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精密钣金静电喷涂技术的研究

摘  要：简要介绍精密钣金静电喷涂的原理，粉末涂料的分类及组成，阐述了粉末静电喷涂技术的工艺，以及精密钣金静电喷涂中法拉第笼效应的应对。

关键词：粉末涂料；静电喷涂。

Research on electrostatic spraying technology of

precision sheet metal

Abstract: This paper briefly introduces the principle of electrostatic spraying of precision sheet metal, the classification and composition of powder coating, expounds the technology of electrostatic spraying of powder, and the response to Faraday cage effect in electrostatic spraying of precision sheet metal.

Key words: powder coating; Electrostatic spraying.

 1、粉末静电喷涂的原理及优势。

粉末涂料初次进入我国大约是在二十世纪中叶，当时应用并不广泛。随着人们对产品外观要求的提高，以及环保要求越来越高，粉末涂料静电喷涂工艺脱颖而出。粉末涂料以其优良的成膜特性和其环保特性在工业领域迅速发展，更有逐步取代溶剂型涂料的势头。

我国的粉末静电喷涂技术虽然发展较晚，但发展潜力很大。粉末涂料不含溶剂，同传统的溶剂型涂料相比，它更安全，更环保，适应性更好，而且更高效。

1.1、静电喷涂的原理。

粉末静电喷涂就是利用高压静电电晕电场的原理，在喷枪头部金属导流标上接上高压负极，被喷涂工件接地形成正极，使喷枪和工件之间形成一个较强的静电电场，在静电力和运载气体的双重作用下，粉末涂料涂均匀地覆于工件上，当粉层达到一定的厚度时，粉层之间因为“同性相斥”原理，阻止工件进一步上粉，从而可以避免工件表面粉层过厚，再经过一定时间、温度的烘烤最终形成一定厚度涂层。

1.2、粉末静电喷涂与传统溶剂型涂料喷涂相比较有何优势。

粉末静电喷涂俗称“喷塑”。它的喷涂主要特点为：喷涂方式即可手动又可自动；涂料是固体粉末，游离的粉末可以回收利用，涂料回收利用率可达98%；涂层微孔少，防腐性能好，并可一次进行厚膜喷涂。

自从粉末涂料喷涂技术进入涂装业后，粉末涂料在一般工业用涂料中所占有的市场比例逐年持续增长，其原因是粉末喷涂技术具有独特的优势。

第一，降低对环境的污染程度。“粉末静电喷涂”是目前能够达到的最环保的涂装技术。粉末涂料不使用挥发性溶剂，大大减少了因溶剂所产生的污染公害，也杜绝了因含机溶剂而引起操作人员的中毒事故和火灾隐患。

第二，经济效益显著。粉末涂料是纯固体成分的涂料，可以完全采用全自动喷涂。大量或超喷的粉末，容易由回收系统收集，粉末涂料的回收利用率可达 98%，大大节约了人工和原料成本。

在粉末涂装作业中，如果有喷涂不良的部位，可在未经烘烤前，使用空气喷枪将其吹除，然后进行再涂装。如此可避免表面流漆、滴漆等现象，大大降低了重涂返工的几率。

粉末涂料为100%的固体成分，不需添加任何溶剂，所以涂料量减少，节省包装，降低储存空间。

第三，优异的涂膜性能。只要将粉末涂料直接喷涂于经过预前处理的钣金件表面上，经过烘烤，即可得到性能优异的涂膜表面。粉末涂料可一次性获得 60μm 以上的高防腐性厚膜层，相当于溶剂型涂料喷涂几道的厚度，减少了施工的道数，既节能环保，又提高了生产效率。

2、粉末涂料的分类、组成。

2.1、粉末涂料的分类

静电喷涂粉末涂料由特制树脂、颜填料、固化剂及其它助剂以一定的比例混合加工而成。粉末涂料的品种虽然没有像溶剂型涂料那样繁多，但可作为粉末涂料的聚合物树脂也很多，总的可分为热固型和热塑型两大类，粉末涂料一般为热固型。

热固型粉末涂料是指以热固性树脂作为成膜物质，加入起交联反应的固化剂经加热后能形成不溶的质地坚硬涂层。温度再高该涂层也不会像热塑性涂层那样软化，而只能发生分解。

根据聚合物树脂的种类还可分为：丙烯酸树脂粉末涂料、聚乙烯粉末涂料和尼龙粉末涂料。

2.2、粉末涂料的组成

目前用于喷涂的热固性粉末涂料通常有环氧粉末、环氧/聚酯和聚酯粉末涂料，这些粉末涂料通常由下列原料组成：

（1）树脂：环氧、环氧/聚酯、聚酯环氧、聚酯、聚氨酯、丙烯酸聚酯等；

（2）填料：碳酸钙、硫酸铜、滑石粉、钛白粉、石英粉等；

（3）固化剂：与树脂预先混合；

（4）颜料：各种颜料；

（5）添加剂：流平剂、催化剂等。

这些原料先用搅拌机混合均匀后，输送到挤压机，加温到 130℃左右，使它呈胶化状态；然后再挤压成像塑料布匹状的很脆胶体，输送到粉碎机里，磨成粉状，再经过筛网，按不同粒径大小筛选，并按预定的比例，把不同粒径的粉末颗粒混在一起包装、销售和使用。

3、精密钣金粉末静电喷涂技术的工艺流程。

3.1、静电喷涂技术的工艺流程

为了增加粉末涂层与基体结合力，提高喷涂质量，粉末涂装一般包含以下几个流程：前处理→粉末喷涂→烘干固化→冷却检验。

3.1.1、前处理工序。

前处理工序的主要目的一是去除工件表面的油污、锈迹等污染物；二是消除应力；三是增加表面粗糙度提高附着力。目前常用的方法主要有酸洗和喷砂处理，其中喷砂处理做符合上述要求。

3.1.2、粉末喷涂工序。

粉末静电喷涂设备主要由静电发生器、粉末喷枪供粉装置、供气系统及回收装置等五大部分组成。

喷涂过程中，一般遵循自上而下、从左到右的操作原则，确保工件上粉均匀。由于粉末不良件返工流程相当复杂，因此在涂装管理过程中，需要安排专人在喷房出口对工件表面粉层的外观进行检查，如发现工件表面喷涂不均或因换色不彻底造成的异色污染，应立即取下该工件，并把工件表面的粉尘吹尽彻底后重新上线。如果是空气中细小的纤维吸附在粉层表面，可用尖嘴气枪利用微小气压从侧面吹掉工件表面的纤维，避免纤维附着造成粉层固化后漆膜外观不良。

3.1.3、烘干固化工序。

固化过程分为熔融、流平、胶化和固化 4 个阶段，温度升高到熔点后，工件上的表层粉末开始融化；粉末全部融化后，开始慢慢流动，在工件表面形成薄而平整的一层，此阶段称为流平；温度继续升高粉末发生网状胶链反应而彻底固化。不同的粉末在烘烤温度和时间上各不相同，一般温度设定在 190±10℃，烘烤时间为 25±5min，工件最底部距离烘炉底部及侧壁 100 mm 以上。

3.1.4、冷却检验工序。

由于粉末涂装固化温度高，刚出烘炉的工件表面涂层较软，对后道包装工序及涂层性能检验都存在一定的影响，因此，工件烘炉出口后，需要设置一定的冷却段对涂膜进行常温冷却，确保涂膜表面温度近似于室温状态，然后才能安排质检人员对工件涂层外观质量进行判定。

固化后的工件主要检查外观是否平整光亮、有无颗粒、缩孔等缺陷；使用相应的检测仪器和方法检测色差、涂层厚度、附着力（划格法）、硬度（铅笔法）等。

4、精密钣金粉末静电喷涂常见外观缺陷及防治。

4.1、涂层杂质

常见杂质主要来源于喷粉环境中的颗粒，以及其他各种因素引起的杂质。主要解决方法为：彻底清洁固化炉的内壁，定期检查、更换送风管滤网；开工前使用压缩空气吹扫喷粉系统，用湿布和吸尘器彻底清洁喷粉设备和喷粉室；定期清理悬挂链等设施；提高粉末质量，改进粉末储运方式。

4.2、涂层缩孔

造成涂层缩孔的原因主要有：工件表面带油污、粉末受潮或压缩空气含水、混粉。解决方法主要包括：做好工件前处理工序，确保工件表面无油、无锈、无水；改善粉末储存环境，做好防潮处理。

4.3、涂层色差

造成色差的主要原因有：粉末种类、固化温度和时间、涂层的厚薄不均。解决方法主要包括：不同品牌种类的粉末不要混用，选用新品牌、新种类的粉末一定要严格按照标准温度和时间进行固化处理，要喷涂样板对比色差；严格控制涂层厚度。

4.4、涂层附着力差

主要原因就是前处理工序对工件表面处理的不到位，工件表面含有油污、水剂、等；喷涂厚度、固化温度和时间都会影响涂层的附着力。

5、法拉第笼效应

5.1、什么是法拉第笼效应

当钣金件表面带有深坑或沟槽时，喷涂的粉末粒子会集中在凹陷部位的边缘处，因为边缘处场强增加，直接导致粉末粒子朝边缘处运动，这些地方的粉末沉积明显，粉末很难到达凹槽内，这就是法拉第笼效应。

实践证明，粉末无法到达工件凹槽底部，其一，由于粉粒被电场强力地推向法拉第笼的边缘，因而只有很少的粉粒有机会进入凹陷部位。其二，由电晕放电产生的自由粒子会沿电力线走向工件的边缘处, 使已有的涂层迅速被多余的电荷所饱和，以致反向离子化十分强烈，形成凹槽真空，内部不带电，无法沉积粉末粒子，所以死角上粉难。

5.2、克服法拉第笼效应的有效措施

（1）粉末涂料中加入带电助剂可有效提高死角的上粉率。

（2）根据实验，电压 60～70kV，喷枪与工件的距离保持在 100～150mm 之间，可促进粉末向法拉第笼效应区域渗透，使粉末沉积在死角处，提高死角上粉率。

（3）粒径较粗的粒子带电强度大，更容易透过法拉第笼效应屏蔽区域，沉积在工件表面，死角上粉率好。试验显示，能较好克服法拉第效应促进死角上粉的粉末粒径宜控制在 25～35μm 范围之内。

6、结语

随着全民环保意识的提高，以及国家对环境保护力度的加大，精密钣金涂装工艺环保升级迫在眉睫。粉末涂料因其特有的环保特性，逐渐走进人们的视野，其优势越来越明显。

粉末涂料不含有机溶剂，不仅环保无公害，而且工艺简单，利用率高，极大的降低了涂装成本。因此，未来在精密钣金的生产过程中，粉末涂料静电喷涂一定会逐步取代传统溶剂型涂料涂装。

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