真空與常壓靜電噴涂效果對比

彭成新，何衛鋒，譚哲豪，李克天

(1.廣東工業大學，廣東廣州 510006;2.運豪集團公司，廣東東莞 523300)

0 前言

常壓靜電噴涂是在常壓環境中對相關產品表面進行噴涂，然而真空靜電噴涂是在真空環境下進行噴涂，同時它不僅具有能耗低、環保的優點，而且油漆的霧化效果更強，涂層更加光滑和均勻，不會產生水斑、氣斑或油漆斑點等［1］。真空靜電噴涂是將來噴涂技術發展的一個重要方向［2］。近年來我國在家電市場、鋼制品行業的迅猛發展之下，為噴涂行業拓寬了行業發展之路，并且一度使國內噴涂設備取得了明顯的技術進步。目前在整個珠三角工業區內，水簾柜和無塵車間是噴涂企業最常見的輔助設備［3－4］。在技術方面，單純的手工噴涂已經無法滿足市場的需求，噴涂已由手工向工業自動化方向發展。而且自動化的程度越來越高，靜電噴涂和冷噴涂以及熱噴涂技術是近幾年發展起來的新型技術，在噴涂領域有廣泛的應用，這種技術不僅能節省材料，降低環境的污染，而且可以使噴涂工藝連續化、提高成品率，獲得均勻的涂膜厚度［5－6］。本文作者研究驗證靜電噴涂技術應用在真空環境下，看產品的用漆量、光潔度、均勻度以及油漆固化效率是否優于常壓。

1 常壓與真空靜電噴涂的工藝過程及影響因素

靜電噴涂的工作原理［7］，工作時噴槍、噴盤、噴杯、涂料微粒接負極，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高壓靜電場，油漆微粒所受到的電場力與靜電場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，當電壓足夠高時，噴槍端部附近區域形成空氣電離區，空氣激烈地離子化和發熱，使噴槍端部銳邊或極針周圍形成一個暗紅色的暈圈，在黑暗中能明顯看見，這時空氣產生強烈的電暈放電，油漆經噴嘴霧化后噴出，被霧化的油漆粒子通過槍口的極針或噴盤、噴杯的邊緣時因接觸而帶電，當經過電暈放電所產生的氣體電離區時，將再一次增加其表面電荷密度，這些帶負電荷的油漆粒子在靜電場作用下，向導極性的工件表面運動，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(設想油漆粒子為球體)到達工件表面經歷3個階段［9－10］，分別是粒子剛離開噴槍時、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別是有無介質。下面分析這三個階段，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，粒子團受到電磁力和重力的作用，同時油漆粒子之間有內聚力，它是由油漆粒子之間相互作用形成，當油漆粒子即將飛出噴槍噴頭時，立刻帶上了負電荷，由于電荷極性相同，粒子團之間也產生了排斥力，一旦油漆粒子帶電量達到一定的限度，兩個力就可以相互抵消一部分，這時排斥力就決定了油漆粒子的霧化程度，使得粒子團被分裂成多個小的粒子團，粒子團的大小就決定了油漆霧化的好壞。此階段真空與常壓無區別，油漆的黏度和帶電量是決定粒子運動狀況的主要因素。

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

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，粒子團都受電場力、庫侖力、黏滯力、范氏力、重力的作用，只有當附著力大于重力時，工件表面不會出現聚油情況，不然會產生通常說的光潔度差或流掛等現象，由于在常壓條件下，空氣介質的存在，導致噴槍口和產品周圍的溫度不恒定，會造成產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動狀態主要由附著力、黏度及工件表面形狀決定［12］。

2 噴涂對比實驗

2.1 實驗設備及其材料

設備:噴涂缸體、高壓靜電發生器、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)。

輔助材料:超聲波清洗器、電子秤、放大鏡、溫度計、推車。

參數設置:(1)噴涂參數的設置，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，其他參數設置相同，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、噴涂時間320～560 s、噴涂溫度20～30℃。

(2)烘烤參數的設置，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，真空和常壓烘烤過程總共分為3階段，第一階段為烘烤時間為120 s，溫度為80℃;第二階段為烘烤時間為180 s，溫度為110℃;第三階段為烘烤時間為240 s，溫度為140℃。

2.2 實驗步驟

噴涂步驟如圖2所示。

圖2 噴涂步驟圖

2.3 實驗數據

根據上述分析，油漆粒子到達工件表面上總共經歷了3個階段，下面分別在真空和常壓條件下進行噴涂試驗，改變噴涂參數(如真空度、靜電電壓、涂漆量、霧化和霧化氣壓等)，對油漆的用量、產品表面的均勻度、還有塵點個數之間進行對比［15］。表1是試驗產品為1/18合金車模。

表1 1/18合金車模油漆噴涂效果的對比

2.4 實驗結果分析

首先選取參數真空度、靜電電壓、霧化和扇形氣壓、油漆的用量、塵點個數，進行歸一化處理，數據歸一化的目的是將不同量綱和不同數量級大小的數據轉變成可以相互進行數學運算的具有相同量綱和相同數量級的數據。對于樣本數據歸一化后的樣本數據x(n)，可以采用最大最小值法，最大最小值法用于將樣本數據歸一化到［0，1］范圍內，公式如下所示:

最后對以上數據歸一化處理，并繪制油漆用量和塵點個數的趨勢圖如圖3、4所示。

圖3 1/18合金車模真空與常壓油漆用量趨勢圖

圖4 1/18合金車模真空與常壓塵點個數趨勢圖

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個數趨勢圖。

綜合表1和圖3、4可知，在常壓(0.1 MPa)條件下，產品表面有橙皮，尾部地方還有輕微的聚油現象，然而在真空環境下，產品表面幾乎沒橙皮，尾部也不聚油。從圖3、4可以看出，當噴涂時間、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，塵點個數和油漆用量都少于其他真空度數值下，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于常壓。

3 結束語

綜合上述分析得出，選取合適的參數如真空度、靜電電壓、霧化氣壓、扇形氣壓、油漆的固化劑等，優化了油漆粒子運動的三階段，有利于提高油漆的利用率，從而降低成本，減少了環境的污染，因此真空靜電噴涂技術必然會成為涂裝行業的重要發展方向。

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