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粉末涂料用静电喷枪带电剂的作用机理及效果评定

点击次数:更新时间:2016-04-07 20:04:15【打印】【关闭】

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静电涂装是粉末涂料最重要也是应用最为广泛的涂装方式。粉末涂料的静电涂装过程,简单来讲,就是利用电晕放电(电晕喷枪)或摩擦起电(摩擦喷枪)使粉末涂料粒子带上电荷,然后向工件上吸附。粉末粒子在工件上的吸附效率(通常称为上粉率)在很大程度上取决于粉末粒子的带电性能。然而,粉末涂料的常规组份,如树脂、固化剂、颜填料等成分,带电性能比较有限。为了提高粉末涂料的带电性能,在配方中添加特定的带电性能改进剂(或简称为带电剂)[1]是最直接有效的方法。 粉末涂料带电剂的作用机理 对应于电晕喷枪和摩擦喷枪两种不同的喷涂方式,粉末粒子的带电过程也是不同的,因而用于两种喷涂方式的带电剂及其作用机理往往也是不同的。 (1)带电剂在电晕喷枪中的作用原理 就电晕喷枪而言,喷枪内有一个电极与高压发生器相连,喷涂时,启动高压发生器,在喷枪电极和接地工件之间施加一个很强的电压并产生很强的静电场。由于施加的电压足够高使得在枪尖部分产生CORONA放电,在放电区域就会产生大量的电子并充斥在电极和工件之间,这些电子被空气分子吸附形成带负电荷的离子,这些带电的离子又会吸附在粉末粒子上,从而使粉末粒子带电。 根据电晕充电[Coronacharging]理论[2],高压电场的电压愈高或粉末涂料粒子的电阻值愈低,则粉末粒子愈容易带电。粉末粒子的充电/放电速率可大致由下面的公式(1)来度量: 带电剂在电晕喷枪中的作用原理 带电剂在电晕喷枪中的作用原理 上式表明,ρ愈低,粉末粒子在高压电场中所要求充电的时间愈短,即带电就愈容易。同时,ρ愈低,粉末放电时间也愈短,即也愈容易放电。带电越容易,粉末吸附在接地工件上的初始速度就越快,效率越高;放电越容易,则吸附在工件上粉末所带电荷释放越快,从而越容易缓解对后续沉积在工件上粉末的排斥,综合效果即提高了粉末涂料在工件的沉积速率(或称上粉率)。 应用于静电喷枪的带电剂一般是具有强极性(可高度极化)或本身可电离的物质,因此,在粉末配方中加入后,可降低粉末涂料粒子的ρ值。从而提高充电/放电效率和带电性能。实验发现大多数带电剂都可将粉末的体积/表面电阻率由原来的1014~1016下降至109~1012Ωm的范围。 此外,上式还表明,材料的介电常数越大,充电/放电效率也越高,因此,添加高介电常数的物质,如一些含氮类化合物,也能提高电晕喷枪中粉末粒子的带电性能和上粉率。 (2)带电剂在摩擦喷枪中的作用原理 摩擦枪喷涂时,由于粉末涂料在摩擦喷枪管内与枪壁内的特殊高分子材料(通常是聚四氟乙烯(PTFE)或尼龙)不断的碰撞、摩擦、接触、离合,而使枪壁和粉末粒子带上电量相等、电性相反的电荷,也就是利用摩擦起电原理使粉末带电的。根据摩擦起电原理,任何比其介电常数高的物质,与其摩擦后均可得到正电荷,且介电常数相差越大,所产生的电荷越多。常用材料的介电常数大小排序为:聚四氟乙烯<聚乙烯<聚丙烯<聚氯乙烯<聚丙烯睛<硝基纤维素<聚苯乙烯<聚酯树脂<醋酸纤维素<橡胶<金属<纤维素<聚乙烯醇<聚酰胺<木材<脲醛树脂<玻璃<聚醋酸乙烯酯<环氧树脂<聚甲醛<聚氨酯<聚氧乙烯醚[3]。 常用的枪壁材料PTFE的介电常数为2,通常粉末涂料中的聚酯树脂的介电常数仅为3.0,两者的介电常数相差太小,所以没有明显的摩擦带电性。因此常需要加入一些介电常数更高的物质作为摩擦带电剂来提高摩擦带电效率,如一些含氮的化合物即能增加粉末粒子摩擦带电效率。 带电剂的应用效果评定 对于电晕喷枪的带电剂,测定它们对体积/表面电阻率ρ值下降的贡献大小即可评判带电剂的带电效果。ρ值的测定需要使用专门的仪器,例如由英国Southampton大学WolfsonElectrostatics研制的粉末电阻测定仪。需要说明的是,ρ值下降越多,粉末的充电/放电效果越好,但并不说明最终粉末涂料的上粉率越高。因为当ρ值下降到1010Ωm以下时,由于放电过快,可能导致粉末粒子在工件上的不吸附,从而造成上粉差。 对于应用于摩擦枪的摩擦带电剂,可以简单通过介电常数的大小定性判断摩擦带电效果。也通过测定摩擦产生的电流值μA的增加值来定量评定其效果。一般可使用带有显示粉末电流值μA的摩擦枪来进行测定。 另外一种更加直观、易于操作的评定方法是通过测定粉末最终在工件上的上粉率(powdertransferefficiency,PTE)增加值来评定应用效果。该方法最初由国内童乃斌等人提出的,它既适用于使用电晕喷枪的场合,也适用于使用摩擦喷枪的场合。其具体操作方法描述如下[1]: 带电剂在电晕喷枪中的作用原理 带电剂在电晕喷枪中的作用原理 首先将经打磨处理过的样板用天平精确称重[Wp1];然后分别称取按一定方法制备的添加了带电剂的涂料粉50克,将其喷涂在已准确称重的上述样板上直至粉末不能完全被吸附为避免手动产生不必要的误差,可将喷枪捆绑在支架上固定,试板应完全置于喷枪雾化的范围内。然后在合适的温度下将其固化。再次称重[Wp2],以两次重量之差[△Wp=Wp2-Wp1]表示上粉率。 用同样方式作不添加带电剂的空白试验得△Wc=Wc2–Wc1,按公式(2)计算上粉率的增加%(PTE%): 显然,PTE%越高,表明上粉率增加越明显,即带电剂的带电效果越好。

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