真空與常壓靜電噴涂效果對(duì)比

彭成新，何衛(wèi)鋒，譚哲豪，李克天

(1.廣東工業(yè)大學(xué)，廣東廣州 510006;2.運(yùn)豪集團(tuán)公司，廣東東莞 523300)

0 前言

常壓靜電噴涂是在常壓環(huán)境中對(duì)相關(guān)產(chǎn)品表面進(jìn)行噴涂，然而真空靜電噴涂是在真空環(huán)境下進(jìn)行噴涂，同時(shí)它不僅具有能耗低、環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，而且油漆的霧化效果更強(qiáng)，涂層更加光滑和均勻，不會(huì)產(chǎn)生水斑、氣斑或油漆斑點(diǎn)等［1］。真空靜電噴涂是將來(lái)噴涂技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向［2］。近年來(lái)我國(guó)在家電市場(chǎng)、鋼制品行業(yè)的迅猛發(fā)展之下，為噴涂行業(yè)拓寬了行業(yè)發(fā)展之路，并且一度使國(guó)內(nèi)噴涂設(shè)備取得了明顯的技術(shù)進(jìn)步。目前在整個(gè)珠三角工業(yè)區(qū)內(nèi)，水簾柜和無(wú)塵車間是噴涂企業(yè)最常見的輔助設(shè)備［3－4］。在技術(shù)方面，單純的手工噴涂已經(jīng)無(wú)法滿足市場(chǎng)的需求，噴涂已由手工向工業(yè)自動(dòng)化方向發(fā)展。而且自動(dòng)化的程度越來(lái)越高，靜電噴涂和冷噴涂以及熱噴涂技術(shù)是近幾年發(fā)展起來(lái)的新型技術(shù)，在噴涂領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，這種技術(shù)不僅能節(jié)省材料，降低環(huán)境的污染，而且可以使噴涂工藝連續(xù)化、提高成品率，獲得均勻的涂膜厚度［5－6］。本文作者研究驗(yàn)證靜電噴涂技術(shù)應(yīng)用在真空環(huán)境下，看產(chǎn)品的用漆量、光潔度、均勻度以及油漆固化效率是否優(yōu)于常壓。

1 常壓與真空靜電噴涂的工藝過(guò)程及影響因素

靜電噴涂的工作原理［7］，工作時(shí)噴槍、噴盤、噴杯、涂料微粒接負(fù)極，工件接正極并接地，在高壓電源的高電壓作用下，噴槍(或噴盤、噴杯)的端部與工件之間就形成一個(gè)高壓靜電場(chǎng)，油漆微粒所受到的電場(chǎng)力與靜電場(chǎng)的電壓和油漆粒子的帶電量成正比，而與噴槍和工件間的距離成反比，當(dāng)電壓足夠高時(shí)，噴槍端部附近區(qū)域形成空氣電離區(qū)，空氣激烈地離子化和發(fā)熱，使噴槍端部銳邊或極針周圍形成一個(gè)暗紅色的暈圈，在黑暗中能明顯看見，這時(shí)空氣產(chǎn)生強(qiáng)烈的電暈放電，油漆經(jīng)噴嘴霧化后噴出，被霧化的油漆粒子通過(guò)槍口的極針或噴盤、噴杯的邊緣時(shí)因接觸而帶電，當(dāng)經(jīng)過(guò)電暈放電所產(chǎn)生的氣體電離區(qū)時(shí)，將再一次增加其表面電荷密度，這些帶負(fù)電荷的油漆粒子在靜電場(chǎng)作用下，向?qū)O性的工件表面運(yùn)動(dòng)，并被沉積在工件表面上形成均勻的涂膜［8］。靜電噴涂原理示意圖如圖1所示。

圖1 靜電噴涂原理示意圖

從圖1可看出，油漆粒子(設(shè)想油漆粒子為球體)到達(dá)工件表面經(jīng)歷3個(gè)階段［9－10］，分別是粒子剛離開噴槍時(shí)、油漆粒子霧化之后、油漆粒子吸附到工件表面上之后，真空靜電噴涂與常壓靜電噴涂最大的區(qū)別是有無(wú)介質(zhì)。下面分析這三個(gè)階段，油漆從油漆罐到工件表面上的受力以及有哪些影響因素。

第一階段油漆粒子剛離開噴槍時(shí)，粒子團(tuán)受到電磁力和重力的作用，同時(shí)油漆粒子之間有內(nèi)聚力，它是由油漆粒子之間相互作用形成，當(dāng)油漆粒子即將飛出噴槍噴頭時(shí)，立刻帶上了負(fù)電荷，由于電荷極性相同，粒子團(tuán)之間也產(chǎn)生了排斥力，一旦油漆粒子帶電量達(dá)到一定的限度，兩個(gè)力就可以相互抵消一部分，這時(shí)排斥力就決定了油漆粒子的霧化程度，使得粒子團(tuán)被分裂成多個(gè)小的粒子團(tuán)，粒子團(tuán)的大小就決定了油漆霧化的好壞。此階段真空與常壓無(wú)區(qū)別，油漆的黏度和帶電量是決定粒子運(yùn)動(dòng)狀況的主要因素。

第二階段油漆粒子霧化之后，在常壓條件下，粒子團(tuán)受電場(chǎng)力、重力、慣性力、黏滯力、離子風(fēng)力、浮力等的作用［11］。由于油漆粒子的內(nèi)力已經(jīng)處于平衡狀態(tài)，此階段油漆粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)由電場(chǎng)力和浮力決定。在真空條件下，由于密閉容器里沒有阻礙介質(zhì)(密度為零)，油漆粒子就不受浮力的作用，這個(gè)階段可理解成在常壓下油漆粒子走不規(guī)則的曲線，真空下油漆粒子走光滑的直線或光滑的曲線，最后電場(chǎng)力和浮力決定粒子運(yùn)動(dòng)狀況的主要因素。

第三階段油漆粒子吸附到工件表面上之后，在常壓和真空條件下，粒子團(tuán)都受電場(chǎng)力、庫(kù)侖力、黏滯力、范氏力、重力的作用，只有當(dāng)附著力大于重力時(shí)，工件表面不會(huì)出現(xiàn)聚油情況，不然會(huì)產(chǎn)生通常說(shuō)的光潔度差或流掛等現(xiàn)象，由于在常壓條件下，空氣介質(zhì)的存在，導(dǎo)致噴槍口和產(chǎn)品周圍的溫度不恒定，會(huì)造成產(chǎn)品表面上油漆的固化效率不一樣，最后此階段油漆粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)主要由附著力、黏度及工件表面形狀決定［12］。

2 噴涂對(duì)比實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及其材料

設(shè)備:噴涂缸體、高壓靜電發(fā)生器、靜電噴槍(30～150 mL/min)、真空泵、離心泵、管道、閥門、壓縮空氣、空氣過(guò)濾器、油漆、油漆固化劑含量(65%)、開油水含量(44.8%)、烘烤爐等［14］。

樣板:1/18合金工件(252個(gè))。

輔助材料:超聲波清洗器、電子秤、放大鏡、溫度計(jì)、推車。

參數(shù)設(shè)置:(1)噴涂參數(shù)的設(shè)置，常壓條件下真空度為常壓，真空條件下真空度為0.06～0.08 MPa，其他參數(shù)設(shè)置相同，比如靜電壓40～60 kV、靜電噴涂的距離300 mm、溫度26℃霧化氣壓0.2～0.4 MPa、扇形氣壓0.2～0.4 MPa、電流85μΑ、噴涂時(shí)間320～560 s、噴涂溫度20～30℃。

(2)烘烤參數(shù)的設(shè)置，真空條件下真空度保持為0.05～0.07 MPa，常壓條件下真空度為常壓，真空和常壓烘烤過(guò)程總共分為3階段，第一階段為烘烤時(shí)間為120 s，溫度為80℃;第二階段為烘烤時(shí)間為180 s，溫度為110℃;第三階段為烘烤時(shí)間為240 s，溫度為140℃。

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

噴涂步驟如圖2所示。

圖2 噴涂步驟圖

2.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)上述分析，油漆粒子到達(dá)工件表面上總共經(jīng)歷了3個(gè)階段，下面分別在真空和常壓條件下進(jìn)行噴涂試驗(yàn)，改變噴涂參數(shù)(如真空度、靜電電壓、涂漆量、霧化和霧化氣壓等)，對(duì)油漆的用量、產(chǎn)品表面的均勻度、還有塵點(diǎn)個(gè)數(shù)之間進(jìn)行對(duì)比［15］。表1是試驗(yàn)產(chǎn)品為1/18合金車模。

表1 1/18合金車模油漆噴涂效果的對(duì)比

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

首先選取參數(shù)真空度、靜電電壓、霧化和扇形氣壓、油漆的用量、塵點(diǎn)個(gè)數(shù)，進(jìn)行歸一化處理，數(shù)據(jù)歸一化的目的是將不同量綱和不同數(shù)量級(jí)大小的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成可以相互進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算的具有相同量綱和相同數(shù)量級(jí)的數(shù)據(jù)。對(duì)于樣本數(shù)據(jù)歸一化后的樣本數(shù)據(jù)x(n)，可以采用最大最小值法，最大最小值法用于將樣本數(shù)據(jù)歸一化到［0，1］范圍內(nèi)，公式如下所示:

最后對(duì)以上數(shù)據(jù)歸一化處理，并繪制油漆用量和塵點(diǎn)個(gè)數(shù)的趨勢(shì)圖如圖3、4所示。

圖3 1/18合金車模真空與常壓油漆用量趨勢(shì)圖

圖4 1/18合金車模真空與常壓塵點(diǎn)個(gè)數(shù)趨勢(shì)圖

圖3和圖4為1/18合金車模，真空度從0.100～0.045 MPa、噴涂時(shí)間為320 s、靜電電壓為50 kV、涂漆量為110 mL/min、霧化和扇形氣壓分別為0.3 MPa條件下，得出的油漆的用量和塵點(diǎn)個(gè)數(shù)趨勢(shì)圖。

綜合表1和圖3、4可知，在常壓(0.1 MPa)條件下，產(chǎn)品表面有橙皮，尾部地方還有輕微的聚油現(xiàn)象，然而在真空環(huán)境下，產(chǎn)品表面幾乎沒橙皮，尾部也不聚油。從圖3、4可以看出，當(dāng)噴涂時(shí)間、霧化氣壓、扇形氣壓、靜電電壓相同的條件下，唯一不同的是真空度，在真空度為0.06～0.07 MPa之間，塵點(diǎn)個(gè)數(shù)和油漆用量都少于其他真空度數(shù)值下，即工廠目前采用的真空度為0.65 MPa，所以在真空條件下油漆的用漆量、光潔度、均勻度以及快速固化效率優(yōu)于常壓。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜合上述分析得出，選取合適的參數(shù)如真空度、靜電電壓、霧化氣壓、扇形氣壓、油漆的固化劑等，優(yōu)化了油漆粒子運(yùn)動(dòng)的三階段，有利于提高油漆的利用率，從而降低成本，減少了環(huán)境的污染，因此真空靜電噴涂技術(shù)必然會(huì)成為涂裝行業(yè)的重要發(fā)展方向。

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