有色涂料生產(chǎn)的瓶頸問題。文中的原始數(shù)據(jù)均通過模糊處理的方式,為了更好的便于理解,而將原料名稱和配方數(shù)據(jù)通用化。不涉及任何商業(yè)機(jī)密,配方中的原料含量及原料名稱不代表實(shí)際原始配方。

        1 分析論述

        1.1 原始數(shù)據(jù)(見表1)

        表1 原始數(shù)據(jù)的采集為某一階段生產(chǎn)的最終數(shù)據(jù)

        1.2 數(shù)據(jù)優(yōu)化及分析

        由于配方中的樹脂溶液、顏料原始比例成分固定,理想狀態(tài)下,我們假定各原料成分均為100%的純原料。甲基異丁基酮在配方中起到稀釋的作用,我們在研究過程中將其剔出。原始數(shù)據(jù)變化見表2:

        表2 原始數(shù)據(jù)變化表

        1.2.1 顏積比 通常計(jì)算顏積比(PVC:pigment volume concentration)和臨界顏積比(CPVC:critical pigment-volume concentration)的方式為:

        顏積比的變化會(huì)對涂料的性能產(chǎn)生明顯的影響。通常顏積比趨向于零時(shí),漆膜的附著力、抗沖擊、耐腐蝕等性能變好;顏積比趨向于100時(shí),漆膜的耐磨擦、硬度等性能變好。因此,一個(gè)生產(chǎn)配方在被確認(rèn)后,在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)盡量保持原有的PVC值。涂料生產(chǎn)中產(chǎn)生的調(diào)整,實(shí)際上是對操作過程中造成的PVC值波動(dòng)變化的調(diào)整。對某產(chǎn)品來說,理想化狀態(tài),PVC應(yīng)是一個(gè)固定值。

        1.2.2 實(shí)際物料理想化處理 實(shí)際生產(chǎn)中,由于投料過程中,設(shè)備的選擇很少直接使用體積工具,一般使用稱量質(zhì)量的工具。生產(chǎn)數(shù)據(jù)直接體現(xiàn)為質(zhì)量,單位通常用噸、公斤、克來表示。為了在生產(chǎn)中使用顏積比來監(jiān)控操作的變化和便于生產(chǎn)調(diào)整指導(dǎo),我們對PVC公式做一些理想化處理,引進(jìn)顏質(zhì)比(PWC:pigment weight concentration)和顏基比(PBC:pigment base concentration)的概念。

        樹脂溶液、顏料由于其成分比例固定,是均一混合相,在生產(chǎn)調(diào)整過程中,我們假定其為純物質(zhì),即固含為100%,比重為1。在PBC中,被選定的基礎(chǔ)顏料配方中的數(shù)量,我們假定為整體1。經(jīng)過原料理想化,我們定義PWC和PBC分別為:

        則樣品數(shù)據(jù)用顏質(zhì)比表示為表3:

        表3 樣品數(shù)據(jù)顏質(zhì)比

        樣品的顏質(zhì)比數(shù)據(jù)明顯比設(shè)計(jì)配方數(shù)據(jù)低,但達(dá)到了客戶要求的標(biāo)準(zhǔn),由于市場目前價(jià)格樹脂比顏料廉價(jià),在達(dá)到相同效果的情況下,比值越小,經(jīng)濟(jì)效益越高。通過對顏質(zhì)比的比較,可以得到更好的設(shè)計(jì)配方。

        顏料與樹脂的比值可以指導(dǎo)整體配方的平衡。但實(shí)際涂料生產(chǎn)中,很少有顏色產(chǎn)品投料后不經(jīng)過調(diào)整就達(dá)到色差要求。

        2 共軛顏色在配方中的確認(rèn)程序和方法

        對于涂料的顏色,通常采用減色法調(diào)整。配方設(shè)計(jì)時(shí),存在相對共軛的顏色原料。我們將研究對象按照顏色共軛進(jìn)行分類。

        根據(jù)孟塞爾色譜理論中的顏色車輪(見圖1)做最基本的分類,然后根據(jù)實(shí)際配方的顏色組成,確認(rèn)主要共軛顏色。

        圖1 顏色車輪

        按照色差黑白值共軛物料分類:主要使L值升高的顏料為白色珠光粉;主要使L值降低的顏料為黑色顏料漿、紫色顏料漿。

        3 數(shù)據(jù)分析及調(diào)整

        取白色珠光粉為基數(shù)顏料,將表3數(shù)據(jù)簡化為表4。

        通過數(shù)據(jù)對比,我們可以發(fā)現(xiàn)非基數(shù)顏料總量與基數(shù)顏料的比值應(yīng)是一個(gè)固定值。圖2顯示,在顏基比趨向于定值時(shí),總色差評估值趨向于零;反之,總色差評估值都會(huì)偏離零值而趨向于無窮大正值。使色相變差,背離我們的需求目標(biāo)。

        這樣,我們可基本確定一個(gè)差為零的參考顏基比:黑色顏料漿∶白色珠光粉∶天藍(lán)顏料漿∶紫色顏料≈13.25∶1.00∶0.49∶0.53;非基顏料總量∶基料顏料總量≈14.27∶1.00。

        表4 取白色珠光粉為基數(shù)顏料后樣品值

        圖2 樣品值曲線圖

        由此可見,樣品1明顯非基顏料總量不足,造成顏色偏差較大,而樣品3則是非基顏料過量導(dǎo)致顏色偏差較大。

        對于樣品1的調(diào)整,我們應(yīng)適當(dāng)添加黑色顏料漿,從而提高黃色相,降低白色相;對樣品3應(yīng)適當(dāng)增加白色珠光粉來改變顏基比值并將其他物料比平衡。如樣品3重新調(diào)整方法:

        假定需要調(diào)整的顏料白色珠光粉基數(shù)為σ,則:

        原樣品的白色珠光粉含量為0.6,則:

        白色珠光粉調(diào)整量=0.1283×0.6≈0.077

        由于基數(shù)顏料原料量的變化,需要對配方中的其他原料進(jìn)行平衡,重新計(jì)算顏基比(如表5)。

        表5 顏基比值

        這時(shí)我們發(fā)現(xiàn),天藍(lán)顏料漿的過量是導(dǎo)致非基顏料過量的根本原因,我們對顏基比重新平衡,樣品3的調(diào)整量見表6:

        表6 樣品3調(diào)整量

        對理論計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證,色差結(jié)果為:Delt L=0.02,Delt a=-0.01,Delt b=0.02,Delt E=0.017。結(jié)果較好地與理論值匹配,說明該方法具有可實(shí)際操作性。

        4 微積分在調(diào)整中的應(yīng)用

        在該方法中,存在比較困難的問題是零差值的顏基比,為了解決這個(gè)問題,我們引進(jìn)數(shù)學(xué)微積分的概念。

        由于色差儀的檢測原理是檢測光波(見圖3),雖然某產(chǎn)品的整體色譜為非直線型,我們將色譜波段進(jìn)行微分處理,即認(rèn)為:在很小的波動(dòng)范圍內(nèi),某顏料對色譜的影響貢獻(xiàn)為線性:

        圖3 檢測光波

        ΔL=kΔm;

        ΔL:色差的某一特征值調(diào)整前后的差值;

        Δm:某顏料調(diào)整前后的質(zhì)量差值;

        K:線性系數(shù)。

        如:我們考察黑色顏料漿對Delt L線性影響:

        K=ΔL/Δm=(0.02-0.1)/(9.134-8.746)=-0.206 2

        將樣品1的Delt L值只用黑色顏料漿調(diào)整為零所需的質(zhì)量為:

        Δm1=ΔL1/k=(0-0.1)/(-0.2062)=0.485

        以新的黑色顏料漿對顏料基數(shù)重新核算,并對其他色差值進(jìn)行復(fù)核,看是否其他值也趨向于零,若差異較大,在此基礎(chǔ)上,繼續(xù)使用微分的方法對差異較大的色差進(jìn)行核算,直到所有的色差數(shù)值趨向于零為止。該方法雖然在使用初期計(jì)算比較繁瑣,但只要確定后,對以后的調(diào)整具有很大的便利,若再生產(chǎn)該產(chǎn)品,該步驟可省略而直接參考原來的PWC和PBC即可。

        或使用微分與估算相結(jié)合的方法,對比樣品1和樣品2,發(fā)現(xiàn)天藍(lán)顏料漿減少0.13,Delt b上升0.05,因此我們?nèi)悠?的調(diào)整值,作為參考顏基比?;蚴褂蒙a(chǎn)中結(jié)果相對較好的數(shù)據(jù),作為參考顏基比,也可以達(dá)到較好的結(jié)果,從而避免參考顏基比計(jì)算的繁瑣。

        黑色顏料漿=13.16+(0-0.02)/(-0.2062)=13.257

        天藍(lán)顏料漿=0.53-0.13=0.40

        即估算比為:

        黑色顏料漿∶白色珠光粉∶天藍(lán)顏料漿∶紫色顏料≈13.257∶1.00∶0.40∶0.53

        依照估算值配比調(diào)整,我們也得到較好的結(jié)果:Delt L=-0.02,Delt a=0.02,Delt b=0.02,Delt E=0.02。

        5 顏質(zhì)比和顏基比在生產(chǎn)應(yīng)用前后對生產(chǎn)的影響對比

        選用相同的生產(chǎn)設(shè)備和人員,對產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)性對比(見表7),對比發(fā)現(xiàn),使用PWC和PBC后,節(jié)省了調(diào)整時(shí)間,提高了產(chǎn)品性能的穩(wěn)定性,減少了生產(chǎn)能量損耗。

        若200 kg/批次,年生產(chǎn)100 000 kg,主要攪拌設(shè)備功率為10 kw,則平均年可節(jié)約用電17 500 kw。節(jié)能效果非常明顯。

        表7 產(chǎn)品試驗(yàn)對比

        6 結(jié)論

        經(jīng)過對顏積比的定義延伸,簡化了過程計(jì)算的繁瑣,提供了簡潔的數(shù)學(xué)工具:顏基比和色譜線性微分法。在實(shí)際生產(chǎn)中更具有指導(dǎo)意義。根據(jù)指導(dǎo),可以節(jié)省調(diào)整次數(shù),縮短調(diào)整周期,減少不合格品出現(xiàn)的頻率,不僅提高生產(chǎn)效率,降低生產(chǎn)勞動(dòng)成本,降低動(dòng)力損耗,提高設(shè)備使用壽命,還達(dá)到了目前環(huán)保要求及節(jié)能減排的目的?!?/p>

        參考資料

        [1]涂料工藝編委會(huì).涂料工藝(第三版)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1997.

        [2]《實(shí)用化學(xué)品配方手冊》編委會(huì).實(shí)用化學(xué)品配方手冊[M].成都:四川科學(xué)技術(shù)社,2009.

        [3]朱光軍.涂料新產(chǎn)品與新技術(shù)[M].南京:江蘇科學(xué)技術(shù)出版社,2000.

        [4]《化學(xué)產(chǎn)品手冊》編輯部,項(xiàng)斌,高建榮.化學(xué)產(chǎn)品手冊·顏料[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2008.

        [5]賀英.涂料樹脂化學(xué)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2007.

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