静电喷涂涂装 静电喷涂涂装原理

今天小编为大家分享的是关于熔射法涂装 火焰喷涂技术原理的文章，有关注的朋友一起来看看吧。

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。当粉末通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。当粉末通过电晕外围区域时，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，粉末表面的接受点可以是粉末组成中的正电性杂质或位能坑。离子的吸收也可以是纯机械性的。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，所以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仍然是有效的。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。但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

粉末静电吸附大体上可分为三个阶段，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力与粉层对粉末的排斥力相等时，工件将不再吸附飞来的带电粉末。

吸附在工件表面的粉末经加热后，就使原来“松散”堆积在表面的固体颗粒熔融流平固化（塑化）成均匀、连续、平整、光滑的涂膜。

2.3.2静电喷涂施工工艺；施工工艺对粉末成膜的影响至关重要；粉末静电涂装施工中影响涂膜质量的因素很多；（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；表12不同粉末涂料静电喷涂时的电压电流参数；供粉气压；在喷粉量不变，其它喷涂条件相同的情况下，供粉器的；﹡以0.05Mpa的沉积效率为100%计算；喷粉量；粉层厚度的初始增长

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2.3.2 静电喷涂施工工艺

施工工艺对粉末成膜的影响至关重要。不同工件应选择不同的工艺参数才能获得理想的涂膜。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。它们对于喷涂工件的凹坑、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因素。

粉末静电涂装施工中影响涂膜质量的因素很多。除喷涂工艺参数外，还与粉末涂料的特性有关。

（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，但当电压超过90kV时，粉末附着量反而随电压的增加而减少；电压较大时，粉层的初始增长率较高，但随着喷涂时间的增长，电压对粉层厚度增长率的影响变小；当喷涂距离（喷枪头至工件表面距离）增大时，电压对粉层厚度的影响变小。一般喷涂距离保持在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列出各种粉末涂料喷涂时选用的电压电流参数。

表12 不同粉末涂料静电喷涂时的电压电流参数

供粉气压

在喷粉量不变，其它喷涂条件相同的情况下，供粉器的供粉气压增大，沉积效率反而下降（见表13）。

﹡以0.05Mpa的沉积效率为100%计算。

喷粉量

粉层厚度的初始增长率与喷粉量成正比，但随着喷涂时间的增加，喷粉量对粉层厚度增长率的影响变小，并使沉积效率下降。喷粉量是指单位时间内喷枪口的出粉量。一般喷涂施工中喷粉量控制在100～200g/min较为合适，喷粉量可用下列公式计算：

Q1—Q2 q＝———— t

式中： q——喷粉量，g/min

Q1——供粉器中加入的粉末重量，g Q2——供粉器中余下的粉末重量，g t——喷涂时间，min

喷涂距离

当喷涂电压不变时，随着喷涂距离增大电场强度E将等比例地变小，E值的变化对涂膜厚度的影响非常敏感。它是控制最大膜厚的一个重要参数。因而喷涂距离增大时粉末的沉积效率将降低（见表14）。

﹡以250mm为100%计算。

（2）粉末特性的影响 粉末粒度

粉末粒度对涂覆工艺性能的影响见表15。

粉末体积电阻

粉末涂料的体积电阻率对静电涂装工艺的影响见表16。

（3）屏蔽保护

工件不需要涂覆的部位需要采取屏蔽保护措施。下面介绍几种常见的屏蔽保护方法。 阀件

阀件内腔涂覆粉末涂料作为保护层，但阀两侧的阀体活动接触部位需要屏蔽。一般在需

蔽覆的部位涂上一层硅酯，硅酯表面的粉末固化后很容易清除掉。

内螺纹

一般采用相应规格的螺钉封堵螺纹孔，内孔可直接用紧配合的园柱体堵封。

外螺纹

外螺纹之类园柱体可用胶带包封，也可用套管蔽覆。 在批量生产时常采用蔽覆夹具进行保护。模压硅胶夹具有很好的弹性和机械强度，能长期承受180℃高温。粉末涂料与其粘结性很差，容易清理掉。对于位需要蔽覆保护的特殊部也可配制液体硅胶进行涂刷，室温固化，然后再进行粉末静电喷涂。对于批量大的金属蔽覆夹具，可对夹具表面涂刷甲基硅胶脱模剂，并在200℃下烘烤1～2h。这种脱模剂经烘烤后能牢固地附着于金属表面。因而夹具可以多次重复使用，甲基硅胶脱模剂的配方为：甲基硅胶酯:溶剂汽油=1:10。不需喷涂的部位面积大时可先用纸张遮盖好，喷涂完毕再将纸张取掉。

（4）喷涂

在自动喷涂时应注意根据工件高度调整好喷枪的上下行程，使其在保证工件充分喷涂的前提下尽量减少喷枪走空，从而避免沉积效率的降低。

手工喷涂时，手拿高压静电喷枪，开启高压静电发生器，同时开启供粉开关，调整好喷涂电压和喷粉量，使雾化粉末均匀地喷洒到工件表面上。喷涂大工件时，应根据工件形状尽量保持喷枪与工件表面等距离地进行连续往复喷涂。喷涂的移动速度尽量均匀一致。形状比较复杂的工件一般先喷凹槽和边缘，最后喷涂主要面。开始喷涂时喷枪可离工件近一些，当工件吸附一定量的粉层后，喷枪应距工件远一点，这样既可提高上粉速度又可防止因喷枪离工件太近使电场强度E增大而产生反离子流击穿粉层，造成涂膜针孔和麻点。

对于阀件、仪器、仪表等壳体需要进行内壁喷涂时，应将专用喷枪头伸进壳体内腔进行喷涂，供粉气压要适当调小，并注意防止边角和台阶处堆积过多的粉末。

工件表面以装饰防腐为主时涂膜厚度为60～80μm，对于防腐性能要求高的工件则需适当加厚涂层，但一次喷涂不宜太厚，否则涂膜易产生麻点和流挂现象，对此，可采用多次喷涂或工件预热后再喷涂的方法。

（5）固化

表17列出了各类粉末涂料的固化温度和时间。

固化（塑化）时间要求严格，必须在涂膜温度达到规定温度后开始计时。固化时间太短则涂膜固化不完全，涂膜性能特别是机械性能变差；固化时间过长，会引起热老化使涂膜产生色差，物理性能也会下降。

在烘箱或烘道内工件彼此之间应留有足够距离和空隙，保证热空气畅通对流，同时避免相互接触使涂膜破坏。

（6）后处理

后处理是指对固化（塑化）后的涂膜进行整理，修补及后热处理。

整理是指除去蔽覆材料，修整工件，拆除螺钉、夹具，剥去遮盖保护层。操作时应避免损伤或损坏涂膜。

修补是指在涂装施工中涂膜受到一定程度的损伤，但可以通过修补加以去除。涂装质量要求高的产品就需要进行重涂。重涂的表面应用砂纸打磨干净再进行静电喷涂，并送入烘箱固化。对于损伤面积很小，且不是主要装饰面的产品，则可用同色油漆或其它液体状树脂涂料修补，在室温下干燥固化即可。修补时要注意修补面积应尽量小，修补后的色泽要与原样基本一致。当工件在熔融流平后即发现涂膜存在缺陷时，可对损伤部位局部加热使之温度超过粉末涂料熔点，将粉末涂料均匀散布于损伤部位，待涂料熔融填满缺陷部位后，冷却，砂磨平整，再将工件送入烘箱固化，便可得到合格产品。另外一种修补方法是用少许水调和粉末涂料，将其涂布于缺陷处自然晾干后进行固化，也可得到满意的修补效果。

后热处理一般是指减热脆处理，如尼龙1010经高温塑化后在冷却过程中会产生内应力。为了防止涂膜变脆和碎裂，可将工件置于120～140℃的油浴或烘箱中保温，再缓慢冷却至室温以消除应力。

2.3.3 工艺流程及设备

粉末静电喷涂工艺流程如图14所示。

图14 粉末静电喷涂工艺流程

（1）高压静电喷涂设备 高压静电发生器

高压静电发生器有电子管式和晶体管式两种。微处理式高压发生器属新一代产品。发生器输出的负高压可以无级调节数字显示，一般最高输出电压为100kV，最大允许电流为200～300μA。采用恒流—反馈保护电路，当线路发生意外造成放电打火时即会自动切断高压以保证安全，微处理式高压发生器具有高压接地保护、高压短路自动保护、声光讯号报警和显示工作状态的功能，设备使用寿命长。

近来推出的智能型手动喷粉系统采用反馈电流（AFC）自动控制三种喷涂模式，改变了喷粉系统只采用一套静电参数来适应各种不同形状的工件的传统喷涂模式。这种控制系统可根据工件形状（如平板、深腔补喷等）自动设置最佳静电参数的输出，以获得满意的喷涂效果。采用AFC控制，当喷枪与工件距离变化时可自动调节电压，以保持最佳的粉末荷电量

和外部电场强度。这种精确的控制对穿透法拉第笼屏蔽区域有很大帮助。

静电喷粉枪

喷枪的主要功能是使喷出的粉末具有良好的雾化状态并充分带电，以保证粉末能均匀高效地吸附到工件表面。同时还要考虑到它的安全可靠、结构轻巧、使用方便等综合因素（见图15）。

图15 手提式静电喷粉枪的结构示意图

衡量喷枪质量好坏的标准是： — 保证喷射出的粉末充分带电；

— 出粉均匀，喷出的粉末能均匀地沉积在工件表面； — 雾化程度高，无积粉和吐粉现象，能喷涂复杂的表面； — 能适应不同喷粉量的喷涂，喷出的粉末几何图形可以调节； — 结构轻巧，使用方便，安全可靠；

— 通用性强，能方便地组合成固定式多支喷枪的喷涂系统；

— 喷枪的技术性能好。最高工件电压为100kV；喷粉量为50～400g/min；喷粉几何图形的

直径大约在Φ150～450mm之间；沉积效率大于80%；环抱效应好。 常用的静电喷粉枪分手提式和固定式两种，还有一些结构独特新颖的喷枪，如栅式电极喷粉枪、转盘式粉末自动喷枪和钢管内壁专用喷枪。这些喷枪的主要特点是具有较高的带电效应，操作简便、安全、能长时间连续工作，适用于喷涂流水线作业。枪柄设有空气清洗按钮的喷枪，打开清洗气流可减少枪管内的积粉和涌粉，用其喷涂易结块或易撞击熔融的粉末涂料特别有效。设有标准气洗功能的喷枪，采用低速清洁空气流防止粉末积累在电极上，能明显改善金属粉和低温固化粉的喷涂质量。此外不需要高压静电发生器的摩擦静电喷枪也已成功地应用于喷粉生产线。

供粉器

供粉器的作用是将粉末涂料连续、均匀、定量地供给静电喷粉枪。它是粉末静电喷涂取得高效率、高质量的关键部件。多数静电喷涂设备都采用抽吸式流化床供粉器。

抽吸式流化床供粉器是利用文丘里泵的抽吸作用来输送粉末的。其工作原理是在压缩空气通过（正压输送）的管路中设置文丘里射流泵（又称粉泵），空气射流使插入粉层的吸粉管口产生低于大气压的负压，处于该负压周围的粉末就被吸入管道中并输送至喷枪。由于流化床内流动的粉末具有流体特性；图16机械式供粉器示意图；容量为40kg的抽吸式流化床供粉器的规格如下：；供粉器容量0.04m3；供气压力0.01～0.2Mpa；供粉量50～300g/min（可调）；输粉管长度8m；喷粉柜；喷粉柜可用金属板制成也可用塑料板加工，其大小取决；—被涂物的最大长度、宽度和高度；；—自动或手工喷涂；；—传送速度的设计值；；—单位时间内

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化床内流动的粉末具有流体特性。因而使粉泵吸粉管口不断有粉末补充，从而保证喷出的粉雾均匀、连续。流化床内气流速度以0.8～1.3m/min为好。静电喷粉施工中常用的有横向抽吸式流化床和纵向抽吸式流化床两种供粉器（如图17所示）。后者在生产中应用最多，如图16所示一次气流（主气流）射入粉泵后，吸粉管口产生负压，将流化床粉末吸至输粉管中。二次气流（稀释气流）用于调节喷出粉末的几何图形大小，同时使粉末的成雾性更好。这种供粉器的优点是供粉均匀稳定，供粉精度高，一个供粉桶可装置多个粉泵，粉泵清理和更换方便。

图16 机械式供粉器示意图

容量为40kg的抽吸式流化床供粉器的规格如下：

供粉器容量 0.04m3

供气压力 0.01～0.2Mpa

供粉量 50～300g/min（可调）

输粉管长度 8m

喷粉柜

喷粉柜可用金属板制成也可用塑料板加工，其大小取决于被涂物的大小、工件传送速度和喷枪的喷粉量。喷粉柜设计的关键是空气的流通状况。在确定喷粉柜的尺寸大小时应考虑以下参数：

— 被涂物的最大长度、宽度和高度；

— 自动或手工喷涂；

— 传送速度的设计值；

— 单位时间内被涂物的涂装表面积。

喷粉柜中的空气流通方式有三种：一种是空气向下吸走；另一种是空气水平方向吸走以及两种方式的给合形式。向下吸走的喷粉柜底部制成漏斗状的吸风口，适用于大型喷粉柜，背部通风型喷粉柜的优点是粉末通过被涂物后沿水平方向被吸走，适用于直线通过喷粉柜的传送带式喷涂。底部和背部两个方向抽风的优点是空气流通较为均匀。

设计喷粉柜时，除了考虑便于清理和换色外，还要考虑粉末回收时的风速和风量，空气流速不能过大，避免吹掉工作上吸附的粉末和降低沉积效率；施工过程中不能让粉尘从开口处外逸，一般开口处的风速宜控制在0.5m/s左右；喷室内粉尘浓度应低于爆炸浓度下限值。

喷粉室与粉末回收装置相连接，使喷室保持一定的负压，其吸入的空气量Q1可根据喷室大小和操作技术要求按下面经验公式计算：

Q1=KS （m3/min）

式中K为经验系数，一般取1.8～3.6，S为喷室所有开口部位的总面积。

从粉尘爆炸极限浓度考虑，回收装置的排风量：

D(1—η)

Q2= ———— （m3/min）

P

式中：Q2——喷室内粉尘浓度达到爆炸极限的排风量

D——涂覆时单位时间内的喷粉量（g/min）

η——粉末沉积效率

P——粉末涂料爆炸极限的下限浓度（g/m3）

喷粉室设计的实际使用排风量Q应符合下列原则：Q＞Q1＞Q2，就是说实际排风量Q不能小于经验计算排风量Q1，两个风量都必须大于粉尘爆炸极限浓度下限值时的排风量Q2。

粉末回收装置

粉末静电喷涂时喷室中的粉末涂料受到4种力的作用：喷枪输粉管中压缩空气的推力、充电后的电场力、自身重力和回收气流的抽吸力。这4种作用力的综合结果使部分粉末吸附到工件表面、部分粉末沉降于喷室底部、壁面，其它粉末则飘浮于空气中随回收气流进入回收装置。应尽可能让喷室内的粉末浓度低于粉末爆炸浓度下限值的一半。一般工件的上粉率约为50%～70%。

粉末回收装置种类较多，有袋式回收器、旋风式回收器、龙卷风式回收装置和滤带式回收器。国内实际生产中用得较多的是旋风、布袋二级回收器。它是由扩散式旋风分离器和布袋除尘器组成的（见图17）。

图17 旋风布袋二级回收器

回收器和第一级旋风分离器与喷粉柜相连接，可回收70%～90%的粉末，第二级袋式回收器发挥的作用有2点。其一是帮助旋风分离器提高回收率，其二是将第一级回收器除不掉的细粉全部回收。这种二级回收器的总除尘效率可达99%以上。

滤芯式回收器的特点是滤芯外形呈园筒状，滤面做成手风琴折叠式，滤芯组体积不大，但过滤总面积远大于纤维布袋。滤芯的纸质表面经过特殊的树脂处理，不仅不吸潮而且还具有极高的耐脉总反吹气流的机械强度。

滤芯中间具有能旋转的U形管，两侧管壁开有多个小孔，脉冲反吹气流通过U型管从

小孔吹出清除滤芯表面的积粉。由于反作用力使U形管快速旋转形成风刀，达到较为彻底清除滤芯表面积粉的目的。

近期采用透气塑料膜替代纸质滤芯材料，使滤芯的使用寿命大大提高，并可捕集1μm的超细粉末，上海新星静电喷涂设备有限公司生产的HZY-1型转翼式滤芯粉末回收装置就属于这种新一代的高效粉末回收装置。

旋风回收器正从单个大型回收器向多个小型组合式回收器方向发展。取代单个旋风回收器的小旋风回收器数目较多，可以使回收器的高度明显下降，回收器半径也可缩小，且回收效果更佳。已知离心力F=mV2/R，如果回收气流速度V不变，回收器半径R愈小则离心力F愈大。因此小尺寸的回收器可以获得更大的离心力，能捕集到尺寸更小的粉粒，故有更高的回收效率。

国外最近推出塑料烧结板回收器，它是将塑料粉末和致孔物质一起烧结成锯齿表面的中空过滤器，有较大的过滤表面和较高的耐脉冲反吹强度，在特殊情况下还可以用水冲洗。

2.3.4 应用实例

图18是电冰箱箱体喷涂流水线的平面示意图。生产线各部分的设备情况介绍如下：

图18 电冰箱箱体喷涂流水线布置图

（1）悬挂式输送机

全长约200m，链条节距为304mm，挂钩承载能力最大60kg，运行速度为1.4m/min。张紧装置采用气压式及重锤式同时使用，输送链上装有自动喷雾式润滑装置。

（2）前处理设备

前处理全长19m，分为脱脂、清洗、磷化、清洗等部分，采用喷淋式处理，喷淋压力0.1～0.15Mpa，脱脂温度60～70℃，脱脂时间3min。磷化采用锌系磷化剂，磷化温度40～50℃，磷化时间2min。采用室温净化自来水清洗，清洗时间1min。

（3）干燥烘道

烘道全长10m，采用燃油加热炉，烘道内温度控制在120～140℃。

（4）静电喷涂设备

喷室长3.6m，两侧相对各设有2把自动喷枪，另有一手工补喷工位，室内按装一套红外线火警探测仪及自动灭火装置。

（5）固化烘道

烘道全长32m，采用桥式形式，燃油加热炉将热风送入烘道以保证烘道内温度均匀。

（6）涂装施工中出现缺陷的原因分析

涂装施工中出现缺陷的原因分析见表18。

表18 涂膜缺陷原因分析