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第二讲 粉末涂料涂装工艺
1 概述
1.1 粉末涂料涂装发展史
粉末涂料是一个固体份100%、以粉末涂料形态进行涂装形成涂膜涂料。它和通常溶剂型涂料和水性涂料不一样，不是使用溶剂或水作为分散介质，而是借助空气作为分散介质。
40年代伴随石化工业行业快速发展，聚乙烯、聚氯乙烯、聚酰胺等热塑性树脂产量快速增加，大家开始研究将树脂熔融涂敷于金属表面，所以相继出现了辊涂、散布和火焰喷涂等工艺方法。1952年联邦德国Gemmer发明了流化床涂敷法，粉末借助空气动力在专门容器内流动游浮，含有了液体特征，从而连续自动地在预热工件表面熔融涂敷上一层致密光滑涂层。当初应用树脂关键是热塑性树脂。热固性环氧树脂问世后，流化床涂敷工艺开始进入实质性发展阶段，在电气绝缘和化工防腐领域中取得了工业化应用。
1964年shell企业开创了现今粉末涂料行业广泛使用熔融挤压法粉末涂料生产技术。使粉末涂料生产实现连续化，走上了工业化生产道路。1962年法国Sames企业研究成功粉末静电喷涂装置，首次实现了粉末在预热工件表面静电涂装，它为粉末涂装技术快速推广应用奠定了基础。表1反应了世界粉末涂料应用增加情况。其增加率约为整个涂料行业增加率2倍。
表1 世界热固性粉末涂料增加情况
年份
1980
1982
1984
1986
1988
1989
1990
1991
1992
1993
产量/kt
80
95
129
160
211
232
262
289
313
360
年增加率/%
/
/
/
/
16
13
14
13
8
8
年份
1994
1995
1996
1997
1998
1999

产量/kt
427
488
557
617
664
707
798
793
1100

年增加率/%
11
11
11
12
7
5
13
/
/

中国最早研究粉末涂装技术单位是广州电器科学研究所。该所于1965年首先研制成功环氧绝缘粉末和流化床涂敷电机铁芯工艺和设备，并在常州绝缘材料厂建立环氧绝缘粉末生产线。70年代中期到80年代初是中国粉末涂装技术研发高峰期。各部委所属企机关全部取得了丰硕科技结果，为迎接中国第一次粉末涂装技术应用高潮作好了准备。化工部涂料工业研究所开发了粉末涂料流平剂和装饰型环氧粉末涂料；电子工业部738厂、航空工业部345厂在中国率先建立了粉末静电喷涂流水生产线，对电子产品和洗衣机壳体实施粉末静电涂装规模生产。航空工业部贵阳电机厂和国际同时研制成功静电流化床用于电机铁芯静电粉末绝缘涂敷并投入批量生产。改革开放加速了中国粉末涂料行业发展，粉末涂料产量直线上升，快速占领了洗衣机、电冰箱、空调机、微波炉、电风扇等市场。表2为中国历年来热固性粉末涂料产量估量值。
表2 中国历年来热固性粉末涂料产量估量值
年份
1983
1984
1985
1986
1987
1988
1989
1990
1991
产量/kt
0.3
0.6
1.2
2.5
5
12
10
12
15
增加率/%
/
100
100
109
100
140
/
/
27
年份
1992
1993
1994
1995
1996
1997
1998
1999

产量/kt
20
26
33
40
60
95
118
150
270
增加率/%
33
30
27
21
50
58
24
27
80

90年代中国已经形成以下品种粉末涂料：装饰型环氧粉末涂料、绝缘型环氧粉末涂料、防腐型环氧酚醛粉末涂料、环氧丙烯酸型粉末涂料、环氧美术型粉末涂料、聚酯环氧装饰型粉末涂料、聚酯/TGIC粉末涂料、聚氨酯粉末涂料、半光/无光粉末涂料、其它功效性粉末涂料（包含阻燃型、导电型、耐热型等）。
中国粉末涂料市场开发，最初以家用电器产品为关键对象，逐步推广应用到机械设备、仪器仪表、医疗器械、电子元器件、建筑行业、汽车零部件、邮电通讯、航空航天、船舶、轻工、自行车、摩托车、金属家俱、办公用具、道路建设等各个领域。现在粉末涂料在石油、天燃气及船舶管道内外壁涂装也取得了广泛应用，金属制品涂装技术已趋于成熟，而且制订了对应涂装标准。上水管道采取无毒粉末涂料也正在开发应用。木材和塑料制品采取低温固化粉末涂料和UV光固化粉末涂料涂装技术开发取得了长足进展。钢筋钢材粉末涂装也提到了日程上。伴随应用领域开拓，需要开发粉末涂料品种有：重防腐型粉末涂料、低温固化涂末涂料、快固节能型粉末涂料、UV光固化粉末涂料、聚氨酯粉末涂料、丙烯酸粉末涂料、专用塘瓷型粉末涂料、耐高温粉末涂料、薄涂层粉末涂料等。

1.2 粉末涂装工艺分类
为了使读者对目前已经有部分粉末涂装工艺方法有一个较为系统了解，根据它们涂装原理和工艺特点进行以下排列归类：

上面列出是粉末涂装工艺发展过程中曾经研究过部分工艺方法。标准上能够划分成热熔涂装工艺和冷涂装工艺两大类。每一类工艺涂装原理全部是相同。冷涂装工艺中喷胶冷涂法例外，它是对被涂工件需要涂装粉末部位喷（刷）胶液，然后喷粉进行热熔流平成膜。总而言之不管用什么方法，只要能使粉末涂料均匀地涂布于被涂工件表面，经过加热熔融流平成膜，这种工艺方法就可归类于粉末涂装工艺。假如工件需要预热以熔融粉末涂料则属于热涂装工艺范围。工件能够在常温下进行粉末涂装，再进行热熔流平成膜工艺属于冷涂装工艺范围，目前应用最为广泛冷涂装工艺关键是粉末静电喷涂工艺。经过上面介绍，假如碰到新出现工艺方法和涂装设备问世时，读者就能够按其涂装原理和工艺特点自行归类了。

1.3 涂装前表面处理
粉末涂装对被涂工件表面预处理要求和工件涂装液体涂料相同，即给予涂层三方面作用。
（1）提升涂层对底材表面附着力。底材表面有油脂、污垢、锈蚀产物、氧化皮及旧涂膜，假如直接涂装粉末涂料会造成涂层对基材附着力很弱，涂膜轻易整块剥落或产生多种外观缺点。有时将各类污垢和锈蚀物清理洁净以后涂层附着力仍不理想，要想深入提升涂膜附着力，通常可采取打磨粗化、化学覆膜（磷化、氧化）等方法处理。
（2）提升涂膜对金属基体防腐保护能力，钢铁生锈以后，锈蚀产物中含有很不稳定铁酸（α-FeOOH），它在涂膜下部仍会促进锈蚀扩展和蔓延，使涂膜快速破坏而丧失保护功效。所以在施工涂膜前根本除锈可大大提升涂膜防护性。表3以油漆涂膜为例可看到多种除锈方法对涂膜防护性影响。
表3 多种除锈方法对涂膜防护性能影响
除锈方法
样板锈蚀情况/%
除锈方法
样板锈蚀情况/%
未除锈
60
酸洗除锈
15
手工除锈
20
喷砂除锈
部分锈点
注：样板涂两道底漆，两道面漆，经2年天然曝晒试验得到结果。
假如在洁净钢铁表面进行磷化处理，形成磷酸锌盐化学转化膜，则涂膜防护性能会大幅度提升。
（3）提升底材表面平整度。这是对于铸件表面来讲很关键，必需根本清除型砂、焊渣及锈蚀物，不然将影响涂膜外观。
粉末涂料涂装中金属工件表预面处理方法包含除油、除锈、磷化、氧化、表面调理和钝化封闭等。表面调理和钝化封闭仅和磷化相关。对于塑料、木材类非金属材质则有特殊表面预处理方法。
表面预处理质量等级应和涂膜品质相一致，表面预处理质量太低，涂膜品质将达不到预期要求。假如定得太高就会影响到表面预处理技术经济性。底材材质和各处理剂和处理方法配套选择参见表4。
表4 底材材质、预处理剂和处理方法配套性
材质
喷砂
喷丸
酸洗除锈
水性清洗剂（喷/浸）
表面调理（喷/浸）
磷化
封闭和氧化
其它
铸件
√
浸
√
Ni盐
锰盐、锌盐、铁盐浸

钢铁

浸
弱碱/中碱
钛胶
各类磷化剂喷/浸
Cr（Ⅲ）-PO4系，浸

铝合金

弱碱/中碱偏硅酸钠
碱活化
含HF、H2CrO4de磷化剂浸
铬盐钝化，浸

镀锌板

弱碱
钛胶
含F-锌盐磷化剂喷/喷-浸
Cr(Ⅳ)- Cr(Ⅲ)-PO4

塑料

中性/弱碱中温
专用表面活性剂

铬酸氧化，浸
除去脱模剂

1.4 粉末涂料涂装特点
粉末涂料涂装技术作为省资源、节能、低公害和高生产效率新型涂料而取得各国高度重视，但它毕竟才发展了数十年，存在不足之处是难免。伴随科技发展，这项新技术必将更趋完美。下面将其和溶剂型涂料作优缺点对比（见表5）。
表5 粉末涂料和溶剂型涂料涂装特点比较
项目
粉末涂料涂装
溶剂型涂料涂装
一次涂装涂膜厚度/μm
50～500
10～30
薄涂
难
易
厚涂
易
难
涂装线自动化
易
难
过喷涂料回收利用
能够
不能够
涂膜性能
好
通常
溶剂带来大气污染
没有
有
溶剂带来火灾危险
没有
有
溶剂带来毒性
没有
有
粉尘污染
有，但少
没有
粉尘爆炸问题
有，但不大
没有
涂装劳动生产效率
高
通常
专用涂装设备
需要
不需要
专业生产操作技术
不需要
需要
涂料调色和换色
麻烦
简单
溶剂（能源）浪费
没有
有
涂料运输方便程度
方便
不方便
涂料贮存
比较方便
不方便

表6 中国多种粉末涂料百分比
品种
所占百分比/%
品种
所占百分比/%
环氧
10～15
聚酯/TGIC
10～15
环氧聚酯
75
聚氨酯
＜5

表7 钢门涂装工艺技术经济比较
对比项目
粉末喷涂
氨基烘漆
常规喷漆
设备投资（万元）
30
40
50
关键工序
4
4
9
材料利用率
＞95%
40%～50%
30%～40%
劳动保护
无毒
二次污染
有毒
劳动强度
轻
中
高
安全性能
安全
易燃
危险
自动化程度
高
高
极低
每班工人
8
9
24
占用场地/㎡
230
350
200
生产周期/h
6
6
43
耗电量/度·件-1
0.75
0.9
0.21
工人工资/元·件-1
0.33
0.33
1
原辅料费用/元·件-1
13.5
15.2
17.5
每件门成本/元·件-1
13.95
15.67
18.52

表8 钢门涂膜质量对比
检验项目
粉末涂料
氨基烘漆
常规油漆
测试方法
附着力/级
1
2
3
GB1720-79
柔韧性/YY
1
2
3
GB1731-79
冲击强度/cm
50
45
40
GB1732-79
光泽/%
98
100
85
GB1743-79
硬度
＞4H
＞2H
＜2H
BJ2168-82
耐化学品性（90d）

GB1763-79
25%H2SO4
无改变
锈蚀落点
严重锈蚀

25%NaOH
无改变
充满锈点
起泡起皱

中国多种粉末涂料所占百分比见表6。表7和表8列出了钢门采取不一样工艺涂装技术经济性比较和涂膜质量对比。

2 粉末涂料涂装工艺技术
2.1 流化床涂装
在粉末涂装中流化床涂装工艺工业化生产较早。表9为流化床涂装工艺应用领域。
表9 流化床涂装产品应用范围
应用领域
产品实例
涂料品种
特点
交通道路
公路、桥梁、铁路、海港、轮船、防护栏、路标、信号牌、广告牌、客车扶手、货架、自行车、摩托车筐
聚乙烯、聚氯乙烯、氯乙烯改性EVA
防腐、美观、耐用
建筑
街道、园林、公寓、民电、工厂用安全隔离网、围栏、铝门窗、阳台栏杆及门窗玻璃护网、运动场围网围栏、混凝土钢筋、钢管桩
聚乙烯、氯乙烯、尼龙、改性聚酯
耐腐蚀、美观、密封性好、寿命长
电气通讯
空调机、电冰箱、洗衣机部件、商品陈列架、电风扇、仪器仪表、电控柜、配电盘、电线管
聚乙烯、环氧、聚氯乙烯
绝缘、装饰、耐低温
管道
供排水管、石油天然气及燃气管道、食品工业输送管、栏杆、管接手、异型管
聚乙烯、环氧、聚氯乙烯
耐腐蚀、卫生、美观
养殖
动物园隔离网、草原围网、鸡笼、鸟笼、水产养殖、网箱
聚乙烯、聚氯乙烯、改性EVA
耐腐蚀、美观、卫生
家庭办公
厨房、卫生间挂具、鞋架、衣架、脸盆架、衣帽钩、蔬菜水果和肉类盛装筐、文件文具筐、书架、货架、拉圾筐
多种涂料
美观、 手感好 卫生、耐用
其它
灯具、挂面杆架、钩鱼杆、暧所护网
多种涂料
美观、耐用

2.1.1 涂装原理
流化床工作原理是将让均匀分布空气流经过粉末层，使粉末微粒翻动呈流态化。气流和粉末建立平衡后保持一定界面高度。将需涂敷工件预热后放入粉末流化床中浸涂，得到均匀涂层，最终加热固化（流平）成膜。
流化床是固体流态学第二阶段，也是比较复杂和难以控制阶段，固体流态化过程分为三个阶段：固定床阶段、流化床阶段、气流输送阶段。从理性上认识这三个阶段特点和相互关系，对于掌握流化床涂装技术是很关键。
（1）固定床阶段
当流体速度很小时，固体粉末颗粒静止不动，流体从粉末颗粒间隙穿过，当流体速度逐步增大时，固体颗粒位置略有调整，即颗粒间排列方法发生改变，趋向松动倾向，此时固体颗粒仍保持相互接触，床内粉层高度H和粉末层体积没有改变，这个阶段用图10中ab段表示。此阶段床内粉层高度并不随流体速度增大而增加。不过△P却随流体速度增大而增加，图中W为流体速度，Wkp为临界速度，Wmax为极限速度。
（2）流化床阶段
在固定床基础上，继续增大流速W，床层开始膨胀和松动，床层高度开始增加，每个粉末颗粒均被流体托浮起来，离开原来位置作一定程度位移，即进入流化床阶段。伴随流体速度继续增大，粉末运动加剧且做上下翻滚，如同液体加热达成沸点时沸腾状态。这个阶段用图10中bc段表示。此时床内粉层膨胀，高度随流体速度增大而增加，但床内压强并不增大。所以在一个较大范围内变动流速而不影响流体所需单位功率。这是流化床特征之一。图1b点就是固定床和流化床分界点，称为“临界点”，此时速度称为“临界速度”。
（3）气流输送阶段
流体速度继续增加到某一极限速度时，固体粉末颗粒被流体从流化床中吹送出来，这个阶段称为气动输送阶段。从图1中c点开始即为此阶段。C点处速度称为流化床极限速度。所以在掌握流化床涂装技术时，应该将流体速度保持在临界速度Wkp和极限速度Wmax之间。

图1 H、ΔP和W关系曲线

2.1.2 流化床均匀性
流化床内粉末流化状态均匀性是确保涂膜均匀性关键原因，当气体流速不太大时，床层比较平稳，若加大流速（即增加流化数）W（W=W/Wkp），床层内粉粒运动加剧，就会出现气泡，气泡伴随流化数W增加由小变大。出现大气泡时粉粒被强烈地搅拌到界面上方，再增大W时，大气泡就可能占据流化床整个截面，这时床层将被割成几段，产生“气截”、“腾涌”等现象，图2a所表示。大气泡猛烈冲击粉粒，当气泡破裂时，粉粒被抛得很高，然后落入床层内。气截现象将引发压强猛烈波动，并恶化气流和固体粉粒接触，使压强比正常情况要大。

引发流化床床层不均匀另一原因是沟流现象（见图2b）。粉末粒度不均匀，细小颗粒轻易产生内聚而形成孔渠。气流从孔渠中流过现象称为“沟流”或“气沟”。沟流现象会使床层趋于不均匀，压强降波动比较大。首先是由孔渠中小颗粒转入流化，继而两旁粉粒开始运动，远离孔渠粉粒则可能仍维持在固定床状态。截面较大流化床中粉末流态化不均匀关键是由“大气泡”和“沟流”现象引发。
要均匀控制流化床是比较困难，流化数必需经过大量试验才能找出最好值。流化数确实定以能够进行流化床涂敷操作为标准。没有必需苛求绝对均匀。刚开启流化床时，气量给得小部分，随即逐步增加气量，达成相对均匀就可进行涂装操作了。流化床内粉末悬浮率最高可达30%～50%。

2.1.3 流化床关键设备
流化床是涂装操作关键设备。它关键由气室、微孔透气隔板和流化槽三部分组成。图12是较为常见流化床结构。其特点为：
（1）气室部分采取环形铜管出风，并在两块多孔均压板之间夹一层羊毛毡，使上升气流更均匀。
（2）流化槽槽壁含有1:10锥度，有利于粉末均匀流动。为了提升流化槽空间利用率，流化槽亦可做成矩形或椭园形。
（3）流化槽可用钢板、铝合金板、聚氯乙烯板或有机玻璃板等材料制作。
流化槽底部振动装置机构可使槽内粉末流化更均匀，并并降低粉尘飞扬，称为振动式流化床（图3所表示）。

微孔透气隔板是保障流化床达成均匀流化状态关键元件，微孔板有微孔陶瓷板、聚乙烯或聚四氟乙烯微孔板。采取环氧粉末和石英砂粘合制作微孔板机械性能优良。微孔板每平方米透气量通常为60～100m3/h左右，气孔尺寸在1.6～85μm范围内。

2.1.4 涂装工艺
工件采取流化床工艺涂装所取得涂膜厚度和以下部分原因相关：被涂工件材质、工件热容量、基材直径或厚度、工件加热温度、工件加热时间、浸粉时间和粉末涂料性能（见图4）。

流化床涂装工艺步骤以下：

（1）工件预热
工件预热温度通常比粉末涂料熔化温度高30～60℃。预热温度过高会造成粉末树脂裂解，涂膜产生气泡、焦化、过厚或流挂等现象；预热温度过低会造成涂膜流平不好、不平整，达不到涂膜厚度要求等弊病，热容量大工件预热温度要偏低部分，热容量小工件预热温度要偏高部分。
预热后工件在浸涂时和粉末之间发生热量传输。热量从工件传输给粉末，使粉末温度上升至熔融温度从而粘附在工件表面达成初步流平。该过程传输热量可用下式计算：
△H= mCp△T
式中：m——粘附于工件上粉末质量
Cp——粉末比热
△T——粉末和工件温差
（2）流化床浸涂
预热后工件快速浸入流化槽中，粉末熔融粘附于工件表面，工件沉醉于粉层中应保持运动状态，如转动或水平/垂直方向移动，这有利于工件均匀涂装。图5是高密度聚乙烯粉末涂料浸涂时间和涂膜厚度关系曲线。对于要求涂膜尤其厚工件而言，能够进行数次涂敷，数次涂敷既能确保工件达成所需厚度，又能避免涂层产生气泡，消除针孔等缺点。造成涂膜不均匀原因有：
— 粉末流化是因为向上气流造成。和液体有本质不一样，所以只要局部气流受阻，就会出现局部粉末流化状态不好，造成工件上部表面粉末堆积，下部表面涂膜却很薄或不连续，阻挡面积越大这种现象越严重，所以应尽可能使工件最小截面垂直浸入床内粉层。
— 工件下部总是先浸入粉层中而又是最终离开粉层，所以工件涂装后总存在着上下部位涂膜厚度差异。通常采取工件鄱转180℃涂装以消除涂层不均匀性。
— 粉末流化不均匀，使槽内各部位粉末密度不一样，也会造成涂膜不均匀。所以选择透气均匀微孔板和采取振动式流化床涂装是很关键。

图5 高密度聚乙烯积粉时间和涂层厚度关系
（3）加热固化（塑化）
加热固化工序对热固性粉末来讲使树脂取得充足交联聚合；对热塑性粉末而言则深入流平成膜。图15反应了固化时间对涂膜性能影响。

图6 固化时间对涂层性能影响
适适用于流化床涂敷粉末涂料粒径以100～200μm很好，该粒度范围粉末重量应占粉末总重量70%～80%。

2.1.5 应用实例
流化床浸涂钢丝生产工艺过程图7所表示。

图7 钢丝粉末流动浸塑示意图
（1）钢丝表面预处理
预处理包含酸洗、磷化和水洗等工序，磷化效果好坏对涂膜和钢丝之间附着力影响很大（见表10）。
表10 不一样表面状态对涂膜性能影响
钢丝表面状态
耐环境开裂应力/h
机械性能
粘结特征
耐冲压（一次，加重500kg）
耐滚压次数（Φ6.5，加重50kg）
粘结强度MPa
腐蚀扩展
mm
钝化处理
183
不裂
大于120
37.2
2.1
23
不裂
76
28
3.9
磷化处理
143
不裂
大于1000
33.3
2.3
1
不裂
49
26
4.2
镀锌
89
不裂
29
14.9
11.1
1
不裂
4
17.4
12.6
镀铜
43
不裂
16
8.2
9.3
4
不裂
2
6.2
7.5

表10试验条件为：
— 涂装用聚乙烯粉末涂料熔融指数为0.6g/10min。
— 耐环境应力开裂试验是将涂塑钢丝紧密缠绕10圈，芯径为钢丝直径8倍弹簧，将试样浸入纯海鸥洗涤剂中保温25℃，观弹簧圈上涂膜出现开裂起始时间。
— 耐冲击试验中冲头曲面半径为300mm。自由下落高度为100mm。
— 耐滚压试验速度为15～30mm/s，行和为600mm，一个往复计为一次。
— 涂膜粘结强度试验是将100mm涂塑钢丝一端留下长15m涂膜，其它涂膜剥去，并清除洁净，在拉力机上测定把留下涂膜拨出所需抽力，再除以涂膜和钢丝粘结面积。
— 涂膜腐蚀扩展试验是将涂塑钢丝试样中间部位切开10mm环形切口，并把涂膜清除洁净，然后弯成U形，将其投入1% Na2SO4溶液中，以试样为阴极，在试样和溶液间施加100V直流电压，并使经过试样电流恒定为10mA，在室温下试验100h，检验试样切口处涂膜和钢丝间腐蚀扩展最大距离。
从表10可见钢丝经磷化、钝化处理后涂塑，形成涂膜粘结力最好，镀锌钢丝涂膜粘结力次之、镀铜钢丝最差。
（2）钢丝预热
预先加热钢丝使其温度高于涂料熔点，并储存足够热量，以确保粉末涂料熔融粘附量，钢丝表面温度按下列经验公式计算：
To=mTk
式中：To—涂塑前钢丝进入流化床时表面温度；
Tk—粉末涂料熔融温度；
m—钢丝进入流化床前降温系数，m值取1.17～1.24。
预热炉气温由下式求得：
Tc=CTo
式中：Tc—钢丝预热炉气温；
To—涂塑前钢丝进入流化床时表面温度；
C—钢丝规格系数，通常取2.01～2.46。
(3) 钢丝浸塑
预热好钢丝进入流化床中，流化床内粉末流动状态应调整到最好状态并控制好钢丝线速度，钢丝沉醉于粉层中时间越长其涂膜越厚。涂膜厚度和钢丝温度和速度等原因关系可用下式计算：
(T1－T2)t
S=C’————
ε’M’
式中：S—钢丝表面涂膜厚度，mm；
C—钢丝规格及速度系数，取2.01～2.46；
T1—钢丝进入流化床温度，℃；
T2—钢丝从流化床出来温度，℃；
t—钢丝和流化床中粉末接触时间，min；
ε’—流化床中粉末流化状态，g/cm3
M’—流化床透气板透气率，m3/㎝2；
（4）固（塑）化
钢丝经流化床浸涂后涂膜尚不能完全熔融流平固化，还需进入烘道进行固（塑）化。塑化温度应低于粉末涂料分解点，温度过高会造成树脂裂解、发黄，过低则塑化流平不充足。不一样粉末涂料塑化温度不一样，常见热塑性粉末涂料塑化温度见表11。
表11 常见粉末涂料涂塑条件
涂料
预热温度（℃）
塑化温度（℃）
冷却条件
聚乙烯
270～290
220～300
风冷或水冷
聚氯乙烯
240～280
200～250
风冷或水冷
聚丙烯
260～370
200～310
风冷或水冷
聚酰胺（尼龙）
240～430
200～290
风冷或水冷
环氧树脂
180～230
150～220
风冷或水冷

2 粉末涂料涂装工艺技术
2.2 熔射法涂装
（1）工作原理
熔射喷涂法又称火焰喷涂法，关键是对金属表面实施金属粉末或热塑性粉末涂装。其工作原理是用压缩空气将粉末涂料从火焰喷嘴中心吹出，并高速经过喷嘴外围喷出火焰区域，使其成为熔融状态喷射粘附到工件表面。火焰喷枪是火焰喷涂施工关键装置。被涂物是需预热后喷涂还是直接喷涂，取决于所用粉末涂料品种和喷涂后涂膜能否藉助喷枪提供热能达成流平或交联固化。
火焰喷涂关键设备和喷枪结构见图8。粉末涂料从流化床粉末槽经过喷射器输送到乙炔或丙烷火焰喷枪，将粉末涂料熔融后喷涂至已经预热被涂物表面，经流平或交联固化成膜。被涂物预热通常是采取火焰喷枪或焊枪将其预热到粉末涂料熔融温度以上，这么能够预防粉末颗粒遇冷降低粘度造成流平和粘附性能下降。
（2）特点和应用
火焰喷涂法优点是：
— 涂装设备结构简单，价格低廉，能够在工作现场施工操作。
— 一次喷涂可得到较厚涂膜（达500µm以上）。
— 不需要烘炉所以适适用于大型工件涂装和维修。
— 能够在100%相对湿度和低温环境下施工。
火焰喷涂法缺点是涂膜厚度不易控制；施工中粉末飞扬严重，需在现场设置吸尘装置；喷涂工件过大和工件形状复杂时涂装较难质量控制。

火焰喷涂法用粉末涂料关键是热塑性粉末涂料。如乙烯-乙酸乙烯共聚物（EVA）、聚乙烯、聚酰胺（尼龙）等。热固性粉末涂料有快速固化环氧粉末涂料。火焰喷涂法常见于化工设备、化工池槽、机械另件修补等涂装，用作防腐涂层、耐磨涂层和通常装饰性涂层。也可用于对静电喷涂管道或流化床浸涂大工件时出现涂膜弊病进行现场修补；喷涂钢管接口；大型贮槽内壁涂装或户外耐久性结构物、桥梁等涂装和修补。

（3）应用实例
尼龙1010粉末涂膜不仅耐磨性、硬度、抗冲击性能很好，且含有良好隔热、隔音和绝缘等特征，所以在船舶工业中得到广泛应用（如手柄、垫块、罩壳、叶轮零部件等已采取尼龙1010粉末涂料火焰喷涂），同时也可对磨损零件进行喷涂修补，喷涂后零件进行车、铣、磨等机械加工就可取得合格产品。下面介绍船用零件采取尼龙粉末火焰喷涂施工工艺。
火焰喷涂采取关键设备有
— 喷砂机；
— 预热设备：电热鼓风烘箱；氧-乙炔火焰；
— 冷水槽：以工件能完全快速浸入槽内为宜；
— 气瓶：二氧化碳气瓶输出压力为0.05Mpa，用作输送粉末及冷却保护；氧气瓶输出压力0.2 Mpa；乙炔瓶输出压力0.05 Mpa。
— 火焰喷枪：枪头不积粉，出粉通畅，操作方便，粉末损失少；
— 供粉桶
— 加热器：二氧化碳从固态转化为气态需吸收大量热能，所以在二氧化碳出口处压力调整阀前需加装一个加热器。
— 辅助用具：半导体测温仪、钳子、点火枪、筛网、防护用具等。
火焰喷涂工艺关键包含以下过程：
— 粉末处理：尼龙粉末粒度在80目以上，使用前必需烘干，不然涂膜会出现气泡；为提升涂膜性能，可在粉末中加入多种改性剂。加入5%三硫化钼可提升涂膜耐磨性30%，加入多种颜料可增添涂膜美观度。
— 工件前处理：包含（1）除油：用氧-乙炔火焰局部灼烧除油，也可用清洗液除油。（2）表面处理：喷砂处理最为理想，可使工件表面粗糙，增大涂膜和工件间接触面积，提升涂膜附着力。（3）屏蔽：不需喷涂表面用石棉布遮盖。
— 工件预热：工件预热和尼龙粉末品种相关，使用尼龙1010粉末工件预热温度为270℃左右，保温时间视工件壁厚和数量来决定，每炉通常2～3h。
— 喷涂：先把各气瓶调整到所需压力范围，再检验粉末传输是否通畅，打开氧-乙炔气开关，调整火焰后即可喷涂，涂膜厚度不超出1mm，要求一次喷涂完成。
— 淬火：把喷涂好工件立即投入冷水槽（应在涂膜还未凝固前进行）。
改善新型火焰喷枪不停问世，正在逐步克服大型工件和形状复杂工件喷涂涂膜不均匀及粉尘飞扬等缺点，其应用领域也将逐步扩大。

（4）火焰喷涂技术进展
中国火焰喷涂设备和国外相比最大差距在于施工效率。中国设备通常施工速度为8～10㎡/h，而美国火焰喷塑设备施工速度可达成18～36㎡/h。
现在火焰喷塑设备操作大多是手工，所以涂膜均匀性关键取决于操作人员熟练程度，假如采取微机自动控制喷涂速度就能够取得愈加均匀涂膜。
一个新型无火焰塑料热喷枪已经问世，它以一般燃气为热源，利用燃气产生热气流经过对流换热方法直接对塑料粉末进行加热，而喷枪外部无明火，塑料粉末不和火焰接触。该工艺最大特点是温度可调，能使塑料粉末均匀熔化，避免了过热或温度不足，所以现场施工可取得均匀涂膜。
国外应用EVA特殊塑料粉末实施工件不预热直接火焰喷涂，使喷涂大型钢结构工艺大为简化，但因粉末价格昂贵使应用受到限制。中国研究方向是先在基材表面喷涂一层DQ-10氨基树脂底漆，底漆干燥后在其上进行火焰喷涂。

2.3 静电喷涂涂装
1962年法国Sames企业研究成功粉末静电喷涂装置，它为粉末涂装技术快速发展奠定了基础。粉末静电喷涂法是静电涂装施工中应有得最为广泛工艺。静电喷枪藉助静电库仑力将粉末吸附于被涂物表面。粉末静电喷涂技术最大特点是实现工件在室温下涂覆。涂料利用率可达95%以上，涂膜较薄（50～100µm）且均匀，无流挂现象，在工件尖锐边缘和粗糙表面上均能形成连续平滑涂膜，便于实现工业化生产流水线。

2.3.1 静电喷涂工作原理
高压静电喷涂中高压静电由高压静电发生器提供。喷枪工作原理以电晕放电理论为主。图9所表示静电喷枪口高压放电针和高压发生器输出负高压相连接，空气雾化粉末涂料从枪口喷出。因为放电针端部产生电晕放电使其周围空间存在大量自由电子。当粉末经过该区域时吸收电子而成为带负电荷粉末颗粒，它在空气推力和电场力作用下奔向带正电接地工件并吸附其表面。这种粉末能持久吸附于工件表面而不掉落下来。但用毛刷或压缩空气可将粉末清除。本节以电晕充电理论为关键进行讨论。

图9 粉末静电喷涂示意图
（1）电晕
静电学理论告诉我们，带电孤立导体表面电荷分布是和表面曲率半经相关，曲率最大地方（即最尖锐地方）电荷密度最大（图10所表示），其周围空间电场强度也最大。当电场强度达成足以使周围气体产生电离时，导体尖端产生放电，假如是负高压放电，那么离开导体电子将被强电场加速，它和空气分子碰撞，使空气分子电离而产生正离子和电子，新生电子又被加速碰撞空气分子，从而形成电子雪崩过程。正离子奔向负极性放电针，接收电子还原成中性分子。这种电离现象仅发生在电极针周围。电子质量很轻，当它冲击电离区域后，很快就被比它重得多气体分子吸收，气体分子变成了游离状态负离子，这种负离子在电场力作用下奔向正极，在电离层处产生一层晕光，这就是所谓电晕放电。当粉末经过电晕外围区域时，会和奔向正极负离子发生碰撞而充电。
理论上讲，正负电晕全部可用于粉末充电。但实践中静电喷涂大多采取负电晕，因为正电晕产生偶发怒花击穿电压比负电晕电压偏低，它所能得到电晕电流也相对小部分，所以充电效率要低部分。

（2）粉末充电
大多数工业用粉末涂料全部是结构复杂高分子绝缘材料。只有当粉粒表面存在能接收电荷位置时，负离子才能吸附到粉粒表面。对负离子来说，粉末表面接收点能够是粉末组成中正电性杂质或位能坑。离子吸收也能够是纯机械性。但不管是哪种机理造成吸附，对离子来说在每个粉粒上有效沉积并不是轻易，粉粒高电阻率本身对有效充电就是一个限制。
分析图11所表示粉粒充电过程。假定发生碰撞每个离子全部被严格地“锁定”在粉粒表面碰撞点上，因为粉粒表面电阻很高，电荷不会像在导电微粒表面那样因导电而重新分布，使表面各处电荷密度相同。所以图11绝缘粉粒充电模式是有代表性。也就是说，吸附到工件上带电粉粒表面含有电荷岛状态，表面电荷分布是不均匀。

图11 电绝缘粉粒离子充电 图12 绝缘粉粒最大表面电荷
上面设想绝缘粉粒离子充电模式，再加上3个限定条件，就可进行粉粒充电量计算。（1）在离子云中一个绝缘粉粒，当其电势和周围环境电势不相等时它会吸附离子，直至两种电势完全相等。（2）粉粒是球形，离子在全部方向上碰撞粉粒几率是均等，所以粉粒表面电荷分布将是均匀（这种假定只有当粉粒完全不动情况下才可能存在。实际喷涂中是不可能发生）。（3）对绝缘粉末而言，存在一个最大充电表面电荷值。
图12所表示，假定粉粒表面全部区域全部充电。那么离子碰撞粉粒表面运动在粉粒电势等于周围环境电势时将立即终止。这是因为图中电场E是由粉粒表面电荷产生，它是粉粒和周围环境之间界面电场。伴随累积电荷增加，E值也将同时增加。当E达成某个值时，离子不能再附着于粉粒表面，这时粉粒积累表面电荷即为最大表面电荷量，表面电荷极限值可由Pauthenier公式计算得到：
ε
q＝12πε0————Ea2
ε＋2
式中：ε0——自由空间介电系数
ε——粉末相对介电系数
E——电场强度
α——球形粉粒半径
上面分析是粉末粒子在负电晕下充电，假如是正电晕充电，其带电特征和由Pauthenier公式求得最大表面电荷仍然是有效。只是粉末粒子在电离区域内电晕充电方法和负电晕充电有所不一样。因为电极上施加了正高压，电子将从中性空气分子被剥离而产生正离子，同时电子很快被电极搜集。正离子向接地工件移动，和粉末微粒碰撞充电，使粉末成为带正电微粒。中国外学者对上述粉末粒子两种电晕充电机理作了不少研究。不过对于每一个粉粒表面吸收机理和离子附着机理（电吸附、机械附着或二者结合）还还未十分清楚。

（3）粉末吸附
粉末静电吸附大致上可分为三个阶段，图13所表示。

图13 粉末带电粒子吸附情况
图13A为第一阶段，带负电荷粉末在静电场中沿着电力线飞向工件，粉末均匀地吸附于正极工件表面；B为第二阶段，工件对粉末吸引力大于工件表面积累粉末对随即沉积粉末排斥力，工件表面继续积累粉末；C为第三阶段，伴随粉末沉积层不停加厚，粉层对飞来粉粒排斥力增大，当工件对粉末吸引力和粉层对粉末排斥力相等时，工件将不再吸附飞来带电粉末。
吸附在工件表面粉末经加热后，就使原来“松散”堆积在表面固体颗粒熔融流平固化（塑化）成均匀、连续、平整、光滑涂膜。

2.3.2 静电喷涂施工工艺
施工工艺对粉末成膜影响至关关键。不一样工件应选择不一样工艺参数才能取得理想涂膜。粉末静电喷涂时，粉末粒子除受静电引力外，还受空气流和重力等作用。它们对于喷涂工件凹坑、死角等受静电场屏蔽部位有一定帮助。施工时应注意利用和掌握好这些原因。
粉末静电涂装施工中影响涂膜质量原因很多。除喷涂工艺参数外，还和粉末涂料特征相关。

（1）静电喷涂工艺参数
喷涂电压
在一定范围内，喷涂电压增大，粉末附着量增加，但当电压超出90kV时，粉末附着量反而随电压增加而降低；电压较大时，粉层初始增加率较高，但伴随喷涂时间增加，电压对粉层厚度增加率影响变小；当喷涂距离（喷枪头至工件表面距离）增大时，电压对粉层厚度影响变小。通常喷涂距离保持在150～300mm。喷涂电压过高，会产生反离子流造成涂层击穿，影响涂膜质量。喷涂电压以控制在60～80kV为宜。表12列出多种粉末涂料喷涂时选择电压电流参数。
表12 不一样粉末涂料静电喷涂时电压电流参数
粉末品种
输出电压/kV
输出电流/μA
备注
环氧粉末
60～80
50～70

低压聚乙烯
50～70
20～40
二次喷涂
环氧聚酯粉末
60～80
50～70

聚酯粉末
60～80
50～70

尼龙1010
60～80
50～70
预热
氯化聚醚
80～100
60～100
预热
聚四氟乙烯
80～100
60～100

聚三氟氯乙烯
80～100
60～100

聚丙烯
80～100
60～100

供粉气压
在喷粉量不变，其它喷涂条件相同情况下，供粉器供粉气压增大，沉积效率反而下降（见表13）。
表13 供粉气压和沉积效率关系
供粉气压/MPa
沉积效率/%
喷涂条件
0.05
100﹡
喷涂距离250m
喷粉量60g/min
喷涂时间20 s
喷涂电压90kV
环氧粉末涂料
0.07
97
0.1
94
0.15
88
0.2
84
﹡以0.05Mpa沉积效率为100%计算。

喷粉量
粉层厚度初始增加率和喷粉量成正比，但伴随喷涂时间增加，喷粉量对粉层厚度增加率影响变小，并使沉积效率