Uwe Wilkenhöner，Wolfgang Könner

新型模块化涂料生产体系在优化工艺和调整性价比方面具有 显著优势。开发出一种以半成品形式出现的原材料模块，以实现 最大化的协同配套性，可以灵活生产内外墙涂料，满足性能要求。 该系统能够使产品性能达到新的水平，实现不同批次间产品高度 的一致性，生产简便快捷，作业环境优化。

模块化工业生产理念并不新奇。100 年前，汽车行业首次引入 该理念，如今发展到全模块化系统，实现精准生产工艺。 其他行业，如电子行业，也采用该理念，在预装模块的基础上安 排各种生产工艺。

然而，像涂料制造业这样的行业并未跟随这种趋势，而是仍 采用传统方式生产。尽管许多生产环节已经得到了优化，例如原 材料投料速度和总的生产产出，但生产工艺基本大同小异。单一 原料的依次投料和高速搅拌工艺仍然是涂料生产中最常见的方式。

典型的建筑涂料配方一般包括十几种不同的原材料，所有这 些原料都需要通过物流进行运输和库存。根据批次的大小、自动 化程度和内部物流（如从料仓输送或使用袋包等）的不同，生产 每一批涂料实际所需的时间相当长，某种程度上超过用于分散粉 料所需的时间。单就向生产容器中添加粉料的工序来说，其所需 的时间就超过了分散粉料所需的时间。粉料的分散也是十分耗时、耗能的生产环节，具体与质量要求有关。

问题最多的是粉料的使用，粉料通常是从生产罐的顶部加料， 这会产生大量粉尘，造成潜在的健康问题，使用极细的粉料（如颜 料和细填料）时更是如此。因此，必须安装适当的通风设施来充分 保护生产人员。

当前"原材料供应商- 涂料配方设计师"的配置形式面临着以 下困境：技术性能、产品创新和经济效率之间的平衡日渐困难。如果 涂料生产中使用半成品，那么就可避免所有这类问题。

出于这一原因，通过原材料供应商网络开发了一系列高性能模 块，能适用于各种应用领域的涂料生产，从而为涂料制造商创造了巨 大价值。

模块化原材料理念的益处

完美的原材料匹配性

当前涂料配方中包含许多不同的原材料（在某些情况下，比 实际需求的原材料更多），它们之间会产生各种化学和物理的相 互作用。有时，很难追踪每种原材料对涂料的整体性能的影响。 事实上，所有原材料之间都会出现相互作用（协同作用或冲突作 用），影响了涂料的制造、施工和最终性能。如果这类相互作用 已经得到了优化（如在一个智能化的集成模块系统中），那会怎 样呢？

产品性能达到新的水平

只有详细了解原材料的化学设计，才能精确控制物理和化学 相互作用。事实上，这为大幅改善配方和涂料性能开启了成功之门。 将原材料供应商网络中的各种专业知识进行综合，有助于开发出 原材料模块，这是一种具有协调的化学设计的半成品，可制备出 高性能的涂料。

突出的批次间一致性

尽管听起来像是理所当然的事，但在涂料制造领域中，批次 间的质量差异是不争的事实，且出现的原因多种多样——通常是 由于很难控制某些原材料之间的相互作用造成的。因此，涂料配 方设计师和原材料供应商网络之间的联合开发不仅使得开发周期 更高效、更短，还有机会生产出具有稳定的高质量和性能优异的 涂料。

制造过程简便、快捷

可对所有"易加工"的模块化配方进行调节，使不同的化学 品之间达到最佳的相互作用，从而能够获得最佳性能。结果，各 种原材料之间呈现最大的相容性，使得生产过程变得异常快捷和 简便。在某些市场中（如美国），这种生产原理已广泛应用多年。

形成良好的作业环境

采用模块化原材料不仅降低了生产成本和单一原材料的库存， 而且还有助于减少生产过程中产生废物和粉尘，改善了生产作业 环境，无需额外投资购买安全设备。

涂料生产成本

就生产成本而言，应重点考虑整体，而不仅是某一分散装置 的成本。生产过程实际成本的确定较为复杂，需要对许多工厂内 部的过程进行深入分析［1-2］。

采用模块化原材料系统有利于降低生产成本［3］。分散过程及 相关工艺过程的成本（例如容器中粉料的加料/卸料、厂内物流、 仓储、原材料运输以及空包装袋处理）均可省去。此外，与传统 工艺相比，原材料模块的质量统一、稳定，免去了因返工所增加 的成本。

完全不采用传统生产工艺也是有可能的。只需简单的混合设 备和各种储罐就可以了，可能是调漆工段的储罐或者理想状态下 就是成品储罐。每一个配方只需采用几个原料模块体系，可以实 现多种质量的产品的稳定生产。

具有多个原材料模块的涂料配方

原材料模块是由模块化原材料网络中的合作伙伴共同开发 的，关注的重点是：

1） 支持模块化生产技术［4-5］。

2） 调节原材料之间的物化作用以及可能产生的化学反应。

通常，基料模块应该使用匹配良好的原材料制备，如图1所 示。不同的原材料用不同的颜色表示：红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，如调节流变、起泡或胶 体稳定性；浅灰色原材料是根据最终使用要求可能需要的备选原 材料。

以此类推，可配置好颜/填料模块（如图2所示）。同样，红 色代表最基本的原材料；深灰色物质确保性能要求，例如防沉淀 性、耐擦洗性、抗龟裂性和着色性；浅灰色代表其他备选配料。

最理想的情况是只要将一些液态原材料模块通过简单混合就 可制造涂料。通过改变各模块之间的混合比例及使用不同性能的 原材料模块，就能生产出不同性能、可应用于不同领域的各种涂 料。同样，为了提高涂料性能，可以将固体颜/填料模块与液体模 块化原材料结合起来。涂料制造商可根据自己的专有技术和性能 要求（流变性、颜料体积浓度、色调、疏水性等）改进模块化基 础配方。原材料供应商网络已设计了一系列模块化半成品，用来 配制不同质量的内墙和外墙建筑涂料。

模块化的内墙涂料

可选择将下列原材料模块组合起来，制备3种不同质量等级 （耐擦洗性和遮盖力）的内墙涂料（根据DIN EN 13300）。

水性基料模块中采用的树脂是专门开发的苯丙分散体。对基 料聚合物进行了改性，以便与模块中的其他成分以及颜填料模块 中的组分产生协同作用。调节了聚合物的玻璃化转变温度，无需 添加成膜助剂便可生产零VOC和无味的内墙涂料。

颜/填料模块的设计原则是要具有最大的颜料效率和遮盖力、 良好的耐擦洗性和抗龟裂性等。简言之，要根据颜填料的纯度、形态、粒径分布和力学性能选择适当的颜填料，满足相应的DIN EN 13300标准要求。选择了固体颜填料的表面改性剂以及分散和 稳定的助剂，使其与基料模块实现最大程度的相容。优化了助剂 用量，使其与基料模块中的助剂相匹配，使得聚合物性能达到最 佳。表1显示3种内墙涂料（基本级、标准级和高级）的参考配方 及结果。

模块化外墙涂料

针对外墙涂料的特定要求，开发了采用纯丙烯酸聚合物的基 料模块。该聚合物的各种功能与模块中的其他组分的化学和物理 性能相匹配，以实现良好的耐沾污性、耐久性、耐UV性、透湿率 和吸水性等。

针对外墙涂料，开发了两种不同的颜填料模块（遮盖力和水 蒸气渗透性不同）。仅需简单地更改模块的混合比例，就可生产 不同质量的涂料。任何模块都可与含纯TiO2的模块相组合，就可获 得更好的遮盖力；另外，还可改变固体模块与基料模块之间的比 例，可获得更好的耐擦洗性和涂料的机械性能。

表2显示两种不同的外墙涂料（标准级和高级）的参考配方及 最终性能。图3显示了模块化系统与类似涂料配方在约5年后的户 外耐候性比较情况（根据DIN EN ISO 2810在Krefeld进行测试）。

总结

采用一系列配套性良好的原材料模块，仅需按照不同的混合 比例将几种原材料模块混合，可生产不同性能等级的建筑涂料。 但是，模块法也给通过选择相应的助剂组合或其他原料，单独设 计涂料配方留出了空间，以便获得更低的光泽，具有良好的疏水 性、流变性、着色性或其他性能。

致谢

感谢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）的支持与合作。

参考文献

[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

结果一览

 开发了一种涂料生产系统，该系统是由一系列高性能的半成 品原材料模块组成，将这些模块组合起来，就可生产出具有所 需性能的涂料。

 这种模块化原材料理念具有下列好处：协同相容性、最佳化 的整体性能、质量更稳定、生产速度更快以及生产环境更健康。

 分散、物流和质量控制成本也得到了降低。

 改变原材料模块的混合比就能够精准地调节最终的涂料性能。  这种集成模块可用于生产具有所需性能的各种内外墙涂料。