如何提高靜電粉末噴涂加工中死角上粉率的工藝解決方案

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如何提高靜電粉末噴涂加工中死角上粉率的工藝解決方案！探討粉末死角上粉率時(shí)，有多種因素共同作用，要將內(nèi)在和外在因素加以區(qū)分。外在因素包括被涂工件彎角大小與形狀，客戶噴粉系統(tǒng)，噴粉施工人員等，這些因素也影響死角上粉率，是不可忽略的因素。本文討論的是粉末配方調(diào)整和噴涂工藝中的可操作因素，屬于內(nèi)在因素。隨著粉末研發(fā)和生產(chǎn)技術(shù)的不斷改進(jìn)，可以有效地避免死角上粉率差問(wèn)題，但不能完全解決上述問(wèn)題，只有對(duì)以上可變因素進(jìn)行適宜調(diào)整，綜合實(shí)現(xiàn)粉末噴涂死角上粉率預(yù)期目標(biāo)。

引言

粉末涂料具有較高的生產(chǎn)效率，優(yōu)異的涂膜性能，良好的生態(tài)環(huán)保性和突出的經(jīng)濟(jì)性等特點(diǎn)，受到市場(chǎng)的廣泛青睞。在生產(chǎn)中，設(shè)備廠家通過(guò)對(duì)靜電設(shè)備噴槍的改良和設(shè)備技改提高死角上粉率。工件死角上粉率看似非常簡(jiǎn)單的問(wèn)題，即讓經(jīng)過(guò)靜電噴槍的粉末附著在復(fù)雜折彎工件的凹面處，然而做到這一點(diǎn)非常困難。實(shí)際生產(chǎn)中工件形狀更為復(fù)雜，需要采用多把噴槍進(jìn)行噴涂。因此粉末在噴涂過(guò)程中，必需克服各種不利因素，減弱法拉第籠屏蔽效應(yīng)，使凹槽區(qū)域得到有效涂裝，即提高死角上粉率。本文著重研究高壓靜電噴槍在電暈放電噴涂過(guò)程中如何改善工件折彎凹槽內(nèi)部金屬死角上粉情況。

一、影響粉末涂料死角上粉率原因

影響粉末死角上粉率的因素有很多，其中的兩個(gè)主要理論因素，分別是粉末的帶電效應(yīng)和法拉第籠屏蔽效應(yīng)。

1.1 粉末帶電效應(yīng)

粉末的帶電效應(yīng)決定粉末噴涂加工自身所帶的電荷q0，影響粉末粒子在接地表面的工件上的沉積率。噴涂粉末受電場(chǎng)力作用，粒子到達(dá)工件表面后，帶電顆粒緩慢消散電荷，表面逐步形成次生電場(chǎng)，粉末在電場(chǎng)作用下，沉積在工件表面，當(dāng)粉末達(dá)到一定厚度，電場(chǎng)逐漸減弱，粉末上粉率變差。所以工件表面涂層厚度受顆粒平均電荷和涂膜厚度的影響。由此可推斷粉末的帶電效應(yīng)是影響死角上粉的重要因素。在一定時(shí)間內(nèi)，粉末沉積顆粒所帶平均電荷是表面電阻系數(shù)的函數(shù)�？梢�(jiàn)粉末的上粉沉積率與粉末的電阻率有較強(qiáng)的內(nèi)在聯(lián)系，在試驗(yàn)中降低電阻率，有利于粉末帶電，提高死角上粉率。

1.2 法拉第籠效應(yīng)

粉末噴涂到工件表面，普通電暈噴槍釋放的強(qiáng)電場(chǎng)具有十分突出的優(yōu)勢(shì)，整個(gè)表面上粉率好，但當(dāng)工件表面帶有深凹坑或溝槽時(shí)，往往會(huì)碰到法拉第籠效應(yīng)，見(jiàn)圖 1，噴涂的粉末粒子會(huì)集中在電力線阻位較低處（即這些凹陷部位的邊緣處），因?yàn)檫吘壧巿?chǎng)強(qiáng)增加，直接導(dǎo)致粉末粒子朝邊緣處運(yùn)動(dòng)，這些地方的粉末沉積明顯，粉末很難到達(dá)凹槽內(nèi)，這就是我們平常所說(shuō)的法拉第籠效應(yīng)。理論上講，當(dāng)邊緣處涂上厚厚的粉末層，其他粉粒便不能再在該處沉積時(shí)，唯一的去處就只能是進(jìn)入深凹的底部。真實(shí)情況并非如此，實(shí)踐例子證明，粉末無(wú)法到達(dá)工件凹槽底部，因?yàn)槠湟唬捎诜哿１浑妶?chǎng)強(qiáng)力地推向法拉第籠的邊緣，因而只有很少的粉粒有機(jī)會(huì)進(jìn)入凹陷部位。其二，由電暈放電產(chǎn)生的自由粒子會(huì)沿電力線走向工件的邊緣處，使已有的涂層迅速被多余的電荷所飽和，以致反向離子化十分強(qiáng)烈，形成凹槽真空，內(nèi)部不帶電，無(wú)法沉積粉末粒子，所以死角上粉難。

二、試驗(yàn)方法

原有評(píng)判粉末死角上粉率好壞與否，在工業(yè)生產(chǎn)中，粉末企業(yè)只是根據(jù)客戶反饋信息，說(shuō)上粉率好還是不好，然后進(jìn)行配方調(diào)整。粉末廠家自身沒(méi)有一個(gè)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，這對(duì)我們配方的改善是不利的。本項(xiàng)目擬設(shè)立一個(gè)專門的實(shí)驗(yàn)程序，對(duì)粉末死角上粉率進(jìn)行體系評(píng)價(jià)。

死角上粉率測(cè)定：

實(shí)驗(yàn)器材：實(shí)驗(yàn)室高壓靜電噴槍；鋁板；夾子；電子天平；實(shí)驗(yàn)粉末涂料；

試驗(yàn)方法：使用一個(gè)專門設(shè)計(jì)的鋁板，進(jìn)行死角上粉率的測(cè)試試驗(yàn)，鋁板中央凹槽深75px，寬 75px，如圖 2所示。

噴涂前用夾子將3 條鋁片（寬75px，長(zhǎng)和鋁板相同），分別固定在相應(yīng)部位，兩條位于槽外，一條位于槽底壁上，然后在固定風(fēng)量，電壓下根據(jù)試驗(yàn)噴涂定量粉末。3條鋁片在噴涂前、后分別稱質(zhì)量，以測(cè)定粉末沉積量。通過(guò)槽內(nèi)底壁粉末沉積量 minternal與槽外兩條鋁片上粉末量平均值 mouter 進(jìn)行比較，就能測(cè)出死角上粉率：

R=1 表示死角上粉率好，R=0 時(shí)表示靜電屏蔽效應(yīng)最大，死角上粉率幾乎為0。

三、解決粉末死角上粉率的措施

提高配方整體帶電性的，主要包括樹(shù)脂，填料和助劑的調(diào)配，這三方面是影響粉末在噴涂上粉率的重要因素。

實(shí)驗(yàn)室聚酯粉末涂料試驗(yàn)配方篩選及涂膜性能分析見(jiàn)表1、表2。

3.1 材料

粉末涂料主要由環(huán)氧，聚酯樹(shù)脂等高分子化合物組成，這些化合物有較高的介電常數(shù)，因而在電場(chǎng)中受到的電場(chǎng)力作用強(qiáng)，如果在配方中只用純樹(shù)脂，上粉率好。但由于價(jià)格成本高，一般不采用此種方式，粉末廠家為自身市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的需要，降低材料成本添加填料，控制合適的顏基比，其中添加粒徑細(xì)的填料，在試驗(yàn)中，如超細(xì)硫酸鋇，可提高死角上粉率。

3.2 帶電助劑

現(xiàn)在粉末廠家基本是通過(guò)在粉末配方中外加帶電助劑來(lái)實(shí)現(xiàn)粉末死角上粉率的提高。主要分為兩種；增電劑和抗靜電劑。增電劑主要成份為帶電基團(tuán)的有機(jī)胺鹽，提高噴涂時(shí)粉末粒子的帶電量，并將工件表面的電荷及時(shí)泄漏掉，提高死角上粉率，從而克服了靜電屏蔽效應(yīng)�？轨o電劑不同于一般的胺類帶電劑，使粉末具有很好的摩擦帶電性能。它自身的帶電官能團(tuán)在粉末噴涂中能捕捉電離場(chǎng)中負(fù)離子帶上負(fù)電電荷，減弱凹槽死角等部位法拉第籠效應(yīng)電力線作用，這時(shí)帶有較多電荷的粉末粒子就能靠自身的力量到達(dá)工件表面，改善死角上粉。根據(jù)試驗(yàn)配方5對(duì)帶電助劑進(jìn)行優(yōu)選，結(jié)果顯示，添加 0. 1%～0.6%的有機(jī)銨鹽助劑，能有效地降低粉末電阻率，增加粉末帶電效應(yīng)，提高粉末死角上粉率。

3.3 粉末后混助劑的研究

粉末經(jīng)ACM主、副磨的轉(zhuǎn)速，和冷風(fēng)系統(tǒng)，得到的粉末粒徑正態(tài)分布集中、峰值合適。但粒徑本身很細(xì)，自身的流動(dòng)性很弱，不利于粉末帶電性，影響粉末的死角上粉率。提高粉末顆粒帶電性，需要在擠出和粉碎過(guò)程中加入氣相二氧化硅或氧化鋁。例如加入一定量的氣相二氧化硅和氧化鋁 C，能夠有效提高粉末帶電性，并增加粉末流動(dòng)性。添加氣相金屬氧化物，如配方 7，在噴涂中最能有效地克服法拉第籠效應(yīng)，密度更小的膠體二氧化硅附著在粉末顆粒表面，增強(qiáng)原有粉末粒子的帶電性，有利于穿透法拉第籠效應(yīng)區(qū)域，死角上粉率更好。氣相二氧化硅是蓬松高純度無(wú)定形白色粉末，按極性分為親水性和疏水性兩類。根據(jù)實(shí)踐生產(chǎn)選用疏水性的氣相二氧化硅，可改善粉末的帶正電荷性，提高死角上粉率，效果顯著。疏水性氣相二氧化硅應(yīng)用效果最好的是贏創(chuàng)的 AEROSIL972，在試驗(yàn)過(guò)程中干混添加0.1%～1.0%，即可達(dá)到較好的死角上粉率效果。此外，干混助劑氣相二氧化硅有助于提高粉末的貯存穩(wěn)定性、降低吸潮性、增加邊角覆蓋效果。在粉末涂料中添加合適粒徑的氧化鋁C同樣也能提高粉末死角上粉率，效果也比較明顯。

四、提高粉末死角上粉率的工藝研究

4.1粉末電阻率與死角上粉率關(guān)系

噴涂粉末顆粒的電阻率，決定了沉積在工件表面顆粒的電荷消散速率。表面電阻系數(shù)高的顆粒在死角處能夠較長(zhǎng)時(shí)間保留他們的原始電荷，而表面電阻系數(shù)較低的顆粒很快就消散了他們的表面電荷。當(dāng)表面電荷高時(shí)，電效應(yīng)強(qiáng)烈，法拉第籠效應(yīng)表現(xiàn)強(qiáng)烈，粉末在噴涂中不易到達(dá)死角。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)將表面電阻率為1. 5×106 Ω·m 的粉末噴涂在實(shí)驗(yàn)基材上時(shí)，死角出現(xiàn)裸露金屬。當(dāng)經(jīng)過(guò)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)配方，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)粉末電阻率< 2×104Ω·m 時(shí)，粉末易噴涂到工件上，并且死角上粉率好，但如果電阻率太低（如<6×102 Ω·m），死角上粉率雖好，但容易出現(xiàn)邊角積粉，涂層固化會(huì)出現(xiàn)較厚的波紋橘皮，影響涂層美觀。為了得到適宜的涂層、附著力和死角上粉率，粒子表面的電阻率應(yīng)該保持在103～104 Ω· m范圍內(nèi)。

4.2 電壓與工件噴涂距離關(guān)系

粉體在噴涂時(shí)電壓要適當(dāng)，將粉體噴涂出槍口并且呈松散狀態(tài)，有利于粉末帶電。粉末涂料噴涂電壓一般保持在 50～90kV，不同電壓下，上粉率都隨噴涂距離的增加而下降。在實(shí)驗(yàn)室噴涂折彎工件過(guò)程中，試驗(yàn)初期，死角上粉率一直不好，認(rèn)為推近噴槍與工件的距離，可以減少法拉第籠效應(yīng)，提高死角上粉率，然而這是一種錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí)。噴槍與工件距離越近，到達(dá)工件表面的電流就越強(qiáng)，當(dāng)噴槍靠近工件表面試圖將粉末推入法拉第籠效應(yīng)區(qū)域時(shí)，隨著距離增進(jìn)，空間電流增大，工件表面單位面積內(nèi)的自由離子密度大大增加，反電離作用提前發(fā)生，反而無(wú)助于工件死角上粉率。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室經(jīng)驗(yàn)，調(diào)節(jié)合適的電壓 60～70kV，根據(jù)工件折彎度的不同，適當(dāng)調(diào)節(jié)噴槍與工件的距離，并且保持在 10～15 cm 之間，可促進(jìn)粉末向法拉第籠效應(yīng)區(qū)域滲透，使粉末沉積在死角處，提高死角上粉率。

4.3 粒徑與死角上粉率關(guān)系

粉末涂料的材料大部分都是高絕緣性能材料，一定粒徑粉末粒子一旦帶上電就很難消失，且粉末的電阻率也較大�，F(xiàn)在普通粉末廠家一般都控制粒徑在 35～45 μm，這一粒徑范圍的粉末在電場(chǎng)中的上粉率較好。理論研究表明，粉末粒子的帶電量與粉末粒徑的平方成反比，粒徑較粗的粒子帶電強(qiáng)度大，更容易透過(guò)法拉第屏蔽效應(yīng)區(qū)域，沉積在工件表面，死角上粉率好；粉末粒徑偏細(xì)，帶電量小，在電場(chǎng)中要克服粉末重力，空氣動(dòng)力等不利因素影響，死角上粉困難。本項(xiàng)目試驗(yàn)結(jié)果顯示，能較好克服法拉第效應(yīng)促進(jìn)死角上粉的粉末粒徑宜控制25～35 μm范圍之內(nèi)。細(xì)粒徑（≤10 μm）控制在 8%以下，超細(xì)粉一般不帶電，噴涂過(guò)程中主要受空氣氣流的影響；粗粒徑（≥70 μm）控制在 3%以下，能夠有效地避免凹槽邊沿的厚涂問(wèn)題，克服粉末在未達(dá)到工件表面掉落或者粒徑較細(xì)的粉末被吸走等不利因素，實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果表明死角上粉率檢驗(yàn)值能達(dá)到R≥0. 7以上。

五、結(jié)語(yǔ)

探討粉末死角上粉率時(shí)，有多種因素共同作用，要將內(nèi)在和外在因素加以區(qū)分。外在因素包括被涂工件彎角大小與形狀，客戶噴粉系統(tǒng)，噴涂廠噴粉施工人員等，這些因素也影響死角上粉率，是不可忽略的因素。本文討論的是粉末配方調(diào)整和噴涂工藝中的可操作因素，屬于內(nèi)在因素。隨著粉末研發(fā)和生產(chǎn)技術(shù)的不斷改進(jìn)，可以有效地避免死角上粉率差問(wèn)題，但不能完全解決上述問(wèn)題，只有對(duì)以上可變因素進(jìn)行適宜調(diào)整，綜合實(shí)現(xiàn)粉末噴涂死角上粉率預(yù)期目標(biāo)。

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