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粉末涂料用靜電噴槍帶電劑的作用機理及效果評定

點擊次數:更新時間:2016-04-07 20:04:15【打印】【關閉】

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靜電涂裝是粉末涂料最重要也是應用最為廣泛的涂裝方式。粉末涂料的靜電涂裝過程,簡單來講,就是利用電暈放電(電暈噴槍)或摩擦起電(摩擦噴槍)使粉末涂料粒子帶上電荷,然后向工件上吸附。粉末粒子在工件上的吸附效率(通常稱為上粉率)在很大程度上取決于粉末粒子的帶電性能。然而,粉末涂料的常規組份,如樹脂、固化劑、顏填料等成分,帶電性能比較有限。為了提高粉末涂料的帶電性能,在配方中添加特定的帶電性能改進劑(或簡稱為帶電劑)[1]是最直接有效的方法。 粉末涂料帶電劑的作用機理 對應于電暈噴槍和摩擦噴槍兩種不同的噴涂方式,粉末粒子的帶電過程也是不同的,因而用于兩種噴涂方式的帶電劑及其作用機理往往也是不同的。 (1)帶電劑在電暈噴槍中的作用原理 就電暈噴槍而言,噴槍內有一個電極與高壓發生器相連,噴涂時,啟動高壓發生器,在噴槍電極和接地工件之間施加一個很強的電壓并產生很強的靜電場。由于施加的電壓足夠高使得在槍尖部分產生CORONA放電,在放電區域就會產生大量的電子并充斥在電極和工件之間,這些電子被空氣分子吸附形成帶負電荷的離子,這些帶電的離子又會吸附在粉末粒子上,從而使粉末粒子帶電。 根據電暈充電[Coronacharging]理論[2],高壓電場的電壓愈高或粉末涂料粒子的電阻值愈低,則粉末粒子愈容易帶電。粉末粒子的充電/放電速率可大致由下面的公式(1)來度量: 帶電劑在電暈噴槍中的作用原理 帶電劑在電暈噴槍中的作用原理 上式表明,ρ愈低,粉末粒子在高壓電場中所要求充電的時間愈短,即帶電就愈容易。同時,ρ愈低,粉末放電時間也愈短,即也愈容易放電。帶電越容易,粉末吸附在接地工件上的初始速度就越快,效率越高;放電越容易,則吸附在工件上粉末所帶電荷釋放越快,從而越容易緩解對后續沉積在工件上粉末的排斥,綜合效果即提高了粉末涂料在工件的沉積速率(或稱上粉率)。 應用于靜電噴槍的帶電劑一般是具有強極性(可高度極化)或本身可電離的物質,因此,在粉末配方中加入后,可降低粉末涂料粒子的ρ值。從而提高充電/放電效率和帶電性能。實驗發現大多數帶電劑都可將粉末的體積/表面電阻率由原來的1014~1016下降至109~1012Ω?m的范圍。 此外,上式還表明,材料的介電常數越大,充電/放電效率也越高,因此,添加高介電常數的物質,如一些含氮類化合物,也能提高電暈噴槍中粉末粒子的帶電性能和上粉率。 (2)帶電劑在摩擦噴槍中的作用原理 摩擦槍噴涂時,由于粉末涂料在摩擦噴槍管內與槍壁內的特殊高分子材料(通常是聚四氟乙烯(PTFE)或尼龍)不斷的碰撞、摩擦、接觸、離合,而使槍壁和粉末粒子帶上電量相等、電性相反的電荷,也就是利用摩擦起電原理使粉末帶電的。根據摩擦起電原理,任何比其介電常數高的物質,與其摩擦后均可得到正電荷,且介電常數相差越大,所產生的電荷越多。常用材料的介電常數大小排序為:聚四氟乙烯<聚乙烯<聚丙烯<聚氯乙烯<聚丙烯睛<硝基纖維素<聚苯乙烯<聚酯樹脂<醋酸纖維素<橡膠<金屬<纖維素<聚乙烯醇<聚酰胺<木材<脲醛樹脂<玻璃<聚醋酸乙烯酯<環氧樹脂<聚甲醛<聚氨酯<聚氧乙烯醚[3]。 常用的槍壁材料PTFE的介電常數為2,通常粉末涂料中的聚酯樹脂的介電常數僅為3.0,兩者的介電常數相差太小,所以沒有明顯的摩擦帶電性。因此常需要加入一些介電常數更高的物質作為摩擦帶電劑來提高摩擦帶電效率,如一些含氮的化合物即能增加粉末粒子摩擦帶電效率。 帶電劑的應用效果評定 對于電暈噴槍的帶電劑,測定它們對體積/表面電阻率ρ值下降的貢獻大小即可評判帶電劑的帶電效果。ρ值的測定需要使用專門的儀器,例如由英國Southampton大學WolfsonElectrostatics研制的粉末電阻測定儀。需要說明的是,ρ值下降越多,粉末的充電/放電效果越好,但并不說明最終粉末涂料的上粉率越高。因為當ρ值下降到1010Ω?m以下時,由于放電過快,可能導致粉末粒子在工件上的不吸附,從而造成上粉差。 對于應用于摩擦槍的摩擦帶電劑,可以簡單通過介電常數的大小定性判斷摩擦帶電效果。也通過測定摩擦產生的電流值μA的增加值來定量評定其效果。一般可使用帶有顯示粉末電流值μA的摩擦槍來進行測定。 另外一種更加直觀、易于操作的評定方法是通過測定粉末最終在工件上的上粉率(powdertransferefficiency,PTE)增加值來評定應用效果。該方法最初由國內童乃斌等人提出的,它既適用于使用電暈噴槍的場合,也適用于使用摩擦噴槍的場合。其具體操作方法描述如下[1]: 帶電劑在電暈噴槍中的作用原理 帶電劑在電暈噴槍中的作用原理 首先將經打磨處理過的樣板用天平精確稱重[Wp1];然后分別稱取按一定方法制備的添加了帶電劑的涂料粉50克,將其噴涂在已準確稱重的上述樣板上直至粉末不能完全被吸附為避免手動產生不必要的誤差,可將噴槍捆綁在支架上固定,試板應完全置于噴槍霧化的范圍內。然后在合適的溫度下將其固化。再次稱重[Wp2],以兩次重量之差[△Wp=Wp2-Wp1]表示上粉率。 用同樣方式作不添加帶電劑的空白試驗得△Wc=Wc2–Wc1,按公式(2)計算上粉率的增加%(PTE%): 顯然,PTE%越高,表明上粉率增加越明顯,即帶電劑的帶電效果越好。
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