2018-10-30

塗料測試軌道

一套全新的全自動高通量塗料配方測試系統使贏創極大減少了尋找最佳配方的時間。借助這套系統,贏創不僅加快了自己創新的步伐,也加快了客戶創新的步伐。

一套全新的全自動高通量塗料配方測試系統使贏創極大減少了尋找最佳配方的時間。借助這套系統,贏創不僅加快了自己創新的步伐,也加快了客戶創新的步伐。

每年全球消耗的塗料量約為4000萬噸。這些塗料用於防止表面腐蝕,賦予特殊性能,例如導電或導熱性,增加消費品的使用壽命等。市場對於塗料的要求也在不斷提高。隨著複雜性和監管壓力不斷提升,客戶也不斷面臨著新的挑戰。

塗料的配製集合了藝術、工藝和科學。除了主樹脂外,塗料中還含有有機溶劑或水、顏填料、催化劑、助溶劑和添加劑等。對於每一種組分,都有許多不同的化學成分可以使用,因此不同成分的組合數量也是巨大的。如果在開發塗料配方時,只考慮採用十種固化劑、十種樹脂、十種顏料和十種添加劑,那麼可能的組合數量也將達到10,000種,這還沒有考慮各種成分的添加量變化。

在實際操作中,不可能涵蓋所有的可能性,並對所有的成分組合及各種成分含量進行性能測試。另一方面,系統性尋找最佳塗料配方的先決條件就是在合理的經濟和人工成本內,盡可能廣泛地研究各種配方組合,因為只有這樣,才能確保沒有遺漏可能的最佳配方。現在,贏創的塗料專家們發現了一種解決這個問題的方式——他們開發出了一套高通量系統,可以精確進行定制,滿足開發塗料配方的各項要求。

更快速的檢測,獲得完美配方

借助這套系統,贏創提高了挑選出與體系中其他組分完美匹配、並能實現塗料目的(最終用途)的添加劑或特種樹脂的概率。這絕非一項簡單的工作。舉例來說,添加劑僅占塗料配方的很小一部分,但是它們對於塗料的性能影響卻很大。添加劑可具有消泡效果,防止顏料團聚,並確保塗料具有觸變性——如此,塗料就可以方便地施工,乾燥過程中也不會從垂直表面流掛或滴落。其他添加劑還可以提高塗料的耐劃傷性。許多添加劑都可以讓塗料更完美。在尋找最佳的添加劑時,還面臨著一個問題——由於化學成分的原因,添加劑可能會與塗料中的其他組分發生反應。

這套全新的系統極其寶貴。在同樣的時間內,和以前相比,它可以對更多配方進行系統性測試。對於客戶來說,這也意味著他們可以更快速地優化、開發塗料配方,節省寶貴的時間,更早地發佈新產品。

該系統有2公尺高,占地120平方公尺,位於一間空調房內。第一步,在“配方台”上,自動加入原料並配製成塗料。第二步,將配製的塗料塗覆在基材(即測試板)上,乾燥,並將測試板運送至試驗台;在試驗台上,等塗料固化後,就可以對塗料的性能進行測試。所有的步驟都是根據精確設定的程式自動運行,並在任何時間都可重複——這是該系統的另一項優勢。

全自動複雜工序

配製、塗覆、測試:聽起來很簡單,但是實際上這台機器要運行大量複雜的工序。整個系統由52個部分組成,共30種功能。每個功能代表執行一項特定的任務,例如在測試板上塗覆塗料。52個部分通過軌道系統連接在一起,軌道貫穿了整個HTE系統;在軌道系統上,容器和測試板被放在託盤上運輸。還有13個機器人,執行不同的任務,例如將容器和測試板放在託盤上或將測試板放入烘箱。

平均每24個小時,系統可以配製120種樣品。在塗覆以及測試時,就可以開始下一個專案,因此這個系統被命名為高通量設備(HTE)。

原料的配比和混合對於系統來說也是一個特別的挑戰。譬如說,各個液態原料的粘度不同,從流動性很好到非常粘稠,因此在添加前必須對它們進行加熱。此外,某些液體可能對容器和工具有腐蝕性。粉末狀的顏填料也有些難以處理。它們的容積密度和流動性各異;由於粉末的不同,可能會使精確稱量和給料變得複雜。

一名訓練有素的技術人員可以快速地學會如何處理這些原料,但是對於一個自動化系統來說就不是那麼容易了。但是這個新的HTE系統可以應付自如,這多虧了良好的軟體發展,可以對所有給料所需的參數進行設定。對於液體,這些參數包括壓力、溫度以及閥門打開的時間。而對於粉末,這些參數包括粗略稱量時的計量螺旋速度,精確給料時的區域以及幅度。在由贏創自行開發的主程序RaceLab中,所有系統運行所需的輸入和輸出資料都收集在一個資料庫中。

借助優化工程,HTE系統能夠可靠、可重複性地加料。它會記錄任何與目標值之間的偏差,並保存這些資訊。當出現異常結果時,可以很方便地追查到工作流程中的異常現象。

該系統在顏料濃縮漿的生產和測試中也具有明顯的優勢。一般來說,顏料的研磨工藝非常耗時,並且必須使用研磨介質。為此,HTE系統配備有一個特殊的混合器,這個混合器的混合室具有雙旋轉功能,確保更快速的研磨和分散。

此外,還有一個特殊的空氣冷卻器,防止產生對原料具有破壞性的過高熱量。隨後需要將研磨珠從高粘度混合液中分離,目前對於實驗室來說這也是一項非常耗費人力的工作;而在HTE系統中,則通過離心分離,特別研發的篩檢程式允許塗料通過而研磨珠保留,並且由機器人來完成必要的操作。

客觀參數,而非主觀測試

在實驗室,常採用目測法以及使用調墨刀確定沉澱狀態來評估顏料濃縮漿的儲存穩定性。將這種視覺和觸覺的能力轉移到一台機器上需要花費巨大的人力物力。而HTE系統的開發者則找到了另一種解決方法:將一個檢測頭深入樣品中,測定它所受到的機械阻力。通過這種方式,客觀參數代替了主觀的人為評估。

另一個對全自動系統具有挑戰性的工序是使用塗膜製備器塗覆塗料。測試板在塗布過程中不能滑動,塗料的量必須與預設的塗層厚度相對應,並且不能弄髒周圍的區域,以免污染下一塊測試板。這些工作被佈置給一個專門為此目的而設計的機器人。一塊測試板接著下一塊測試板,機器人塗覆完全相同量的塗料,獲得完全相同的塗層厚度,並在重複該步驟前在不同清洗液中清洗塗膜製備器。

HTE系統在評估顏料穩定性的指研測試中也同樣具有優勢。在實驗室中,這項測試是利用手指摩擦新製備的塗層;如果顏料不夠穩定,那麼施加的剪切力將使指研過的表面產生明顯的顏色變化。這項測試的技巧在於指研過程中不移除材料,並且塗層沒有露底。HTE系統採用一個精確調節的系統來取代這種主觀性的測試方法,通過軟體可針對不同的塗料體系對參數進行個別調整。

總而言之,這套高通量系統減輕了實驗室工作人員的負擔,承擔了大量的日常工作,讓工作人員能夠專心規劃實驗、分析資料。

全天候靈活使用

RaceLab允許對工作流程進行詳細的規劃。HTE系統中可以精確設定不少於40種工序以及高達600個參數。這就使贏創可將各個工序自由地加入工作流程中,滿足不同的客戶需求。因此,HTE系統可以全天候靈活使用。

此外,RaceLab還可以記錄所有的測量資料,對複雜的測試系列進行分析;這也是一項巨大的優勢,因為相比目前實驗室中進行的測試,HTE系統可在更短的時間內產生更多的資料。資料庫不斷變大,在未來可利用資料採擷方法進行分析。

它甚至還能減少不必要的實驗數量。利用現有的資料,計算智慧可以推斷出在選項範圍內可能的發現,或者至少可以指出哪些方向值得進行更細緻的研究。通過這種方式,客戶可以在贏創和HTE系統的説明下進一步加快創新的過程。

HTE系統的優勢

  1. 全自動化運行,提供可重現的結果,可靈活使用
  2. 利用各種不同的原料配製塗料
  3. 在應用前測試液體配方
  4. 精確塗覆測試板,乾燥或固化塗料
  5. 測試塗層
  6. 創建不斷擴大的資料庫,作為未來資料採擷分析的基礎