摘要：粉末涂料的密度是表征粉末涂料质量与施工性能的一项重要指标。本文介绍了粉末涂料密度的分类与测试方法，并讨论了粉末涂料的密度与粉末涂料的使用以及涂膜外观和性能的关系。

 

1 前言

 

近年来，粉末涂料因无VOC排放，绿色环保的特点被应用于越来越多的行业。随着应用市场越来越成熟，各行业的使用要求也越来越明确并且严格，这就驱使粉末供应商对产品的品质以及成本进行更加科学的控制与管理。粉末涂料的密度是一项对于产品质量与成本有表征意义的指标。合理设计粉末涂料的密度并严格管控，有利于涂装工艺的稳定，获得外观良好、性能优异的涂膜。

 

 

2 粉末涂料密度分类

 

 

粉末涂料是基料树脂、固化剂、颜填料、助剂等多种组分，经过熔融、混炼、冷却、粉碎后的粉体混合物。成品中每个颗粒的形状并不规则，颗粒表面或者内部包含孔隙，用图像的方式来表示颗粒的不同体积值如图1所示：

 

粉体测试密度是用粉体的质量（m）除以粉体的体积计算得到的。粉体的体积一般是由粉体颗粒间间隙所占体积（V间）、粉体颗粒上孔的体积（V孔=V开+V闭）、粉体颗粒材料的骨架体积(V固）三部分组成。依据测得的粉末涂料的体积不同，粉体的密度可以用堆积密度、表观密度、真密度3种密度来表达，也就是：

堆积密度：m/（V间+V孔+V固）；

表观密度：m/（V闭+V固）；

真密度：m/V固

 

在粉末涂料本身无法完全排除内部闭口孔隙的前提下，粉末涂料行业真密度是很难测量的，最常使用的密度指标即为表观密度。从理论计算角度分析，待测粉末的粒径越小，单个颗粒的孔隙越少表观密度越接近真密度。并且对于同类物质来说，颗粒的孔隙情况基本不变，所以即使是表观密度，测量结果还是比较稳定的，在粉末涂料行业内来说还是极有对比意义的。

 

堆积密度是指粉末在规定条件下自由充满标准容器后所测得的密度，即粉末松散填装时单位体积的质量，反应的是颗粒堆积的紧密程度及粉体的堆放空间，是粉末的一种外在特征，对于粉末流化及涂装方面来说，是一个可以参考的判断指标。

 

 

3 粉末涂料密度测量

 

 

3.1 粉末涂料表观密度的测定

 

粉末涂料表观密度的检测方法依据标准有ASTM D5965-2002《测定粉末涂料密度的试验方法标准》、ISO 8130-2-2010粉末涂料第2部分：气体比较比重瓶测定密度（基准方法）、ISO8130-3-2010粉末涂料第3部分：用液体置换比重计法测定密度、GB/T 21782.2-2008粉末涂料第2部分：气体比较比重仪法测定密度（仲裁法）和GB/T21782.3-2008粉末涂料第3部分：液体置换比重瓶法测定密度。

 

总结各种适用标准，粉末涂料密度的检测方法有三种：

 

方法1.液体置换法：该方法使用容量瓶和润湿液进行检测，适用于普通粉末（不包括金属粉末），成本较低，适合粉末涂料供应商常规使用。简述操作流程为:

 

①使用精度为万分之一的天平称重干燥过的50m1容量瓶，称取质量为m（一般为15g左右）待测粉末；

 

②选用合适的润湿介质进行充分润湿；

 

③使用润湿介质标定容量瓶至50m1刻度线，记录消耗润湿液体积V液；

 

④依据测量所得数据进行计算并准备重复平行试验

 

p：m/（50-V液）

 

该方法检测出的密度值由于润湿介质无法排除内部闭合孔隙和难浸润部分的的干扰，可以认为测量的是表观密度。试验中使用的润湿介质选择也很重要，需要跟待测粉体有良好的润湿，且不能有溶解。标准里推荐使用己烷，实际粉末涂料生产行业内，使用的物质还有石油醚与庚烷，二者的润湿性和成本与己烷相近。由于石油醚成分复杂，且混有芳香烃，具有一定毒性，己烷挥发性较庚烷大，因此更推荐使用庚烷。

 

方法2.气体比较比重法：该方法使用气体比重仪进行测量，一般第三方检测机构或者是需要仲裁时使用的检测方法，精度较方法1高，并且适用于普通粉末涂料以及金属粉末涂料。测试方法如下：

 

①依照仪器供应商提供的方法首先进行仪器校正；

 

②使用仪器配置的样品杯取样放进比重仪的样品室；③设置分析参数与脱气参数等相关参数；

 

④称重计算最终样品质量；

 

⑤自动仪器输入质量生成测试报告；手动仪器计算质量，根据采集数据计算体积，最后计算密度。

 

气体比重法的理论基础是理想气体状态方程，所使用的气体不能对待测粉末有化学作用。对于粉末涂料来讲，直接采用空气就可以，标准ASTM D5965中建议使用惰性气体氦气进行操作，具有普适性。使用该方法测量出粉体体积基本接近颗粒的骨架体积，测得的结果可以认为是真密度。气体比重仪的设计原理图如下：

 

 

方法3.理论计算法：该方法是根据原材料的密度对粉末涂料进行理论计算，基于此方法需要知道待测粉末涂料明确配方，并且准确知道各原材料密度，操作起来太复杂且不准确，因此不考虑选用此方法。

 

3.2 粉末涂料堆积密度的测定

 

关于堆积密度的检测方法最常见的是漏斗法。关于该检测方法和设备的研究已经很成熟，检测流程也很简单，适合粉末涂料供应商进行批量的操作检测，检测流程为：

 

①将漏斗垂直放置，距离下方量筒20-40mm，与测量圆筒同轴；

 

②将115±5cm3的样粉倒入堵住下端小口的漏斗；③迅速抽开挡板，让试样自由流进测量圆筒；

 

④用刮板垂直刮去多余试样，并用天平称重，精确到0.lg；⑤平行检测3遍，计算结果。

 

该试验的检测设备图示如下：

 

 

4 粉末涂料密度对涂装的影响

 

 

粉末涂料的密度很大程度上影响着喷涂工艺和涂层外观及性能。

 

4.1 表观密度对涂装的影响

 

粉末涂料的表观密度很大程度上反映了填料的种类以及添加量。表1列举了粉末涂料常用填料物理参数：

 

 

从配方设计的角度看，适量的添加填料，可以为高分子成膜物提供依附和支撑，增加涂层的致密性和机械强度。但填料量过大，树脂不足以完全包覆所有填料，涂层的连续性变差，流平和机械性能也变差；相反填料量过少，致密度差，硬度低，防腐蚀性能下降（如图4）。

 

 

表观密度对喷涂工艺也有很大影响。表观密度过大，流化需要更大的气压，容易出现流化不均匀的现象，粉体中较细的部分会产生较严重的飞扬。表观密度大的粉末涂料通常带电性差，喷涂时受重力影响大，上粉率低，粉末浪费较严重。表观密度过小的粉末涂料温度较高的环境下更容易结块，薄涂困难，边角容易出现肥边，易流挂。表2为不同表观密度的粉末涂料平板上粉率的对比，图5为平板上粉率测试设备。

 

 

一般来讲；粉末涂料的表观密度控制在1.4~1.8g/cm3之间为宜（特殊产品除外，如透明粉）。配方设计时需要根据客户的技术要求，涂装工艺，以及所用树脂粘度和涂膜固化速度等指标来合理设计。

 

对于喷涂厂家来讲，在控制涂装厚度不变的情况下，同样重量的粉末涂料必然是表观密度小的涂装面积大。只不过很多喷涂厂家不善于调整喷涂工艺，没有严格控制涂层厚度，注意不到不同密度粉末的用粉量之间的差别罢了。

 

4.2 堆积密度对粉末涂料涂装的影响

 

粉末涂料的堆积密度反映了粉末粒子堆积的紧密程度。虽然喷涂过程中粉末粒子会受到空气动力和电场力的作用，但由于其静电吸附之后不会再有堆积状态的变化，因此堆积密度也能在一定程度上反映出干粉层中粒子排布的疏密。在其他条件（如树脂体系、表观密度、平均粒径等）基本不变的情况下，堆积密度越大，喷涂得到的干粉层就越致密，越有利于获得流平优异的涂膜。

 

对于同样配方的粉末涂料，堆积密度取决于粉末粒子的大小、形状和表面粗糙度。一般地说，粉末堆积密度随颗粒尺寸的减小、颗粒非球状系数的增大以及表面粗糙度的增加而减小。

 

粉末粒径分布对堆积密度的影响尤为显著。在粒径为20~75μm的范围内，某粉末堆积密度随着粉体粒径的变化如图6：

 

 

常用的粉末涂料粒径范围在25~55μm之间。一般认为，粉末中粒径在11μm以下的部分对空气的滞留能力很强，粉体堆积体积膨大，堆积密度很小。如果该粒径范围的粉末含量达到11％以上时，将严重影响到整体粉末的堆积密度，此时粉末呈蓬松状态，抓取时表现粘附性，这种粉末流化易出现局部鼓泡和严重飞扬的现象，喷涂时不能提供稳定均匀的粉末气流，容易造成涂装弊病。

 

有研究表明，粒径在12~18μm的粉末粒子可以填充粉末粒子之间的空隙（如图7），有效增大堆积密度。其含量控制在9％~17％为宜，过少则填充率小，干粉层中粉末粒子堆积空隙大，熔融固化后容易出现橘皮，或较大的涂膜孔隙率；含量过多同样会造成堆积密度下降，这是由于该粒径范围的粉末粒子有较大的比表面积，对空气的滞留作用明显，有较大的水汽吸附能力，导致颗粒间存在液桥作用，对其填充过程造成阻力。

 

 

另外，堆积密度还与粉末粒子的形状有关，粒子的球形度越高，堆积空隙越小，堆积密度越大；粒子形状越不规则，堆积空隙越大，堆积密度越小（如图8）。形状不规则的例子在喷涂的干粉膜中的堆积也较松散。此外带有大量尖端的粉末粒子，电荷分布不均匀（如图9），静电吸附取向性强，也会造成干粉膜中的粉粒紧密度下降，直接影响到成膜后的外观。

 

 

常用装饰性粉末涂料（一般粒径控制在25~40μm）的堆积密度控制在0.6~0.9g/cm3为宜，FBE类功能性粉末涂料（由于其要求涂装厚度大，因此粒径一般控制在40~60μm左右），堆积密度控制在0.7~1.1g/cm3为宜。

 

 

5 总结

 

 

粉末涂料的密度在很大程度影响着涂装施工和成膜状况，重视粉末涂料的密度控制，有助于稳定产品质量。

 

另外，粉末涂料的密度关乎客户的粉末需求量。尤其是针对工程项目的涂装需求，事先必须了解好客户的涂装工艺和技术要求，前期做好小批量实验，合理设计粉末涂料的密度并严格控制，这样才能提供给客户准确的粉末需求量，不至于备货不足或过剩。