静电喷涂工艺

作者：JOEL RUPP, ERIC GUFFEY, GARY JACOBSEN    来源：Ringer

欢迎访问e展厅 展厅 7 喷涂/清洗/表面工程展厅 PVD涂层设备, 电镀设备, 热镀锌设备, 超声波清洗机, 静电喷粉机, ... 静电原理 静电理论 静电涂装工艺起源于20世纪50年代初。涂装工程师们需要一种可以大大提高传输效率，降低加工成本的应用方法。他们的理由是同性颗粒及物体互相排斥，而异性的物质则会相互吸引。这同样适用于已带电荷的喷涂涂料以及将被喷涂的部件。他们发现含负电的雾化涂料粒子以及含正电的将被喷涂的工件（或接地）会形成一个静电场，将涂料微粒吸附到工件表面上。（见图1）。 对于典型的静电喷枪，静电电极则位于雾化器的顶部。该电极通过电源接收电荷。当涂料经过电极时会被雾化，从而涂料颗粒会带电（吸附额外电子形成负电荷）。 电极和接地的工件之间将形成一个静电场。带负电荷的涂料粒子将被吸附到中性地面。随着颗粒沉积到工件上，电荷将消失并通过地面返回至电源，从而形成电路。这一工艺体现了较高的转换效率。大部分被雾化的涂料将被吸附到零件上。 静电力对涂料颗粒的路径的影响程度到底有多大取决于它们的大小，移动的速度以及喷房内的其他力量，如重力和气流。高速喷射大颗粒会产生很大的动力，这降低了静电力的影响。粒子的方向惯性力可能比静电场产生的更大。增加粒子的动力对喷涂复杂的表面是有利的，因为这一动力能够克服法拉第笼效应——带电粒子仅倾向于沉积在腔体入口周围。（见图2）。 另一方面，速度低的小的喷涂粒子有动力相对较低，静电力则可以将其吸附到工件上。这种情况适用于简单的表面处理，但它被法拉第笼问题所接受。静电系统应平衡粒子的速度和静电电压以优化涂料的传输效率。 静电优势 静电喷涂系统所带来最大裨益是传输效率。在某些应用中，静电旋杯可以达到超过90％的传输效率。这种高效率的传输将大大节省成本，因为它减少了超范围的喷涂。有种静电喷涂的现象被称为“包覆”，它可以使某些经过工件的涂料颗粒被吸附到该工件背面，这进一步提高了传输效率。 提高了的传输效率也降低了挥发性有机化合物（VOC）的排放量及危险废物的处理成本。喷漆室的清理和维护也将减少。 涂料应用 任何可雾化的材料都可以接受静电电荷。低、中、高固体含量的溶剂型涂料、搪瓷、漆和双组分涂料都可应用于静电中。 不同类型的静电系统可采用各类涂料，不论其导电性。水性和金属涂料具有高的导电性。溶剂型涂料往往是不导电的。任何金属涂料包含导电的金属颗粒。这些金属涂料必须保持流通，以防止在进料线中短路。随着高电压被导入系统中，金属颗粒将会成队形成一个导电路径。因为涂料的导电性，系统可能需要改进以防止电荷接地（见图3）。 静电安全操作 如果设备保养得当并遵守安全工序，静电喷涂是安全的。在工作区中的所有物体必须接地，包括喷房、输送机、零部件支架、应用设备（除非使用导电/水性涂料）及喷涂操作者。 当电荷与未接地的组分接触时会被吸附并沉积。这就是所谓的电容电荷的沉积。这最终会形成足够的电荷，以致未接地的物体在离地面一定距离时会瞬间放电。这种瞬间放电足以点燃喷涂区内存在的可燃气体和烟雾。 接地工人不会及时知道电容电荷已被吸附。工人不应穿磨损橡胶或软木底鞋，它们会形成不接地的电容器。可穿特制的接地鞋。如果工人使用手持式喷枪，他们应该徒手掌握或用露出指尖和手掌的手套，以充分接触皮肤。 使所有不用于高压工艺中的设备保持正确的接地是必不可少的。接地带应附带在设备上并连接至大家所知的地面。快速检查所有设备，包括输送机和部件支架等可以发现不正确的接地。良好的内务管理会带来裨益。去除部件支架上沉积的涂料以便确保工件接地。不接地的物体，如工具和容器，应移出加工区域。 涂料颗粒的充电 涂料颗粒的静电充电在20世纪50年代早期就已开始。工程师们正在寻找方法来降低产品加工的成本。静电工艺的发明者Harold Ransburg的理由是异性电荷互相吸引，同样的理念也适用于带电粒子和即将被喷涂的部件。 每个人都听到他说：“异性相吸，同性相斥。”这对于磁场及带电涂料颗粒的静电工艺而言是真实的。 静电工艺与磁铁的工作方式几乎相同。通过在带负电的涂料粒子和带正电的接地工件之间形成一个静电场，将涂料颗粒吸附到工件上并沉积。积聚电能的基础是带电粒子。所有的物质都是由带电粒子制成的。这些颗粒要么是中性的，要么是负电或正电。 在颗粒充电成立之初，被称为头号工艺的是由Harold Ransburg开发的为涂料颗粒充电的制程。涂料颗粒通过常规的空气喷枪被喷入一个静电场，形成两条以一定的距离排开的平行线网，然后部件将会被输送入这些电网中。在电网的一个末端，被雾化的涂料颗粒被喷入静电场。涂料颗粒将会变成带负电的粒子，并被吸附到带正电的接地部件上。 现在这些线网成为静电喷枪的电极丝。三种最常见的为涂料颗粒充电方式包括静电喷枪、旋杯或旋盘。 这三种方法采用的是相同的工作原理，即在雾化器和工件之间形成静电场，然后将涂料雾化颗粒喷入该静电场，它们将被吸附并沉积到带正电的接地工件上。 采用空气喷枪或HVLP静电喷枪，高电压直流电将被供给到操作者的喷嘴电极中，喷枪和接地物体之间则会形成一个静电场（见图4）。涂料将在雾化点被充电。这种静电充电可使涂料颗粒更高效，更均衡地吸附到产品的前后、侧面及边缘。静电力也可使带电涂料颗粒以高的比例沉积到工件上。 该静电工艺也可采用无气及空气辅助无气静电喷枪对涂料颗粒进行充电。唯一的区别是涂料是由不同的方法被雾化。空气喷枪或HVLP静电喷枪利用较低的空气压力雾化涂料，而无气或空气辅助无气喷涂方法使用的压力高得多。涂料在高压下被运输到雾化器中，材料通过非常小的孔在高压下被雾化。当使用静电喷枪或HVLP静电时，其产生的细水雾颗粒会被静电充电，然后以同样的方式被吸附到工件上。 今天，旋杯喷头直径一般约1至3英寸，旋盘的直径约为6至12英寸。这些雾化器采用同样的工作原理，只是它们被定位在工件的不同位置。旋杯是沿轴水平置于工件上，而旋盘是垂直放置。 旋盘或旋杯会将薄而均匀的涂料散布到雾化器的边缘。此处的涂料通过静电力或离心力被雾化。低速的旋转雾化器几乎运用所有的静电力，高速的旋转雾化器则依赖于雾化器的离心力来雾化涂料。然后直流高压电会供给至旋转雾化器，在其与接地的目标物体之间形成一个静电场。带负电荷的粒子被吸附并沉积到带正电的接地工件中。带电颗粒接地目标物体之间的力量足以使周围正常的超范围喷涂物沉积到目标物体的背面，因此，喷涂颗粒会以非常高的比例沉积在零件上。 在静电喷涂材料时，涂料的电阻率，通常称为传导率，是至关重要的。水性材料的导电性非常好；因此必须采取电压闭锁装置、外部充电探针或完全隔离液体供给和液体生产线等方式，否则喷涂颗粒将无法保持静电充电。由于水性材料电阻低，所有的静电电压会流失至地面，导致系统供给不足。如未使用上述任意一种方法，喷涂颗粒将无法负载静电。 溶剂型材料的喷涂电阻率因材料而异。当静电喷涂溶剂型涂料时，测量及监控正在被喷涂的涂料的电阻是非常重要的。导电性强的材料（电阻非常低，通常被称为“活性材料”），静电电压会部分甚至全部流失至地面。这将大大减少其对喷涂颗粒的静电作用。另一方面，当使用电阻非常高的材料，通常被称为“惰性材料”时，喷涂颗粒不易接受静电电荷，传输效率会很差。 涂料供应商在特定的电阻率范围内可以很容易地制定溶剂型材料。最佳电阻可能因应用中所使用的不同工具而有所不同。例如，使用静电旋盘或静电旋杯，（兰氏）喷涂电阻率计显示的最佳电阻率范围为0.05和1兆欧。但是静电喷枪可以在0.1～00兆欧的电阻下有效地喷涂涂料。 另一个例子是位居第二的工艺——现场静电喷枪。该喷枪需要一个更精确的涂料电阻率，因为它仅依靠静电电荷雾化涂料。在（兰氏）喷涂测试仪显示0.1至1兆欧之间时，该喷枪与其使用的涂料才能够正常工作。 静电工艺或喷涂颗粒充电中的另一个关键因素是颗粒的大小。高速喷射的大颗粒具有较大的动力，可减少静电力。在喷涂复杂表面时，增大的颗粒尺寸将成为一种优势，因为其动力可以克服法拉第笼区域（涂料颗粒被吸附到工件边缘的同时还可避免内菱角和凹区）。 另一方面，低速喷涂的小喷涂颗粒动力较低，从而静电力可将涂料吸附到目标对象上。这种情况适用于简单的表面喷涂，但可被法拉第笼问题所接受。 静电工艺/设备 开发雾化材料的静电应用以提高加工质量和传输效率（见图5）。 目前，喷涂应用中有七种类型的静电工艺： 空气静电雾化 高容量、低压力（HVLP）静电雾化 无气静电雾化 空气静电辅助式无气喷枪雾化 静电纯电法雾化 静电旋杯式雾化 静电旋盘式雾化 无论何种静电处理系统都有其优势和局限性。适合于某种情况的方法可能并不适合其他情况（参见表I）。 空气静电喷涂雾化 空气静电喷涂使用一个含有小型精密开口的气孔将压缩空气射入涂料中达到最优雾化。空气静电喷枪雾化因其可控性及多功能性，已成为现今行业中应用最广泛的一种方法。空气静电喷枪可提供很高的转化效率，它利用静电电荷使涂料包覆边缘附近区域并捕捉过喷的浪费了的涂料。标准的空气静电喷涂根据不同类型的材料和应用可提供40至90％的转移效率。 HVLP静电喷涂雾化 HVLP静电喷涂和空气静电喷涂技术利用相同的雾化特性，仅是稍作修改。当使用气动HVLP时，气孔内的压缩空气的压力必须降至0.1到10磅之间。当使用HVLP喷涂降低颗粒速度及雾化材料时转换效率会更高，从而带来更少的废物及材料的窜漏。有些静电设备通过简单地改变四个部件可以很容易地在空气喷涂和HVLP喷涂技术之间转换。HVLP的喷涂技术可满足需严格减少VOC的EPA规范。HVLP静电喷涂根据不同类型的材料和应用可以提供60至90％的转移效率。 无气静电喷涂雾化 无气静电喷涂技术利用高压流体（500-5,000磅）的原理，通过一个非常小的流体喷嘴完成雾化。喷涂图案的大小和形状以及喷液质量受喷嘴控制。无气喷涂技术在空气喷涂之后得以发展，以帮助在大型部件上运用更高的到达率及粘度达到更快的应用速度。 空气辅助式无气静电喷涂雾化 空气辅助式无气静电喷涂技术采用无气喷涂原理在压力降低的情况下雾化流体，并利用辅助雾化空气减少图案尾料并达到更佳的图形效果。空气辅助无气喷涂技术可以提供无气喷涂和空气喷涂所达到的令人满意的一些特征。这些理想的特点包括中等偏高的到达率，可在低速及高转换效率下达到低粘度的喷涂能力。 纯电法静电雾化 纯电法静电雾化通过在喷枪的一端使用一个旋杯均匀将涂料涂于杯的边缘。当涂料到达杯的边缘就会负载上电荷。尖锐边缘的电荷（约100千伏）会在中等的电荷电阻范围（0.1至1兆欧）内使涂料颗粒喷涂至产品上。纯电法是一种比空气喷涂或空气辅助无气喷涂技术略为缓慢的工艺过程，并且旋杯雾化状态需要旋杯式喷涂技术，不过它是现今同行业中转化效率最高的喷枪工艺。喷流型超软的前进速度可使大部分产品的转换效率几乎达到100％。 这种高转换效率在某种程度上促进了喷涂和翻新机械及家具行业的发展。 旋杯式静电雾化 旋杯式静电雾化器利用一个含离心力及静电雾化的高速旋杯来雾化材料并高效地将材料从杯的边缘运输至被喷涂的目标物体上（见图6）。杯被用于涡轮发动机上，并在杯口的边缘导入压缩空气来控制图案。压缩空气将推动材料的前进速度，以帮助其渗透到凹陷区域。旋杯通常被固定安装或直接在输送机上往复地涂覆产品。旋杯也可置于输送机的两侧。旋杯式雾化可提供70至95％的转移效率。 旋盘式静电雾化 旋盘式静电雾化器是一种利用离心力及电雾化的高速旋转雾化器来雾化涂料并高效地将材料从盘的边缘传输至被喷涂的目标物体上。旋盘在一个封闭的Ω形环中涂覆产品（见图7）。旋盘可固定安装并倾斜（高达45度） 12英寸或以下的小配件，或安装到往复式机臂上喷涂40英尺高4英寸宽的部件。旋盘产生的转移效率达80至95％。 水性静电 在过去的几年中，政府法规对喷涂应用工厂中释放的挥发性有机化合物的排放量的要求推动了涂料制造商们降低其涂料中的挥发性有机化合物含量。水性涂料已出现多年，但更为严格的政府法规推动了它们在今天处理行业中的发展势头。目前许多溶剂型涂料用户被迫做出更符合未来的涂装发展的涂装方式的改变并努力利用其现有处理设备利用水性涂料。 尽管这些水性涂料的应用基本上与溶剂型涂料一样，但必须考虑许多因素。我的系统组件是否与水性材料兼容？许多合金和金属在与水性材料接触一段时间后会生锈或被腐蚀，因此，您必须确保水泵、阀门、管道及构建材料的雾化器等与水性涂料兼容，如316不锈钢或聚四氟乙烯。 同时还需做出如下决定：系统如何与经过水性溶液供给中接地返回的高电压相隔离。水是电的良导体，所有与水性物质接触的组件都带有高电压。这包括所有的雾化器、供液软管、泵、稳压器、阀门和流体供给本身。 在今天的处理环境中，水性材料必须安全隔离。这将通过以下项目得以完成：（1）完整的系统隔离;（2）电压阻断装置;或（3）涂料的间接充电。 完全系统隔离 完全系统隔离是将供给的水性流体与高电压相隔离最常用的方法。这种低技术含量的方法已存在数十年（见图3）。 在一个隔离的系统中，接触到水性材料的所有组件必须与任何有可能接地的情况隔绝。供给的液体必须置于封闭的区域，如桶、鼓形圆桶或隔绝的工作台上。这些密闭载体必须配备安全联锁装置。当操作者打开入口进入其间时，气动接地棒必须使高电压接地。这确保了操作者不会接触带电的水性液。此外，隔离台的一条支柱需安装一个1,050兆欧的泄放电阻器并连接到地面，这样，当关闭高电压时电压可以及时释放至地面。 尽管事实证明，这些已确定的水性系统可有安全联锁装置和泄放电阻器，但不可由此断定所有的高电压已释放至地面。在接触任何潮湿系统的组件前，始终需要一个辅助接地线并连接所有系统组件，以确保该系统的电压可完全释放。如果不这样做，可能会给操作者带来冲击。 若未使整个系统与地面正确地隔离可能会导致短路情况发生。这可能会导致部分或全部的高电压释放至地面。这会大大降低静电的影响，并导致转换效率不佳。例如：供液容器离地面太近，供液胶管可能会使该系统完全短路或对电力供应带来更高负荷（显示高微安），这反过来会降低喷头的实际电压，并会大大降低传输效率。 除了使所有的设备保持隔离状态，供液的笼子必须与应用设备保持相对较近的距离。这可能会占用大量的地面空间。在许多情况下，可能并没有足够的用地面积用于供液。在许多厂房设施中，建筑面积极其宝贵，一旦失去可能无力承担。 外接充电（材料间接充电） 水性涂料的外部充电可使供液接地。供液范围可保持不变，因为它是为溶剂型涂料配置。由于涂料颗粒是外部充电，或如人们所说的“间接充电”，高电压可不遵循从液体生产线至地面的导电路径。 该材料的间接充电是由一个离喷枪电极几英寸远的带有高电压的探测器来完成。该探针产生的静电场可对涂料颗粒进行充电而不用直接接触水性材料。因此，高电压无需沿着导电路径回到溶液生产线。 自动喷头，如旋转式雾化器的一环探头（6-8）大约置于喷头周围几英寸远，并远离旋杯。这种配置通常被称为“导电涂料静电喷涂（即COPES-CO nductive P aint E lectrostatic S pray）”环。许多美国的汽车装配厂已改用水性涂料，导电涂料静电喷涂旋杯已经被汽车市场广泛接受。利用导电涂料静电喷涂技术可以在十秒内实现换色。 不幸的是，在静电喷涂水性材料的这三种常用方法中，外部或间接充电方式的效率是最低的。电压闭锁及隔离系统已被证明可以提供更高的传输效率。 电压闭锁 近年来，随着电压闭锁设备的发展，水性涂料的应用已经变得越来越简单与安全。 电压闭锁装置可以隔离喷头与接地供液。这可以防止高电压顺着导电路径流经溶液生产线至地面供液及释放系统高电压。 这些装置可用于供给手动和自动喷涂喷头。采用手动喷枪时，单个电压闭锁装置仅可供给一个喷头。但是若采用自动喷头，电压闭锁装置则可以供给多种应用。这是由于当连接闭锁装置时，所有的喷头都会通过他们的溶液生产线反被充电。 电压闭锁装置免除了安全笼和联动装置的需要，并防止喷头与带电供液相接触。同时还消除了其对隔离台的需求以及供液与地面的隔离。 它现在是一个接地供液站，并大量地节省了空间。 总结 上述三种水性涂料的静电喷涂都有各有优劣。终端用户必须确定哪种方法最适合他们的应用。电压闭锁是最简单的，可用于任何类型的供液，但成本有时会成为决策者选择时所需考虑的一大因素。 大多数情况下隔离系统更为便宜，但占用了大量宝贵的地面空间。隔离系统同时也是最不安全的，而且当您的供液系统是远程喷房时可能就不切实际。 虽然间接充电可能是上述讨论的三种方法中效率最低的，但它在一些应用中可能最为实用。例如，汽车装配工厂可能需要一个大型喷房或快速换色。电压闭锁和隔离系统已被证明可以提供更高的传输效率。 塑胶及其他绝缘衬底的静电工艺 使用静电的理想基材是金属，因为在静电喷涂中唯一需要做的是给产品连接一条地线，但是，当您尝试静电喷涂绝缘的基材如塑料时，则必须使它变为导体。现今已有多种方式涂覆部件或使其导电。最常见的有： 1.为接地金属建立一个支架，并将绝缘部件置于喷头和导电夹具之间。（带电颗粒将会触地并被吸附到被喷涂的部件上。采用这种技术的实例是喷涂织物、纸或其他薄的结构。） 2.某些材料加热后会变为导体，如玻璃、橡胶制品以及一些塑料可加热至其变为导体，当其变热后可静电喷涂。 3.所有绝缘体，如木材、橡胶、塑料和玻璃，也可能被视为化学增敏剂。这些都是一般的吸湿化学品，可以将水分吸附到产品表面并产生导电性。可通过浸渍、擦拭、喷涂或喷雾来控制增敏剂的浓度。处理后，将部件暴露在足够潮湿的环境中时可变为导体，如潮湿的室中或高湿度环境（相对湿度70％时）。敏化剂是非成膜的液体。 4. 使部件导电的另一个方法是使用一种导电底漆。导电底漆可通过传统方式应用于衬底，从而使面漆被静电喷涂。导电底漆可喷涂、浸镀、流涂或模压。 使绝缘部件更易于静电充电的原因是为了以最低的成本，使用最高效的工艺达到最高质量。 采用静电工艺可实现这些优点。 节省成本 转移效率/节省涂料 使用静电设备可以节约成本已在许多不同领域得以实现。最明显的节省之处是涂料的用量。随着高的固体含量，多组分及基底/清洗处理的增加，为这些涂料支付每加仑100美元的费用是不切实际的。考虑到这一成本，尽可能将涂料高效地应用于产品中是至关重要的。传统的空气喷枪中喷出的涂料大约有15%-40%会应用于部件。这就是所谓的转换效率。余下的60%至85％则损耗在过滤器或地板及墙壁中的超范围喷涂中。传统的HVLP喷枪比传统的空气喷枪效率要高。HVLP喷枪通常可产生30%-60％的转换效率。 静电喷枪可以获得更大的传输效率。空气静电喷枪一般可获得40至80％的转换效率。这意味着在所提供的涂料相同的情况下，空气静电喷枪与非空气静电喷枪相比之下可为许多部件提供两次喷涂。正如非空气静电喷枪，HVLP技术显著地提高了传输效率。HVLP静电技术同样如此。在某些情况下，HVLP静电已获得高达90％的效率。 通常情况下，费用的合理性仅来源于节约的涂料成本。所节约的成本通常足以购买静电喷头。表II显示了略微提高传输效率后节省的涂料的成本数据。 VOC减量 另一个节约的领域是减排。随着联邦及地方法规变得日益严苛，VOC（挥发性有机化合物）的排放已成为主要议题。我们正不断努力地减少排放到大气中的挥发性有机物含量。通过提高转移效率来降低VOC的排放（见图8）。这是将更多的涂料涂覆在部件上，而少部分沉积于喷涂过滤器或大气中的结果。 美国的许多州，如加利福尼亚州，现在要求人们要么使用HVLP或静电技术以获得安装新喷涂室的许可。制造工厂允许排放的挥发性有机物每年都会指定含量（以吨来计）。如超过吨位限制，将予以重罚，罚款可能高达数千美元。迫于这些法律，许多公司纷纷投资静电喷涂设备，以遵循挥发性有机化合物规章。 降低维护成本 如前所述，当转移效率增加时，沉积于喷房中的超范围喷涂将会减少。这意味着以前需要每周清洗和更换过滤器的喷房现在仅需要每两周维护一次。 以前每月水洗喷房需消耗55加仑的化学品，而现在仅需30加仑。不仅购买这些材料的成本降低了，而且处理它们的成本也相应降低。肮脏的喷房过滤器和被污染的水通常必须作为危险废物来处置。 近年来，处理危险废物的相关成本迅速飙升。不仅是直接成本有所降低，如过滤器、化学品和处置的费用（见表III），同时劳力方面的间接成本也有所降低，因为喷房的维护每周平均消耗仅8个工时。 优质涂覆/改进质量 静电喷涂除了可以节约成本还有很多其他好处。静电包覆有助于减少应用时间。带电的涂料颗粒可以改变方向，当从一个方向进行喷涂时，可在零件顶部、底部及侧面沉积。根据零部件的尺寸和配置，这种包覆方式足以一次性地涂覆所有产品，省去了额外的传输需要。 当使用非静电喷枪时，您需将喷枪指向每个需要喷涂的区域，如果你错过了某个特殊角度，那么它就无法被喷涂。当采用静电喷头时，包覆式的喷涂可产生涂层更均匀的成品。统一的处理使不少生产厂方得到更低的次品率。当现场翻新家具或设备时，如不采用静电喷漆设备，几乎无法进行。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (12/27/2010)