介绍

工业涂料具有多种功能，从耐腐蚀和耐磨性以及防紫外线到隔热和电绝缘，再到提高外观。 涂料市场涵盖多个领域，包括工业，汽车，船舶，卷材，包装，运输和建筑材料。 新兴市场需要具有严格控制性能特征的尖端工程涂料解决方案。 涂料行业对现有和新兴市场的挑战是降低成本，同时优化性能并减少浪费和环境影响。

图1。 涂料应用实例

随着巨大的应用领域和最终用途部门的需求不断增长，该行业正在寻找提高效率，交货时间和容量利用率的新方法。 跨行业的行业领导者正在朝着采用更先进的技术迈进，例如自动化，工业物联网（IIoT）和仿真技术。

涂料的应用

涂层和精加工工艺使用先进的技术来生产耐用的表面，高质量的精加工，同时最大程度地提高工艺效率并符合环境法规。 表面光洁度的一致性，产品质量和多样性对于确保客户满意度至关重要。 涂层的数量和质量对制造，销售和维护成本有直接的重大影响。

涂料的粘度是获得稠度的关键。 它是流体中涂料固体浓度的有效指标，这是薄膜厚度和均匀性的基础。 性能参数均取决于应用时液体涂料的粘度。 这些包括涂膜的形成，转移效率，涂层厚度和沉积，颜色匹配，成品表面质量和耐化学性。 粘度是影响涂层厚度和附着力的主要因素。 适当的粘度控制可确保涂层的质量和使用寿命，有助于满足对涂层工艺质量和生产率的最高要求。

典型的涂料系统包括：基础油和补充液的供应，搅拌混合罐，泵，通向涂布器的进料管线，涂布器本身以及通向混合罐的回流管线。 施加器可以利用浸涂，滚动，喷涂，溅射，流动或其他工艺。 如果涂料溶液不够粘稠，则产品上的涂料可能不够厚，无法提供保护。 但是，如果粘度太低，则会在垂直表面上产生膜流挂，从而导致涂层不均匀。 这需要具有复杂流变性能的饰面。 它们在喷涂过程中必须具有低粘度，而当材料降落在要涂覆的表面上时必须具有更高的粘度。 另外，涂料的粘度取决于温度，因此，要保持漆面质量，就需要根据环境温度补偿涂料的粘度。

涂料粘度监测现状oring 和控制

粘度通常在实验室中使用旋转仪器（例如布鲁克菲尔德型粘度计或高精度流变仪）进行测量。 这样可以进行严格的温度控制，这对于表征涂料的流变特性至关重要。 但是，对从生产车间取出的样品进行的这些测量可能需要数小时甚至数天才能进行分析，因此它们的测量可能无法表征当前所用材料的实际状态。

在生产车间，通常通过定时从漏斗状设备（例如福特或类似的外排量杯）中流出的流量来测量粘度。 操作员将配方装满杯子，并测量杯子倒空所需的时间。 时间越长，粘度越高。 这通常以15分钟或更长时间为间隔进行，因此只有在已涂覆大量涂料后才能检测到粘度偏差。 另外，如果不是不可能的话，对杯测量的温度控制也是困难的，从而导致在应用时测量值与实际粘度之间可能存在较大差异。 这种离线测量无法捕获由于温度变化，混合变化和蒸发而引起的粘度变化。

材料温度的变化会导致涂料的粘度变化，从而导致结构差异或流挂。 在大多数涂料体系中，所含的粘合剂和颜料成分都有沉淀的趋势。 不均匀的涂层材料不可避免地导致涂层效果不足。 沉降的部件可能会导致堵塞并逐渐堵塞管路。 剥落的涂料成分会导致涂膜弄脏。 难以控制的变化会导致不正确的薄膜厚度，从而导致质量不佳的无法使用的最终产品，以及不可接受的视觉或其他性能特征。

表格1。 一些典型的涂层缺陷及其原因

在线粘度测量

幸运的是，有一些解决方案可以实现实时在线粘度测量和控制，从而可以在过程变化发生时检测到它们。 由于溶剂或涂料添加、温度变化和蒸发造成的粘度波动可以在影响涂料质量之前自动补偿。 连续粘度监测oring 可以与涂层材料和溶剂消耗以及薄膜厚度和质量相关联，以便策略性地改变工艺参数以优化涂层工艺。 与传统的使用流出杯的离线测量相比，在线粘度控制可以提高产品质量、增加产量、显着节省涂料和涂料溶剂的使用，并最大限度地减少涂料过程的停机时间。

溶剂蒸发，将新鲜的涂料或溶剂添加到混合罐中以及沉降可能会导致涂料的粘度变化，从而导致涂料缺陷或涂料过多和溶剂消耗。

温度也是确定粘度的关键变量。 不幸的是，生产环境中的温度通常没有得到很好的控制。 尽管温度变化，反映涂料中固体含量的粘度也必须正确。 杯子测量既没有温度测量也没有控制，因此不能与实际喷涂温度直接比较。 随着工艺温度的变化，这可能导致涂层质量的变化。

涂布机采用实时粘度管理的驱动力

有四个重要因素使粘度管理在涂料应用中很重要：

1. 最终产品 质量： 不良的涂料质量会不利地影响涂料的理想性能-表面质量，涂层沉积，保护性能和化学反应性。 所有这些特性取决于涂层工艺的控制程度，因此控制粘度至关重要。
2. 通过减少浪费来降低成本： 过度混合不仅会影响最终产品的质量，而且还会浪费成分，原材料，时间和精力。 混合过程中的粘度管理可以可靠，准确地确定终点，从而显着减少原材料消耗，能源使用，废品和浪费。
3. 效率： 无忧无虑，实时监控oring 粘度消除了昂贵且耗时的实验室分析，这通常会导致对涂层变化的延迟响应。确保整个涂层过程的一致性可显着降低废品率，节省成本和时间，同时提高利润率。
4. 自动化： 自动监控oring 控制涂层制备和涂覆过程，消除了容易出错的手动取样和测试步骤，使操作员能够专注于最终产品的质量。

涂料应用需要先进的工艺技术，以进行准确，实时的在线粘度测量和控制

在线粘度测量需要一个紧凑，坚固的粘度传感器，并结合一个测量​​和控制系统，该系统将传感器的读数转换为用于监视和控制过程粘度的信息。

事实证明，一种特别适用于在线测量的技术利用了机械谐振器，其振动会因涂层材料的粘度而衰减。 连接到谐振传感器的电子系统测量其阻尼，并将其转换为粘度值。 此外，安装在粘度传感器中的温度传感装置可在粘度测量时精确测量涂料温度。

谐振传感器技术提供了一种独特的解决方案，适用于在线涂层监测oring 和控制。 它们满足可靠和准确测量的许多要求：

• 坚固性–在各种工艺参数变化范围内，它们都能保持准确性和可重复性。 它们没有实验室粘度计和流变仪典型的旋转部件和狭窄的间隙。 此外，它们可以在振动和冲击强烈的环境中运行。
• 操作员独立性–外排量杯和实验室仪器都需要熟练的操作员来维持可靠，可重复的测量。 没有足够的培训和对细节的关注，依赖操作人员的方法通常对保持对涂层过程的严格控制是不可靠的。
• 与自动监控的兼容性oring 和控制系统——工业 4.0 方法的实施需要测量系统与现有工厂技术的无缝连接。 谐振粘度计系统提供广泛的输出选项，从 4-20 mA 电流环路到以太网、RS485 和 CAN 总线接口，运行 Modbus、EthernetIP、CANO​​pen、Profinet、JSON、OPC UA 等行业标准协议，以便机器直接采集数据PLC 和工厂 SCADA 系统。 相比之下，离线方法需要操作员手动输入粘度值的中间阶段，这个过程很容易出现失误和错误，并且不能创建过程的完整可追溯性。
• 严格的温度控制–良好的谐振传感器将温度测量集成到传感元件中。 这使得能够在粘度测量点而不是在实验室条件下表征涂层材料。
• 维护简单–最先进的共振传感器将密封，机械坚固的传感器元件暴露在涂层材料上。 它们没有缝隙和空腔，可轻松就地清洗（CIP）或用浸有溶剂的抹布简单擦拭干净。 甚至可以使用能够清洗生产线中的传感器的系统，以及指示传感器是否清洁且没有任何污染的自检系统。
• 具有成本效益–尽管与外排量杯相比，初始成本相对较高，但在线共振测量系统通常比典型的实验室仪器便宜得多，尤其是当将熟练的实验室技术人员的经常性费用考虑在内时。 考虑到人工成本，这些在线粘度计的使用寿命成本大大低于手动杯。

具有这些优点的谐振传感器的一个例子是 Rheonics SRV在线粘度计（见下图2）

其紧凑的外形尺寸使其可以直接安装在涂装线中，并靠近应用点。 其固有的高剪切速率，甚至可以达到典型涂料系统的高剪切平稳段，可产生可准确预测涂料在典型喷涂条件下的行为的测量结果。

图2。 在线粘度计 SRV（来源： rheonics)

粘度和温度：亲密关系

几乎所有液体的粘度都高度依赖于温度。 如果没有严格、准确的温度控制，粘度测量是没有意义的。 因此，测量流体温度时必须尽可能接近粘度测量点。 仪器如 Rheonics SRV 将精确的温度测量集成到传感元件中，因此每次粘度测量值都伴随着温度值。

在粘度测量的精确点测量流体温度还有另一个优势。 通过使用在线粘度计测量其粘度，可以通过在涂布线上预期的范围内改变温度来表征涂层粘度与温度的关系。 所得的测量结果可用于得出公式，该公式允许从该范围内任何其他温度下的测量值计算出流体在该范围内的粘度。 因此，所谓 温度补偿粘度 变得与实际过程温度无关。 温度补偿的粘度很重要，因为它反映了一些非常相关的工艺参数，例如颜料负载或溶剂浓度，两者本身都与温度无关。

可靠的粘度测量可实现工业4.0集成的预测控制

使涂料生产线达到工业4.0标准的一些关键要素包括：

• 通过自动纠正措施实现涂层一致性
• 在生产，合规性和产品出处方面应对新产品变型的敏捷性
• 大数据为基础决策提供了有力的证据，可提高效率
• 互连性和信息透明性使操作员可以在生产设施内部和外部做出决策，从而可以分散决策
• 减少碳排放–优化镀膜工艺可减少材料用量，能源消耗和浪费–所有这些均显着降低了镀膜工艺的二氧化碳预算
• 典型的在线粘度计的投资回报（ROI）约为3-6个月。

图3。 原理图 显示粘度计的在线集成 和控制器 在汽车喷漆/涂层过程中。

追求更高的精度，可靠和灵活的涂层工艺控制

 共振粘度传感器通常与常规的基于PLC的控制系统配对。 这些通常无法利用现代的工业4.0兼容传感器系统所需的所有优势。

例如，更复杂的系统可以利用谐振传感器提供的高精度和可重复测量，通过对照涂层材料数据库和已建立的作业参数检查实际测量值，实现涂层参数的“锁定和加载”设置。 此类系统之一是 Rheonics CoatControl 配备 ViscoLock 软件，可同时在线控制多条生产线中涂层的温度补偿粘度。 可以通过遍布工厂车间的单个仪表板来管理多个传感器。 即使在不同的温度和蒸发条件下，也可以通过使用连续实时粘度测量的控制器实现计量系统的自动化，从而实现工厂内多条生产线的涂层一致性。 涂装商最终可以实现每一次涂装操作的完整跟踪和追溯。

结论

现代的传感器和控制系统使涂层过程控制达到了工业4.0的要求。 通过将准确，可靠的在线传感器与复杂的在线控制系统配对，可以将粘度控制提高到高速，自动涂装线所需的标准，同时提高生产率并符合环境标准。 这样的系统对本领域的未来发展是开放的，从而可以灵活地适应不断变化的涂料配方和改进应用技术。

1. 在保持质量和安全性的同时，强调提高效率，生产率，敏捷性和灵活性，以及​​油漆和涂料制造设备的进步： https://www.paint.org/coatingstech-magazine/articles/advances-in-paint-and-coating-manufacturing-equipment/
2. 涂料的最佳粘度： https://www.paint.org/coatingstech-magazine/articles/optimum-viscosity-paint-application/
3. SRV的工作原理： https://rheonics.com/whitepapers/
4. 涂料行业可持续发展的最新动态– https://www.paint.org/coatingstech-magazine/articles/an-update-on-sustainability-in-the-coatings-industry/

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