油漆涂裝工藝中物理學的運用

周麗梅(四川泛華航空儀表電器有限公司，四川 成都 610500)

0 引言

當下油漆涂裝的發展趨勢是越來越綠色環保，因此傳統的油漆工藝也由溶劑型逐漸發展演變為水性漆。此外，涂裝的工序也不斷優化，涂裝效率不斷提高，而人力物力成本逐步降低。了解油漆涂裝中的物理學能夠對油漆涂裝工藝有更加全面的認知，對相關技術人員而言，掌握其中的物理學知識能夠提高自身的專業素養和綜合能力。

1 常見油漆涂裝工藝

1.1 輥涂

輥涂的應用原理是將轉輥作為涂料載體，當涂料在轉輥表面形成具有一定厚度的濕膜之后通過與被涂物的接觸進而完成涂裝。作為在實際生活中應用最廣泛的油漆涂裝工藝，輥涂通常被用在金屬板、膠合板等構件的涂裝。

1.2 空氣噴涂(噴槍加壓縮空氣)

空氣噴涂是當下最為常見的油漆涂裝工藝之一，其具體工作原理是讓壓縮空氣所形成的氣流通過噴槍噴嘴形成負壓，負壓能夠從吸管中吸入油漆材料，再經由噴嘴噴出之后以噴霧的形式噴射到被涂物上，空氣噴槍結構入圖1 所示。

圖1 空氣噴槍結構

1.3 靜電噴涂

靜電噴涂的工作原理是通過高壓靜電電場讓涂料顆粒定向運動進而使得涂料附著在被涂物表面。目前常用的靜電噴涂設備包含了噴槍、噴杯等組件，靜電噴槍結構如圖2 所示。

1.4 電泳噴涂

電泳涂裝的工作原理是通過外加電場讓顏料和樹脂微粒進行定向遷移，使得這些微粒能夠沉積在基地表面進而完成涂裝，在水性漆料得到廣泛應用的當下，電泳涂裝具有十分積極的

圖2 靜電噴槍結構

意義，作為一種特殊的涂膜形成手段具備著無毒、能夠實現自動化等優勢，現階段被普遍應用于汽車制造、家電生產等行業。

1.5 高壓無空氣噴涂

高壓無空氣噴涂的原理是通過高壓柱塞泵對油漆進行加壓，使得油漆能夠在高壓力的情況下噴出槍口，利用霧化氣流在被涂物表面沉積。與有氣噴涂的方式相比，無氣噴涂能夠被用于高粘度油漆的涂裝之中，同時由于能夠實現邊緣清晰的涂裝效果，因此也可以備用有邊界要求的涂裝工程，不同氣壓噴涂方式的效率如圖3 所示。

圖3 氣壓噴涂方式的效率

在具體的分類上，可以按照涂裝中使用的機械類型氛圍氣動式無氣噴涂機、電動式無氣噴涂機以及內燃式無氣噴涂機等多種類型。

2 典型的物理學應用涂裝工序

2.1 陰極電泳

電泳涂裝這一工序中有非常明顯的物理學應用，從電泳噴涂的工作原理可以發現電場力在涂裝中的過程中發揮著十分重要的作用。而電場力就是典型的物理概念。利用電場力來進行油漆噴涂能夠保證涂層的致密性和均一性。以電泳噴涂在汽車車身涂裝中的應用為例，在進行涂裝時電沉積這一過程時間的不斷增減，漆膜的厚度也會不斷增加，因此面臨的電阻也不斷提高，這個過程會一直持續到汽車車身變成完全絕緣的狀態。為了保證電泳噴涂的效果和質量就需要對電泳樹脂、顏料以及溶劑等相關材料做好檢查工作，并且結合電壓、電導率等因素進行全面綜合的考量。

電導率能夠在很大程度上反映出電泳噴涂中顏料和樹脂微粒的移動狀態以及通電的水平，在汽車車身的電泳噴涂中，電泳槽液的電導度會受到一定程度的影響，因此在預處理之后的車身被放置到電泳槽之后，車身和電泳槽液間存在著非常高的電位差，當車身不斷下行時電流會不斷加大，電泳涂層不斷在車身表面沉積，這種情況下電阻也會不斷的提高，因此電位差會呈現出不斷減小的狀態，在這種情況下電流也會逐步減小，最終成為殘余電流。

2.2 油漆噴涂

現階段在汽車車身的油漆噴涂中單色漆通常使用的是100%ESTA 噴涂。而金屬漆則較為復雜，是將 ESTA 和Spraymate空氣噴涂這二者相結合，需要注意的是，在金屬漆的噴涂方式中，前者對油漆利用率可以達到90%，而后者的利用率通常在31%～40%之間。油漆噴涂的效果需要從光學和電場這兩個物理學概念進行評價。油漆微粒是油漆噴涂中的關鍵要素，而許多因素都會對油漆微粒在電場中的運動產生影響，比如質量、慣性、空氣流動等物理因素。目前在進行油漆噴涂時通常是往復機噴涂以及機器人噴涂這兩種模式，這兩種噴涂方式都可以分為靜電高轉速旋杯噴涂以及自動氣噴槍這兩步驟，這其中高速旋杯靜電噴涂需要力、轉速與電的高效配合，這三者的工作都需要物理學的支撐，利用強離心力與靜電力進而將涂料霧化完成油漆噴涂。

3 物理學在油漆涂裝中的具體實踐

3.1 力的物理運用

在油漆涂裝中，位于噴杯內壁的材料通過快速旋轉產生的離心力被運送到噴口，再借由機械的作用力來完成油漆材料的霧化，霧化之后的油漆材料又在電壓和空氣的作用下完成附著沉積到被涂物表面，完成油漆涂裝。在這一過程中，電壓值是影響涂裝效果的重要因素，而影響噴射形狀和油漆微粒運動速度的主要因素是成形空氣。影響油漆微粒運行估計的決定因素包括了成形空氣的充足程度、噴杯所選擇的結構形狀以及空氣壓力的強度等，種種因素都是力在油漆涂裝中的物理運用。

3.2 轉速的物理性

轉速的物理性在油漆涂裝中也十分常見，當噴杯轉速逐漸提高時，通常情況下線狀霧化也會逐漸轉變為片層狀或者是渦輪狀多片式的霧化形式，當轉化為多片式霧化形式后油漆微粒將不會出現衰變。換言之，在噴杯的轉速超過20000r/min 之后，線狀霧化會逐步完成向片狀霧化的轉變，油漆微粒不會發生衰變的情況，而相較之下片狀霧化的油漆微粒分布范圍大于現狀 霧化中的油漆微粒的分布范圍。

綜上可以發現，轉速能夠對油漆涂裝的效果產生直接的影響。當噴杯轉速達到20000r/min 之后油漆微粒不會發生衰變，而達到25000r/min 之后，油漆微粒的粒徑不斷減小，但是減小的變化幅度逐漸平緩。隨著轉速的不斷增加，油漆材料霧化的密度逐漸減小，材料之中的溶劑的揮發速度不斷增加，在這種情況下需要基于氣溫噴房的溫度并結合轉速的實際情況來適時、科學、謹慎地添加高沸點溶劑。

此外，隨著轉速的不斷提高，離心力也會不斷加大，而此時如果其他參數沒有發生變化，那么質量或者粒徑相對較大的顏料鋁粉會更容易被甩出原本所規劃的噴涂軌跡，這種現象能夠在很大程度上保證油漆涂裝的遮蓋性和流平性，另一方面，這種現象又會推動油漆制造商加強研發，提高油漆微粒的加工工藝。

3.3 電的物理運用

電荷會對漆膜的結構產生影響，即不同的油漆涂裝工藝所形成的漆膜不同是由于電荷存在差異。通過高速靜電旋杯噴涂所形成的噴霧會在電荷力的作用之下出現局部動力不足的情況，進而影響到噴涂效果，導致效應顏料的定向不能夠平鋪排列。與之相比，空氣噴涂則能夠保證理想排列的效果。

現階段在油漆涂裝工藝中常見的加壓方式有直接和間接加壓這兩種，在進行噴漆加壓方式的選擇時應該基于油漆水性與溶劑類型這兩方面。當采用直接加壓的噴漆加壓方式時，加壓的電極應該是旋杯的折角；當采用間接加壓的噴漆加壓方式時，加壓的電極需要以環狀的形式圍繞于噴杯的杯體外圍。

此外，不同加壓方式中“涂料霧化”與“高壓”兩個環節的運作順序也存在著差異。當采用間接加壓的方式時，應該先進行涂料霧化再利用靜電高壓從而使得涂料帶電；當采用直接加壓的方式時，兩個步驟應該同時進行。

通常情況下，水性漆與溶劑型漆這二者之間的電阻數值差異較大，前者一般不超過0.1MΩ，后者一般在0.5～20MΩ 的范圍內。介電常數是用于描述統一電容器內不同狀態下電容的比值，具體而言是以某種物質為電介質，這時電容C 與真空狀態下的C0的比值。介電常數能夠反映出介電質在電場中儲存靜電能的相對能力，介電常數與絕緣性能和電阻率呈現出反向相關的關系，當介電常數越小時意味著該物質絕緣性能越優，電阻率也越高。由于水的介電常數很大，所以水性漆的絕緣性能較差，即水性漆具有很好的導電性。

4 結語

油漆涂裝在現代產品制造中發揮著十分重要的作用，是其中不可或缺的一個環節，隨著生產制造業的更新升級，油漆涂裝工藝的技術水平也實現了長足的進步，不僅涂裝方式更加先進，油漆材料也更加綠色環保，而力、轉速、電等物理學知識和技能在尤其涂裝工藝中應用十分廣泛，因此提升對油漆涂裝工藝中的物理學認知，有助于推動油漆涂裝工藝更好地向前發展。