精准喷涂加工技术——粉末静电喷涂法

粉末静电喷涂是目前应用最广、涂装质量与效率最佳的一种粉末涂装方法。

1.粉末静电喷涂的原理

粉末静电喷涂系统的组成如图10-6所示。工件通过输送链进入喷粉房的喷枪位置，准备喷涂作业。粉末静电喷枪与高压静电发生器相连，当喷枪电极接通高压静电后，与工件正极之间产生高压静电场，并在枪口处形成电晕放电。当粉末涂料由净化的空气从供粉器输送至喷枪，并由喷枪喷出时，雾化的粉末在电晕放电区捕获负电荷成为带电微粒，并在气流和电场作用下沿着电场力的方向飞向工件表面，按工件表面电力线分布密度涂布排列，由库仑静电引力的作用而紧紧吸附在工件表面。涂膜达到一定厚度后，经加热熔融、流平固化而成为均匀、平整、光滑的涂膜。

2.粉末静电喷涂的工艺流程

粉末静电喷涂的典型工艺流程为：

3.预处理

工件须经过表面预处理，除掉工件表面的油污和灰尘，在工件表面形成一层磷化膜，以增强喷粉后的附着力。预处理后的工件应完全烘干水分并充分冷却到35℃以下，才能保证喷粉后工件的理化性能和外观质量。

4.粉末静电喷涂的基本原料

粉末静电喷涂的基本原料用室内型环氧聚酯粉末涂料。它的主要成分是环氧树脂、聚酯树脂、固化剂、颜料、填料及各种助剂（例如流平剂、防潮剂、边角改性剂等）。粉末加热固化后在工件表面形成所需涂膜。辅助材料是压缩空气，要求清洁、干燥，含水量小于1.3g/m³，含油量小于1.0×10^-5%（质量分数）。

5.粉末静电喷涂的施工工艺

1）静电高压为60～90kV。电压过高容易造成粉末反弹和边缘麻点；电压过低，上粉率低。

2）静电电流为10～20μA。电流过高容易产生放电击穿粉末涂膜；电流过低，上粉率低。

3）流速压力为0.30～0.55MPa。流速压力越高，则粉末的沉积速度越快，有利于快速获得预定厚度的涂膜，但过高就会增加粉末用量和喷枪的磨损速度。

4）雾化压力为0.30～0.45MPa。适当增大雾化压力，能够保持粉末涂膜的厚度均匀，但过高会使送粉部件快速磨损；适当降低雾化压力，能够提高粉末的覆盖能力，但过低容易使送粉部件堵塞。

5）清枪压力为0.50MPa。清枪压力过高，会加速枪头磨损；清枪压力过低，容易造成枪头堵塞。

6）供粉桶流化压力为0.04～0.10MPa。供粉桶流化压力过高，会降低粉末密度，使生产率下降；供粉桶流化压力过低，容易出现供粉不足或者粉末结团。

7）喷枪口至工件的距离为150～300mm。喷枪口至工件的距离过近，容易产生放电击穿粉末涂膜；距离过远，会增加粉末用量和降低生产效率。

8）输送链速度为4.5～5.5m/min。输送链速度过快，会引起粉末涂膜厚度不够；输送链速度过慢，则降低生产率。

喷粉工艺参数见表10-3。

表10-3 喷粉工艺参数

6.粉末静电喷涂的主要设备(www.xing528.com)

（1）高压静电发生器 高压静电发生器是粉末静电喷涂的关键设备，要求使用安全可靠稳定。它主要由电源、自激脉冲振荡、推动放大、功率放大、高压升压、倍压整流、恒流自动控制、过压自动保护等电路组成。为使高压静电发生器能有效地形成高压静电场而又防止火花放电现象，则要求其输出电压高而输出电流低。其主要技术指标为：电源电压为220V±22V，电源频率为50Hz，输出高压0～120kV并连续可调，过压自动保护50～100kV连续可调，恒流输出0～200μA连续可调，短路电流为300μA，耗电功率小于300W。

（2）静电喷粉枪 对静电喷粉的要求是：出粉均匀、雾化好，产生良好电晕放电使粉末充分带电，环抱效应好，结构轻巧，使用方便。喷粉枪结构形式有内带电式和外带电式；按枪口扩散机构分类，它又有反弹式、冲突式、二次进风式、离心式等；还有低压输入、高压输出的喷枪，如瑞士Gema公司、德国Wagner公司的产品等，都是将倍压系统置于喷枪内，使用安全轻便，性能优良。

（3）供粉系统 供粉系统主要由新粉桶、旋转筛、空气压缩机、油水分离器、调压阀、电磁阀、供粉器、输气输粉管等组成。粉末涂料先加入到新粉桶，压缩空气通过新粉桶底部的流化板上的微孔使粉末预流化，再经过粉泵输送到旋转筛。旋转筛分离出粒径过大的粉末粒子（100μm以上），剩余粉末下落到供粉桶。供粉桶将粉末流化到规定程度后，通过粉泵和送粉管供给喷枪喷涂工件。

（4）喷粉室 喷粉室是工件进行粉末喷涂的重要场所，起到防止粉末外逸扩散污染环境、保证喷涂质量及回收粉末的重要作用，以及控制粉尘浓度，防止粉尘起火爆炸的功能。

（5）粉末回收系统 粉末静电喷涂实际上粉率一般为50%～70%（质量分数），其他散落的粉末经回收防止环境污染，并使之过筛再利用，提高粉末涂料的利用率。目前生产中采用的回收装置有：旋风分离器2布袋除尘器二级回收装置、滤带式回收装置、脉冲滤芯式回收装置、列管式小旋风回收装置、无管道式回收装置、烧结板过滤装置等。可按生产工艺实际要求分别选用或组合使用，粉末的回收效率可达95%以上，最佳可达99.5%。

（6）辅助系统 辅助系统包括空调器、除湿机等。空调器的作用一是保持喷粉温度在35℃以下以防止粉末结块，二是通过空气循环（风速小于0.3m/s）保持喷粉室的微负压。除湿机的作用是保持喷粉室相对湿度为45%～55%。

7.粉末涂料的固化

（1）粉末固化的基本原理 环氧树脂中的环氧基、聚酯树脂中的羧基与固化剂中的氨基发生缩聚、加成反应交联成大分子网状体，同时释放出小分子气体（副产物）。固化过程分为熔融、流平、胶化和固化四个阶段。温度升高到熔点后，工件上的表层粉末开始融化，并逐渐与内部粉末形成漩涡直至全部融化。粉末全部融化后开始缓慢流动，在工件表面形成薄而平整的一层，此阶段称为流平。温度继续升高到达胶点后，有几分钟短暂的胶化状态（温度保持不变），之后温度继续升高，粉末发生化学反应而固化。

（2）粉末固化的基本工艺 采用的粉末固化工艺为180℃，烘5min，属正常固化。其中的温度和时间是指工件的实际温度和维持不低于这一温度的累积时间，而不是固化炉的设定温度和工件在炉内的行走时间。但两者之间相互关联，设备最初调试时，应使用炉温跟踪仪测量最大工件的上、中、下三点表面温度及累积时间，并根据测量结果调整固化炉设定温度和输送链速度（它决定工件在炉内的行走时间），直至符合上述固化工艺要求。这样就可以得出两者之间的对应关系。因此，在一段时间内（一般为两个月），只需要控制速度即可保证固化工艺。

（3）粉末固化的主要设备 设备主要包括供热燃烧器、循环风机及风管、炉体三部分。循环风机进行热交换，送风管第一级开口在炉体底部，向上每隔600mm，有一级开口，共三级。这样可以保证1200mm工件范围内温度波动小于5℃，从而防止工件上下色差过大。回风管在炉体顶部，这样可以保证炉体内上下温度尽可能均匀。炉体为桥式结构，既有利于保存热空气，又可以防止生产结束后，炉内空气体积减小而吸入外界灰尘和杂质。

（4）检查 对于固化后的工件，日常主要检查外观（是否平整光亮，有无颗粒、缩孔等缺陷）和厚度（控制在50～90μm）。如果首次调试或需要更换粉末时，则要求使用相应的检测仪器检测如下项目：外观、光泽、色差、涂膜厚度、附着力（划格法）、硬度（铅笔法）、冲击强度、耐盐雾性（400h）、耐候性（人工加速老化）、耐湿热性（1000h）。

（5）成品 检查后的成品分类摆放在运输车、周转箱内，相互之间用报纸等软质材料隔离，以防止划伤，并做好标识待用。

8.影响粉末静电喷涂质量的因素

（1）粉末粒度 粉末微粒的大小在很大程度上影响涂膜厚度的极限值。粉末微粒尺寸增大，涂膜厚度的极限值随之增大；同时粉末所带电荷数增大，受重力及电场力的影响也增大。粉末粒度一般应为80～200目。

（2）粉末电阻率 粉末电阻率是影响粉末电性能的重要因素。粉末电阻率低，易捕获电荷，但吸附到工件上后又易失去电荷而造成粉末散落；反之，电阻率高，较难捕获电荷，但吸附到工件后也较难失去电荷，从而对后面吸附于工件上的粉末产生静电同性相斥作用，影响涂膜厚度。所以粉末电阻率应调整至一定工艺范围内，一般在108～1015Ω·cm范围内较为理想。

（3）喷涂电压 喷涂电压影响粉末涂覆效率。电压低，电场强度弱，粉末带电量小，涂覆效率低；电压增大，粉末在工件上附着量增加，涂覆效率提高；但电压过高，工件上粉末静电斥力增大，粉末涂覆效率反而降低，甚至会使粉末涂膜击穿，影响涂膜质量。工艺上控制电压通常为40～100kV。

（4）喷粉量 粉末涂膜厚度受喷粉量影响较大，其影响可分为两阶段：静电喷涂初始阶段，喷粉量大则涂层厚度随之增大；但在喷涂后阶段，喷粉量对涂层厚度增大率影响显著减小。随着喷粉量增大，粉末涂覆效率反而降低。一般喷粉量宜控制在70～1000g/min。

（5）喷涂距离 喷涂距离对涂层厚度极限值有很大影响，是控制涂层厚度的重要工艺参数。在其他工艺条件不变情况下，喷涂距离增大，涂层厚度减少，粉末涂覆效率降低。一般喷涂距离控制在100～250mm。

（6）供粉气压 供粉空气压力对粉末涂覆效率有很大影响，工艺上要将其控制在一定范围内。一般随着供粉气压的增大，粉末涂覆效率降低。

（7）粉末空气混合物速度梯度 速度梯度是指喷枪口处粉末空气混合物的速度与喷涂距离之比，对涂层厚度有一定影响。在一定喷涂时间及喷粉量等工艺条件下，随着速度梯度的增大，涂层厚度减少。

压缩空气必须经过脱脂、去水净化。工件预处理包括脱脂、除锈、磷化等处理，以及对不需涂覆的工件部位进行局部蔽覆等工序。预干燥后，工件按涂装不同要求，可冷却后进入喷漆室，也可作为预热工件直接进入喷漆室。

（8）固化设备 固化是粉末涂料成膜的关键工序，对涂膜的物理化学性能影响极大。固化设备有烘道通过式及适于间隙式生产的烘箱式。加热方式也有热风对流式、远红外辐射式等多种，可根据生产及工艺需要进行选置。不论配置何种固化设备，都必须确保粉末涂料成膜所必需的温度与固化时间。