粉末涂料的涂装工艺.doc

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第二讲 粉末涂料的涂装工艺
1 概述
1.1 粉末涂料涂装发展史
粉末涂料是一种固体份100%的、 以粉末涂料形态进行涂装形成涂膜的涂料。它与一般溶剂型涂料和水性涂料不同, 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年代随着石化工业行业的迅速发展, 聚乙烯、 聚氯乙烯、 聚酰胺等热塑性树脂产量快速增长, 人们开始研究将树脂熔融涂敷于金属表面, 因此相继出现了辊涂、 散布和火焰喷涂等工艺方法。1952年联邦德国的Gemmer创造了流化床涂敷法, 粉末借助空气动力在专门的容器内流动游浮, 具备了液体特性, 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的涂层。当时应用的树脂主要是热塑性树脂。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获得了工业化应用。
1964年shell公司开创了现今粉末涂料行业广泛使用的熔融挤压法粉末涂料生产技术。使粉末涂料的生产实现连续化, 走上了工业化生产道路。1962年法国Sames公司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的静电涂装, 它为粉末涂装技术的快速推广应用奠定了基础。表1反映了世界粉末涂料应用增长的状况。其增长率约为整个涂料行业增长率的2倍。
表1 世界热固性粉末涂料增长状况
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
年增长率/%
/
/
/
/
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

年增长率/%
11
11
11
12
7
5
13
/
/

中国最早研究粉末涂装技术的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的高峰期。各部委所属企事业单位都取得了丰硕科技成果, 为迎接中国第一次粉末涂装技术应用的高潮作好了准备。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厂在国内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的壳体实施粉末静电涂装的规模生产。航空工业部贵阳电机厂与国际同步研制成功静电流化床用于电机铁芯的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的发展, 粉末涂料产量直线上升, 迅速占领了洗衣机、 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的估计值。
表2 中国历年来热固性粉末涂料产量估计值
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
增长率/%
/
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
增长率/%
33
30
27
21
50
58
24
27
80

90年代国内已经形成以下品种的粉末涂料: 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、 其它功能性粉末涂料( 包括阻燃型、 导电型、 耐热型等) 。
国内粉末涂料的市场开发, 最初以家用电器产品为主要对象, 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、 金属家具、 办公用品、 道路建设等各个领域。当前粉末涂料在石油、 天燃气及船舶管道内外壁的涂装也取得了广泛应用, 金属制品的涂装技术已趋于成熟, 而且制定了相应的涂装标准。上水管道采用无毒粉末涂料也正在开发应用。木材和塑料制品采用低温固化粉末涂料和UV光固化粉末涂料涂装的技术开发取得了长足进展。钢筋钢材的粉末涂装也提到了日程上。随着应用领域的开拓, 需要开发的粉末涂料品种有: 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 粉末涂装工艺的分类
为了使读者对当前已有的一些粉末涂装工艺方法有一个较为系统的了解, 按照它们的涂装原理和工艺特点进行如下排列归类:

上面列出的是粉末涂装工艺发展过程中曾经研究过的一些工艺方法。原则上能够划分成热熔涂装工艺和冷涂装工艺两大类。每一类工艺的涂装原理都是相同的。冷涂装工艺中的喷胶冷涂法例外, 它是对被涂工件需要涂装粉末的部位喷( 刷) 胶液, 然后喷粉进行热熔流平成膜的。总之不论用什么方法, 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。如果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的工艺属于冷涂装工艺范围, 当前应用最为广泛的冷涂装工艺主要是粉末静电喷涂工艺。经过上面的介绍, 如果遇到新出现的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 涂装前的表面处理
粉末涂装对被涂工件的表面预处理要求与工件涂装液体涂料相同, 即赋予涂层三方面的作用。
( 1) 提高涂层对底材表面的附着力。底材表面有油脂、 污垢、 锈蚀产物、 氧化皮及旧涂膜, 如果直接涂装粉末涂料会造成涂层对基材的附着力很弱, 涂膜容易整块剥落或产生各种外观缺陷。有时将各类污垢和锈蚀物清理干净以后涂层附着力仍不理想, 要想进一步提高涂膜附着力, 一般可采取打磨粗化、 化学覆膜( 磷化、 氧化) 等方法处理。
( 2) 提高涂膜对金属基体的防腐保护能力, 钢铁生锈以后, 锈蚀产物中含有很不稳定的铁酸( α-FeOOH) , 它在涂膜下部仍会促使锈蚀扩展和蔓延, 使涂膜迅速破坏而丧失保护功能。因此在施工涂膜前彻底除锈可大大提高涂膜的防护性。表3以油漆涂膜为例可看到各种除锈方法对涂膜防护性的影响。
表3 各种除锈方法对涂膜防护性能的影响
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
个别锈点
注: 样板涂两道底漆, 两道面漆, 经2年天然曝晒试验得到的结果。
如果在洁净的钢铁表面进行磷化处理, 形成磷酸锌盐化学转化膜, 则涂膜的防护性能会大幅度提高。
( 3) 提高底材表面平整度。这是对于铸件表面来讲很重要, 必须彻底清除型砂、 焊渣及锈蚀物, 否则将影响涂膜外观。
粉末涂料涂装中金属工件的表预面处理方法包括除油、 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与磷化有关。对于塑料、 木材类非金属材质则有特殊的表面预处理方法。
表面预处理的质量等级应与涂膜品质相一致, 表面预处理质量太低, 涂膜品质将达不到预期要求。如果定得太高就会影响到表面预处理的技术经济性。底材材质与各处理剂和处理方法的配套选择参见表4。
表4 底材材质、 预处理剂和处理方法的配套性
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
封闭与氧化
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的磷化剂浸
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 粉末涂料涂装的特点
粉末涂料涂装技术作为省资源、 节能、 低公害和高生产效率的新型涂料而获得各国高度重视, 但它毕竟才发展了数十年, 存在不足之处是难免的。随着科技的发展, 这项新技术必将更趋完美。下面将其与溶剂型涂料作优缺点对比( 见表5) 。
表5 粉末涂料与溶剂型涂料的涂装特点比较
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
过喷涂料的回收利用
能够
不能够
涂膜性能
好
一般
溶剂带来的大气污染
没有
有
溶剂带来的火灾危险
没有
有
溶剂带来的毒性
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
一般
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
涂料的贮存
比较方便
不方便

表6 中国各种粉末涂料的比例
品种
所占比例/%
品种
所占比例/%
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
主要工序
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
无变化
锈蚀落点
严重锈蚀

25%NaOH
无变化
布满锈点
起泡起皱

中国各种粉末涂料所占比例见表6。表7和表8列出了钢门采用不同工艺涂装的技术经济性比较和涂膜质量对比。

2 粉末涂料的涂装工艺技术
2.1 流化床涂装
在粉末涂装中流化床涂装工艺的工业化生产较早。表9为流化床涂装工艺的应用领域。
表9 流化床涂装产品的应用范围
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、 洗衣机的部件、 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
各种涂料
美观、 手感好 卫生、 耐用
其它
灯具、 挂面杆架、 钩鱼杆、 暧所护网
各种涂料
美观、 耐用

2.1.1 涂装原理
流化床的工作原理是将让均匀分布的空气流经过粉末层, 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的界面高度。将需涂敷的工件预热后放入粉末流化床中浸涂, 得到均匀的涂层, 最后加热固化( 流平) 成膜。
流化床是固体流态学的第二阶段, 也是比较复杂和难以控制的阶段, 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的特点和相互关系, 对于掌握流化床涂装技术是很重要的。
( 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, 当流体速度逐渐增大时, 固体颗粒位置略有调整, 即颗粒间排列方式发生变化, 趋向松动的倾向, 此时固体颗粒仍保持相互接触, 床内粉层高度H与粉末层体积没有变化, 这个阶段用图10中的ab段表示。此阶段床内粉层高度并不随流体速度的增大而增加。可是△P却随流体速度的增大而增加, 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
在固定床的基础上, 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, 离开原来的位置作一定程度的位移, 即进入流化床阶段。随着流体速度的继续增大, 粉末运动加剧且做上下翻滚, 如同液体加热达到沸点时的沸腾状态。这个阶段用图10中的bc段表示。此时床内粉层膨胀, 高度随流体速度的增大而增加, 但床内压强并不增大。因此在一个较大范围内变动流速而不影响流体所需的单位功率。这是流化床的特征之一。图1的b点就是固定床与流化床的分界点, 称为”临界点”, 此时的速度称为”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点处的速度称为流化床的极限速度。因此在掌握流化床涂装技术时, 应当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与W的关系曲线

2.1.2 流化床的均匀性
流化床内粉末流化状态的均匀性是保证涂膜均匀性的关键因素, 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, 气泡随着流化数W的增加由小变大。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, 如图2a所示。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。气截现象将引起压强的剧烈波动, 并恶化气流与固体粉粒的接触, 使压强比正常情况要大。

引起流化床床层不均匀的另一原因是沟流现象( 见图2b) 。粉末粒度不均匀, 细小颗粒容易产生内聚而形成孔渠。气流从孔渠中流过的现象称为”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。首先是由孔渠中的小颗粒转入流化, 继而两旁粉粒开始运动, 远离孔渠的粉粒则可能仍维持在固定床状态。截面较大的流化床中粉末流态化不均匀主要是由”大气泡”和”沟流”现象引起的。
要均匀控制流化床是比较困难的, 流化数必须经过大量试验才能找出最佳值。流化数的确定以能够进行流化床涂敷操作为标准。没有必要苛求绝对均匀。刚开启流化床时, 气量给得小一些, 随后逐渐增加气量, 达到相对均匀就可进行涂装操作了。流化床内粉末的悬浮率最高可达30%～50%。

2.1.3 流化床主要设备
流化床是涂装操作的关键设备。它主要由气室、 微孔透气隔板和流化槽三部分组成。图12是较为常见的流化床结构。其特点为:
( 1) 气室部分采用环形的铜管出风, 并在两块多孔的均压板之间夹一层羊毛毡, 使上升气流更均匀。
( 2) 流化槽的槽壁具有1:10的锥度, 有利于粉末的均匀流动。为了提高流化槽的空间利用率, 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, 并并减少粉尘飞扬, 称为振动式流化床( 如图3所示) 。

微孔透气隔板是保障流化床达到均匀流化状态的主要元件, 微孔板有微孔陶瓷板、 聚乙烯或聚四氟乙烯微孔板。采用环氧粉末和石英砂粘合制作的微孔板机械性能优良。微孔板每平方米的透气量一般为60～100m3/h左右, 气孔尺寸在1.6～85μm范围内。

2.1.4 涂装工艺
工件采用流化床工艺涂装所获得的涂膜厚度与以下一些因素有关: 被涂工件的材质、 工件的热容量、 基材的直径或厚度、 工件加热温度、 工件加热时间、 浸粉时间以及粉末涂料的性能( 见图4) 。

流化床涂装的工艺流程如下:

( 1) 工件预热
工件预热温度一般比粉末涂料熔化温度高30～60℃。预热温度过高会导致粉末树脂裂解, 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, 热容量大的工件预热温度要偏低一些, 热容量小的工件预热温度要偏高一些。
预热后的工件在浸涂时与粉末之间发生热量传递。热量从工件传递给粉末, 使粉末温度上升至熔融温度从而粘附在工件表面达到初步流平。该过程传递的热量可用下式计算:
△H= mCp△T
式中: m——粘附于工件上的粉末质量
Cp——粉末的比热
△T——粉末与工件的温差
( 2) 流化床浸涂
预热后的工件迅速浸入流化槽中, 粉末熔融粘附于工件表面, 工件沉浸于粉层中应保持运动状态, 如转动或水平/垂直方向的移动, 这有利于工件的均匀涂装。图5是高密度聚乙烯粉末涂料浸涂时间与涂膜厚度的关系曲线。对于要求涂膜特别厚的工件而言, 能够进行多次涂敷, 多次涂敷既能保证工件达到所需厚度, 又能避免涂层产生气泡, 消除针孔等缺陷。造成涂膜不均匀的因素有:
— 粉末流化是由于向上的气流造成的。与液体有本质的不同, 因此只要局部气流受阻, 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, 因此应尽量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后离开粉层, 因此工件涂装后总存在着上下部位涂膜厚度的差异。一般采取工件鄱转180℃涂装以消除涂层的不均匀性。
— 粉末流化不均匀, 使槽内各部位的粉末密度不同, 也会造成涂膜的不均匀。因而选择透气均匀的微孔板和采用振动式流化床涂装是非常重要的。

图5 高密度聚乙烯的积粉时间与涂层厚度的关系
( 3) 加热固化( 塑化)
加热固化工序对热固性粉末来讲使树脂获得充分交联聚合; 对热塑性粉末而言则进一步流平成膜。图15反映了固化时间对涂膜性能的影响。

图6 固化时间对涂层性能的影响
适用于流化床涂敷的粉末涂料粒径以100～200μm较好, 该粒度范围的粉末重量应占粉末总重量的70%～80%。

2.1.5 应用实例
流化床浸涂钢丝的生产工艺过程如图7所示。

图7 钢丝粉末流动浸塑示意图
( 1) 钢丝表面预处理
预处理包括酸洗、 磷化和水洗等工序, 磷化效果的好坏对涂膜与钢丝之间的附着力影响很大( 见表10) 。
表10 不同表面状态对涂膜性能的影响
钢丝表面状态
耐环境开裂应力/h
机械性能
粘结特性
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的试验条件为:
— 涂装用聚乙烯粉末涂料的熔融指数为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倍的弹簧, 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的起始时间。
— 耐冲击试验中的冲头曲面半径为300mm。自由下落的高度为100mm。
— 耐滚压试验的速度为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的涂塑钢丝一端留下长15m的涂膜, 其余涂膜剥去, 并清除干净, 在拉力机上测定把留下的涂膜拨出所需的抽力, 再除以涂膜与钢丝的粘结面积。
— 涂膜腐蚀扩展试验是将涂塑钢丝试样的中间部位切开10mm的环形切口, 并把涂膜清除干净, 然后弯成U形, 将其投入1%的 Na2SO4溶液中, 以试样为阴极, 在试样和溶液间施加100V的直流电压, 并使经过试样的电流恒定为10mA, 在室温下试验100h, 检查试样切口处涂膜与钢丝间腐蚀扩展的最大距离。
从表10可见钢丝经磷化、 钝化处理后涂塑, 形成的涂膜粘结力最好, 镀锌钢丝的涂膜粘结力次之、 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, 以保证粉末涂料的熔融粘附量, 钢丝的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的表面温度;
Tk—粉末涂料的熔融温度;
m—钢丝进入流化床前的降温系数, 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的表面温度;
C—钢丝规格系数, 一般取2.01～2.46。
(3) 钢丝浸塑
预热好的钢丝进入流化床中, 流化床内粉末的流动状态应调整到最佳状态并控制好钢丝的线速度, 钢丝沉浸于粉层中的时间越长其涂膜越厚。涂膜厚度与钢丝温度和速度等因素的关系可用下式计算:
(T1－T2)t
S=C’————
ε’M’
式中: S—钢丝表面的涂膜厚度, mm;
C—钢丝规格及速度系数, 取2.01～2.46;
T1—钢丝进入流化床的温度, ℃;
T2—钢丝从流化床出来的温度, ℃;
t—钢丝与流化床中粉末接触的时间, min;
ε’—流化床中粉末的流化状态, g/cm3
M’—流化床透气板的透气率, 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的分解点, 温度过高会造成树脂裂解、 发黄, 过低则塑化流平不充分。不同粉末涂料的塑化温度不同, 常见热塑性粉末涂料的塑化温度见表11。
表11 常见粉末涂料的涂塑条件
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 粉末涂料的涂装工艺技术
2.2 熔射法涂装
( 1) 工作原理
熔射喷涂法又称火焰喷涂法, 主要是对金属表面实施金属粉末或热塑性粉末的涂装。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的火焰区域, 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的主要装置。被涂物是需预热后喷涂还是直接喷涂, 取决于所用的粉末涂料品种以及喷涂后涂膜能否藉助喷枪提供的热能达到流平或交联固化。
火焰喷涂的主要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的被涂物表面, 经流平或交联固化成膜。被涂物的预热一般是采用火焰喷枪或焊枪将其预热到粉末涂料熔融温度以上, 这样能够防止粉末颗粒遇冷降低粘度造成流平和粘附性能的下降。
( 2) 特点和应用
火焰喷涂法的优点是:
— 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的涂膜( 达500µm以上) 。
— 不需要烘炉因而适用于大型工件的涂装和维修。
— 能够在100%相对湿度和低温环境下施工。
火焰喷涂法的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。

火焰喷涂法用的粉末涂料主要是热塑性粉末涂料。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的环氧粉末涂料。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、 耐磨涂层和一般装饰性涂层。也可用于对静电喷涂管道或流化床浸涂大工件时出现的涂膜弊病进行现场修补; 喷涂钢管的接口; 大型贮槽的内壁涂装或户外耐久性构造物、 桥梁等的涂装和修补。

( 3) 应用实例
尼龙1010粉末涂膜不但耐磨性、 硬度、 抗冲击性能较好, 且具有良好的隔热、 隔音和绝缘等特性, 因此在船舶工业中得到广泛应用( 如手柄、 垫块、 罩壳、 叶轮零部件等已采用尼龙1010粉末涂料火焰喷涂) , 同时也可对磨损零件进行喷涂修补, 喷涂后的零件进行车、 铣、 磨等机械加工就可获得合格产品。下面介绍船用零件采用尼龙粉末火焰喷涂的施工工艺。
火焰喷涂采用的主要设备有
— 喷砂机;
— 预热设备: 电热鼓风烘箱; 氧-乙炔火焰;
— 冷水槽: 以工件能完全迅速浸入槽内为宜;
— 气瓶: 二氧化碳气瓶的输出压力为0.05Mpa, 用作输送粉末及冷却保护; 氧气瓶的输出压力0.2 Mpa; 乙炔瓶的输出压力0.05 Mpa。
— 火焰喷枪: 枪头不积粉, 出粉畅通, 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, 因此在二氧化碳出口处的压力调节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、 防护用品等。
火焰喷涂工艺主要包括以下过程:
— 粉末处理: 尼龙粉末粒度在80目以上, 使用前必须烘干, 否则涂膜会出现气泡; 为提高涂膜性能, 可在粉末中加入各种改性剂。加入5%三硫化钼可提高涂膜耐磨性30%, 加入各种颜料可增添涂膜的美观度。
— 工件前处理: 包括( 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, 增大涂膜与工件间的接触面积, 提高涂膜的附着力。( 3) 屏蔽: 不需喷涂的表面用石棉布遮盖。
— 工件预热: 工件预热与尼龙粉末品种有关, 使用尼龙1010粉末的工件预热温度为270℃左右, 保温时间视工件壁厚和数量来决定, 每炉一般2～3h。
— 喷涂: 先把各气瓶调节到所需压力范围, 再检查粉末传输是否畅通, 打开氧-乙炔气开关, 调整火焰后即可喷涂, 涂膜厚度不超过1mm, 要求一次喷涂完成。
— 淬火: 把喷涂好的工件立即投入冷水槽( 应在涂膜尚未凝固前进行) 。
改进的新型火焰喷枪不断问世, 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) 火焰喷涂技术的进展
国内火焰喷涂设备与国外相比最大的差距在于施工效率。国内设备一般施工速度为8～10㎡/h, 而美国的火焰喷塑设备施工速度可达到18～36㎡/h。
当前火焰喷塑设备的操作大多是手工的, 因此涂膜的均匀性主要取决于操作人员的熟练程度, 如果采用微机自动控制喷涂速度就能够获得更加均匀的涂膜。
一种新型无火焰的塑料热喷枪已经问世, 它以普通燃气为热源, 利用燃气产生的热气流经过对流换热方式直接对塑料粉末进行加热, 而喷枪外部无明火, 塑料粉末不与火焰接触。该工艺的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, 因此现场施工可获得均匀的涂膜。
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。国内的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公司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的工艺。静电喷枪藉助静电库仑力将粉末吸附于被涂物表面。粉末静电喷涂技术的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, 在工件尖锐的边缘和粗糙的表面上均能形成连续平滑的涂膜, 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。如图9所示静电喷枪口的高压放电针与高压发生器输出的负高压相连接, 空气雾化的粉末涂料从枪口喷出。由于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的粉末颗粒, 它在空气推力和电场力作用下奔向带正电的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重点进行讨论。

图9 粉末静电喷涂示意图
( 1) 电晕
静电学理论告诉我们, 带电的孤立导体表面电荷的分布是和表面曲率半经有关的, 曲率最大的地方( 即最尖锐的地方) 电荷密度最大( 如图10所示) , 其附近空间的电场强度也最大。当电场强度达到足以使周围气体产生电离时, 导体的尖端产生放电, 如果是负高压放电, 那么离开导体的电子将被强电场加速, 它与空气分子碰撞, 使空气分子电离而产生正离子和电子, 新生的电子又被加速碰撞空气分子, 从而形成电子雪崩过程。正离子奔向负极性的放电针, 接受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的气体分子吸收, 气体分子变成了游离状态的负离子, 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, 这就是所谓的电晕放电。当粉末经过电晕外围区域时, 会与奔向正极的负离子发生碰撞而充电。
理论上讲, 正负电晕都可用于粉末充电。但实践中静电喷涂大多采用负电晕, 因为正电晕产生偶发火花击穿的电压比负电晕的电压偏低, 它所能得到的电晕电流也相对小一些, 因而充电效率要低一些。

( 2) 粉末的充电
大多数工业用粉末涂料都是结构复杂的高分子绝缘材料。只有当粉粒表面存在能接受电荷的位置时, 负离子才能吸附到粉粒表面。对负离子来说, 粉末表面的接受点能够是粉末组成中的正电性杂质或位能坑。离子的吸收也能够是纯机械性的。但不论是哪种机理造成的吸附, 对离子来说在每个粉粒上的有效沉积并不是容易的, 粉粒的高电阻率本身对有效充电就是一种限制。
分析图11所示的粉粒充电过程。假定发生碰撞的每个离子都被严格地”锁定”在粉粒表面的碰撞点上, 由于粉粒的表面电阻很高, 电荷不会像在导电微粒表面那样因导电而重新分布, 使表面各处的电荷密度相同。因此图11的绝缘粉粒充电的模式是有代表性的。也就是说, 吸附到工件上的带电粉粒表面具有电荷岛状态, 表面电荷的分布是不均匀的。

图11 电绝缘粉粒的离子充电 图12 绝缘粉粒的最大表面电荷
上面设想的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的计算。( 1) 在离子云中的一个绝缘粉粒, 当其电势与周围环境的电势不相等时它会吸附离子, 直至两种电势完全相等。( 2) 粉粒是球形的, 离子在所有方向上碰撞粉粒的几率是均等的, 因此粉粒表面的电荷分布将是均匀的( 这种假定只有当粉粒完全不动的情况下才可能存在。实际喷涂中是不可能发生的) 。( 3) 对绝缘粉末而言, 存在一个最大的充电表面电荷值。
如图12所示, 假定粉粒表面的所有区域都充电。那么离子碰撞粉粒表面的运动在粉粒的电势等于周围环境电势时将立即终止。这是因为图中的电场E是由粉粒表面电荷产生的, 它是粉粒和周围环境之间的界面电场。随着累积电荷的增加, E值也将同步增加。当E达到某个值时, 离子不能再附着于粉粒表面, 这时粉粒积累的表面电荷即为最大表面电荷量, 表面电荷的极限值可由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
上面分析的是粉末粒子在负电晕下的充电, 如果是正电晕充电, 其带电特性和由Pauthenier公式求得的最大表面电荷依然是有效的。只是粉末粒子在电离区域内的电晕充电方式与负电晕充电有所不同。由于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收集。正离子向接地工件移动, 与粉末微粒碰撞充电, 使粉末成为带正电的微粒。国内外学者对上述粉末粒子的两种电晕充电机理作了不少研究。可是对于每一个粉粒表面的吸收机理和离子附着机理( 电吸附、 机械附着或两者的结合) 还尚未十分清楚。

( 3) 粉末的吸附
粉末静电吸附大致上可分为三个阶段, 如图13所示。

图13 粉末带电粒子的吸附情况
图13A为第一阶段, 带负电荷的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的工件表面; B为第二阶段, 工件对粉末的吸引力大于工件表面积累的粉末对随后沉积粉末的排斥力, 工件表面继续积累粉末; C为第三阶段, 随着粉末沉积层的不断加厚, 粉层对飞来的粉粒排斥力增大, 当工件对粉末的吸引