Uwe Wilkenhöner，Wolfgang Könner

新型模塊化涂料生產(chǎn)體系在優(yōu)化工藝和調(diào)整性價(jià)比方面具有 顯著優(yōu)勢(shì)。開發(fā)出一種以半成品形式出現(xiàn)的原材料模塊，以實(shí)現(xiàn) 最大化的協(xié)同配套性，可以靈活生產(chǎn)內(nèi)外墻涂料，滿足性能要求。 該系統(tǒng)能夠使產(chǎn)品性能達(dá)到新的水平，實(shí)現(xiàn)不同批次間產(chǎn)品高度 的一致性，生產(chǎn)簡便快捷，作業(yè)環(huán)境優(yōu)化。

模塊化工業(yè)生產(chǎn)理念并不新奇。100 年前，汽車行業(yè)首次引入 該理念，如今發(fā)展到全模塊化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)生產(chǎn)工藝。 其他行業(yè)，如電子行業(yè)，也采用該理念，在預(yù)裝模塊的基礎(chǔ)上安 排各種生產(chǎn)工藝。

然而，像涂料制造業(yè)這樣的行業(yè)并未跟隨這種趨勢(shì)，而是仍 采用傳統(tǒng)方式生產(chǎn)。盡管許多生產(chǎn)環(huán)節(jié)已經(jīng)得到了優(yōu)化，例如原 材料投料速度和總的生產(chǎn)產(chǎn)出，但生產(chǎn)工藝基本大同小異。單一 原料的依次投料和高速攪拌工藝仍然是涂料生產(chǎn)中最常見的方式。

典型的建筑涂料配方一般包括十幾種不同的原材料，所有這 些原料都需要通過物流進(jìn)行運(yùn)輸和庫存。根據(jù)批次的大小、自動(dòng) 化程度和內(nèi)部物流（如從料倉輸送或使用袋包等）的不同，生產(chǎn) 每一批涂料實(shí)際所需的時(shí)間相當(dāng)長，某種程度上超過用于分散粉 料所需的時(shí)間。單就向生產(chǎn)容器中添加粉料的工序來說，其所需 的時(shí)間就超過了分散粉料所需的時(shí)間。粉料的分散也是十分耗時(shí)、耗能的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，具體與質(zhì)量要求有關(guān)。

問題最多的是粉料的使用，粉料通常是從生產(chǎn)罐的頂部加料， 這會(huì)產(chǎn)生大量粉塵，造成潛在的健康問題，使用極細(xì)的粉料（如顏 料和細(xì)填料）時(shí)更是如此。因此，必須安裝適當(dāng)?shù)耐L(fēng)設(shè)施來充分 保護(hù)生產(chǎn)人員。

當(dāng)前"原材料供應(yīng)商- 涂料配方設(shè)計(jì)師"的配置形式面臨著以 下困境：技術(shù)性能、產(chǎn)品創(chuàng)新和經(jīng)濟(jì)效率之間的平衡日漸困難。如果 涂料生產(chǎn)中使用半成品，那么就可避免所有這類問題。

出于這一原因，通過原材料供應(yīng)商網(wǎng)絡(luò)開發(fā)了一系列高性能模 塊，能適用于各種應(yīng)用領(lǐng)域的涂料生產(chǎn)，從而為涂料制造商創(chuàng)造了巨 大價(jià)值。

模塊化原材料理念的益處

完美的原材料匹配性

當(dāng)前涂料配方中包含許多不同的原材料（在某些情況下，比 實(shí)際需求的原材料更多），它們之間會(huì)產(chǎn)生各種化學(xué)和物理的相 互作用。有時(shí)，很難追蹤每種原材料對(duì)涂料的整體性能的影響。 事實(shí)上，所有原材料之間都會(huì)出現(xiàn)相互作用（協(xié)同作用或沖突作 用），影響了涂料的制造、施工和最終性能。如果這類相互作用 已經(jīng)得到了優(yōu)化（如在一個(gè)智能化的集成模塊系統(tǒng)中），那會(huì)怎 樣呢？

產(chǎn)品性能達(dá)到新的水平

只有詳細(xì)了解原材料的化學(xué)設(shè)計(jì)，才能精確控制物理和化學(xué) 相互作用。事實(shí)上，這為大幅改善配方和涂料性能開啟了成功之門。 將原材料供應(yīng)商網(wǎng)絡(luò)中的各種專業(yè)知識(shí)進(jìn)行綜合，有助于開發(fā)出 原材料模塊，這是一種具有協(xié)調(diào)的化學(xué)設(shè)計(jì)的半成品，可制備出 高性能的涂料。

突出的批次間一致性

盡管聽起來像是理所當(dāng)然的事，但在涂料制造領(lǐng)域中，批次 間的質(zhì)量差異是不爭的事實(shí)，且出現(xiàn)的原因多種多樣——通常是 由于很難控制某些原材料之間的相互作用造成的。因此，涂料配 方設(shè)計(jì)師和原材料供應(yīng)商網(wǎng)絡(luò)之間的聯(lián)合開發(fā)不僅使得開發(fā)周期 更高效、更短，還有機(jī)會(huì)生產(chǎn)出具有穩(wěn)定的高質(zhì)量和性能優(yōu)異的 涂料。

制造過程簡便、快捷

可對(duì)所有"易加工"的模塊化配方進(jìn)行調(diào)節(jié)，使不同的化學(xué) 品之間達(dá)到最佳的相互作用，從而能夠獲得最佳性能。結(jié)果，各 種原材料之間呈現(xiàn)最大的相容性，使得生產(chǎn)過程變得異常快捷和 簡便。在某些市場中（如美國），這種生產(chǎn)原理已廣泛應(yīng)用多年。

形成良好的作業(yè)環(huán)境

采用模塊化原材料不僅降低了生產(chǎn)成本和單一原材料的庫存， 而且還有助于減少生產(chǎn)過程中產(chǎn)生廢物和粉塵，改善了生產(chǎn)作業(yè) 環(huán)境，無需額外投資購買安全設(shè)備。

涂料生產(chǎn)成本

就生產(chǎn)成本而言，應(yīng)重點(diǎn)考慮整體，而不僅是某一分散裝置 的成本。生產(chǎn)過程實(shí)際成本的確定較為復(fù)雜，需要對(duì)許多工廠內(nèi) 部的過程進(jìn)行深入分析［1-2］。

采用模塊化原材料系統(tǒng)有利于降低生產(chǎn)成本［3］。分散過程及 相關(guān)工藝過程的成本（例如容器中粉料的加料/卸料、廠內(nèi)物流、 倉儲(chǔ)、原材料運(yùn)輸以及空包裝袋處理）均可省去。此外，與傳統(tǒng) 工藝相比，原材料模塊的質(zhì)量統(tǒng)一、穩(wěn)定，免去了因返工所增加 的成本。

完全不采用傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝也是有可能的。只需簡單的混合設(shè) 備和各種儲(chǔ)罐就可以了，可能是調(diào)漆工段的儲(chǔ)罐或者理想狀態(tài)下 就是成品儲(chǔ)罐。每一個(gè)配方只需采用幾個(gè)原料模塊體系，可以實(shí) 現(xiàn)多種質(zhì)量的產(chǎn)品的穩(wěn)定生產(chǎn)。

具有多個(gè)原材料模塊的涂料配方

原材料模塊是由模塊化原材料網(wǎng)絡(luò)中的合作伙伴共同開發(fā) 的，關(guān)注的重點(diǎn)是：

1） 支持模塊化生產(chǎn)技術(shù)［4-5］。

2） 調(diào)節(jié)原材料之間的物化作用以及可能產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)。

通常，基料模塊應(yīng)該使用匹配良好的原材料制備，如圖1所 示。不同的原材料用不同的顏色表示：紅色代表最基本的原材 料；深灰色代表具有其他功能的原材料，如調(diào)節(jié)流變、起泡或膠 體穩(wěn)定性；淺灰色原材料是根據(jù)最終使用要求可能需要的備選原 材料。

以此類推，可配置好顏/填料模塊（如圖2所示）。同樣，紅 色代表最基本的原材料；深灰色物質(zhì)確保性能要求，例如防沉淀 性、耐擦洗性、抗龜裂性和著色性；淺灰色代表其他備選配料。

最理想的情況是只要將一些液態(tài)原材料模塊通過簡單混合就 可制造涂料。通過改變各模塊之間的混合比例及使用不同性能的 原材料模塊，就能生產(chǎn)出不同性能、可應(yīng)用于不同領(lǐng)域的各種涂 料。同樣，為了提高涂料性能，可以將固體顏/填料模塊與液體模 塊化原材料結(jié)合起來。涂料制造商可根據(jù)自己的專有技術(shù)和性能 要求（流變性、顏料體積濃度、色調(diào)、疏水性等）改進(jìn)模塊化基 礎(chǔ)配方。原材料供應(yīng)商網(wǎng)絡(luò)已設(shè)計(jì)了一系列模塊化半成品，用來 配制不同質(zhì)量的內(nèi)墻和外墻建筑涂料。

模塊化的內(nèi)墻涂料

可選擇將下列原材料模塊組合起來，制備3種不同質(zhì)量等級(jí) （耐擦洗性和遮蓋力）的內(nèi)墻涂料（根據(jù)DIN EN 13300）。

水性基料模塊中采用的樹脂是專門開發(fā)的苯丙分散體。對(duì)基 料聚合物進(jìn)行了改性，以便與模塊中的其他成分以及顏填料模塊 中的組分產(chǎn)生協(xié)同作用。調(diào)節(jié)了聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，無需 添加成膜助劑便可生產(chǎn)零VOC和無味的內(nèi)墻涂料。

顏/填料模塊的設(shè)計(jì)原則是要具有最大的顏料效率和遮蓋力、 良好的耐擦洗性和抗龜裂性等。簡言之，要根據(jù)顏填料的純度、形態(tài)、粒徑分布和力學(xué)性能選擇適當(dāng)?shù)念佁盍希瑵M足相應(yīng)的DIN EN 13300標(biāo)準(zhǔn)要求。選擇了固體顏填料的表面改性劑以及分散和 穩(wěn)定的助劑，使其與基料模塊實(shí)現(xiàn)最大程度的相容。優(yōu)化了助劑 用量，使其與基料模塊中的助劑相匹配，使得聚合物性能達(dá)到最 佳。表1顯示3種內(nèi)墻涂料（基本級(jí)、標(biāo)準(zhǔn)級(jí)和高級(jí)）的參考配方 及結(jié)果。

模塊化外墻涂料

針對(duì)外墻涂料的特定要求，開發(fā)了采用純丙烯酸聚合物的基 料模塊。該聚合物的各種功能與模塊中的其他組分的化學(xué)和物理 性能相匹配，以實(shí)現(xiàn)良好的耐沾污性、耐久性、耐UV性、透濕率 和吸水性等。

針對(duì)外墻涂料，開發(fā)了兩種不同的顏填料模塊（遮蓋力和水 蒸氣滲透性不同）。僅需簡單地更改模塊的混合比例，就可生產(chǎn) 不同質(zhì)量的涂料。任何模塊都可與含純TiO2的模塊相組合，就可獲 得更好的遮蓋力；另外，還可改變固體模塊與基料模塊之間的比 例，可獲得更好的耐擦洗性和涂料的機(jī)械性能。

表2顯示兩種不同的外墻涂料（標(biāo)準(zhǔn)級(jí)和高級(jí)）的參考配方及 最終性能。圖3顯示了模塊化系統(tǒng)與類似涂料配方在約5年后的戶 外耐候性比較情況（根據(jù)DIN EN ISO 2810在Krefeld進(jìn)行測試）。

總結(jié)

采用一系列配套性良好的原材料模塊，僅需按照不同的混合 比例將幾種原材料模塊混合，可生產(chǎn)不同性能等級(jí)的建筑涂料。 但是，模塊法也給通過選擇相應(yīng)的助劑組合或其他原料，單獨(dú)設(shè) 計(jì)涂料配方留出了空間，以便獲得更低的光澤，具有良好的疏水 性、流變性、著色性或其他性能。

致謝

感謝Simon Jonas和Gregor Apitz （Alberdingk & Boley公司）、 Rüdiger Schmidt （Alpha Calcit公司）、Frank Kother （Hemmelrath Technologies公 司）以及Carsten Nagel （BYK公司）的支持與合作。

參考文獻(xiàn)

[1] Breucker M.. Process optimization and simulation in the coatings industry, proceedings of the ETCC 2014 (Cologne).

[2] Breucker M.. Spiel mit offenen Karten, Farbe und Lack, 06/2014, pp 50ff.

[3] Fiand U., Heinekamp C., Hemmelrath M., Manke P., Münchow D., Wiegmann T., Zakrzewski U.. Fertigungskosten und –zeiten erheblich senken, Farbe und Lack, 118, 08/2012, pp 10-11.

[4] Hohmann R., Seeger H., Klapper S.. Die modulare Lackfabrik im Kleinformat, Farbe und Lack, 117. 12/2011, pp 14-17.

[5] Hohmann R.. "The Mini-MoFa Facility" – The world's most compact paint factory on 30 m2, Proceedings of the European Coatings Congress, Nuremberg, Germany, 2013.

[6] Münchow D.. Powermediate = Powdermediate, Proceedings of the Workshop Modular Technology - Pigment Paste Production in Theory and Practice 2014, pp 35ff

結(jié)果一覽

 開發(fā)了一種涂料生產(chǎn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)是由一系列高性能的半成 品原材料模塊組成，將這些模塊組合起來，就可生產(chǎn)出具有所 需性能的涂料。

 這種模塊化原材料理念具有下列好處：協(xié)同相容性、最佳化 的整體性能、質(zhì)量更穩(wěn)定、生產(chǎn)速度更快以及生產(chǎn)環(huán)境更健康。

 分散、物流和質(zhì)量控制成本也得到了降低。

 改變?cè)牧夏K的混合比就能夠精準(zhǔn)地調(diào)節(jié)最終的涂料性能。  這種集成模塊可用于生產(chǎn)具有所需性能的各種內(nèi)外墻涂料。