靜電噴涂上粉率影響因素的研究也有不少的因素

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• 文/陳文龍、胡永軍、劉黃平、劉暢（1.廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院；2.）

  摘要：為了研究粉末涂料性能對(duì)靜電噴涂粉末涂裝率的影響，采用掃描電子顯微鏡、X射線衍射儀、電感耦合等方法對(duì)三種不同商品粉末涂料的微觀形貌、物理性能和物理性能進(jìn)行了分析。等離子發(fā)射光譜儀和激光粒度分析儀。表征了相結(jié)構(gòu)、組分（顏料與基礎(chǔ)的比率）和粒度分布；在相同的噴涂工藝下，測(cè)試了三種市售粉末涂料的一次性粉末噴涂率和粉末死角噴涂率。通過(guò)對(duì)比分析，總結(jié)出影響裝粉率的主要因素，討論了高裝粉率粉末涂料應(yīng)具備的特性參數(shù)。結(jié)果表明，粉末涂料的平均粒徑和色漿比是影響一次性粉末涂裝率的主要因素。然而，粉末涂料中超細(xì)粉末（≤10 μm）的含量是影響粉末涂裝死角率的重要因素。當(dāng)粉體35 μm≤Dr(50)≤45 μm，Dr(95)≤75 μm，色母比接近3:4時(shí)，較高的上粉率可獲得。粉末涂料中超細(xì)粉（≤10μm）的含量是影響粉末涂裝死角率的重要因素。當(dāng)粉體35 μm≤Dr(50)≤45 μm，Dr(95)≤75 μm，色母比接近3:4時(shí)，較高的上粉率可獲得。粉末涂料中超細(xì)粉（≤10μm）的含量是影響粉末涂裝死角率的重要因素。當(dāng)粉體35 μm≤Dr(50)≤45 μm，Dr(95)≤75 μm，色母比接近3:4時(shí)，較高的上粉率可獲得。

  關(guān)鍵詞：粉末涂料特性；靜電噴涂；平均粒徑；顏料與堿的比例；出粉率

  0 前言

  靜電粉末噴涂技術(shù)具有工藝簡(jiǎn)單、產(chǎn)量高、能耗低、綠色環(huán)保等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于鋁合金型材的表面處理[1]。據(jù)中國(guó)有色金屬加工協(xié)會(huì)2018年統(tǒng)計(jì)，在需要進(jìn)行表面處理的鋁擠壓材中，粉末涂料約為1004萬(wàn)噸，占比65%。因此，用于靜電粉末涂料的粉末涂料的需求不斷增加，粉末涂料以每年10%以上的速度增長(zhǎng)[2]。對(duì)于粉末涂料生產(chǎn)廠家（如）來(lái)說(shuō)，除了關(guān)注涂料的力學(xué)性能和外觀外，最重要的是生產(chǎn)成本，即 型材單位面積的粉體消耗量（粉率），所以粉體涂裝率就成了廠家。以及用戶共同關(guān)心的問(wèn)題。目前，關(guān)于靜電粉末噴涂成粉率的影響因素研究較多。例如，劉紅等人。[2]根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程中的測(cè)試數(shù)據(jù)，討論了影響粉末涂料成粉率的因素，包括粉末粒徑、介電常數(shù)、噴涂工藝等。劉偉等人。[3]分析了影響靜電粉末噴涂一次涂粉率的主要因素，包括粉末顆粒的帶電量、噴涂工藝、被噴涂工件的接地電阻。崔志明等。[4] 重點(diǎn)研究了噴涂工藝和噴涂設(shè)備對(duì)出粉率的影響，包括壓縮空氣、噴房設(shè)計(jì)、粉末回收系統(tǒng)、噴槍類型等。[5]討論了影響靜電噴涂死區(qū)粉末裝載率的因素，包括粉末充電效應(yīng)和法拉第籠效應(yīng)。同時(shí)還提出了提高死區(qū)出粉率的具體措施，包括添加超細(xì)硫酸鋇填料、添加0.1%-0.6%有機(jī)銨鹽添加劑、添加合適粒徑的氧化鋁外混助劑，可有效提高死角出粉率。以上研究大多是根據(jù)生產(chǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)分析影響上粉率的因素，主要來(lái)自噴涂工藝和噴涂設(shè)備，針對(duì)粉末涂料特性的研究較少，沒(méi)有對(duì)粉末涂料特性進(jìn)行系統(tǒng)的表征和對(duì)比分析。另外，對(duì)于粉末涂裝率的影響因素，只考慮一種涂裝率，或者只考慮死角的涂裝率。

  本研究基于粉末涂料的性能，首先系統(tǒng)地表征和比較了三種不同商業(yè)粉末涂料的性能。然后，測(cè)試了三種粉末涂料的粉末施用率（包括一次施用率和死角粉末施用率）。通過(guò)對(duì)比分析，總結(jié)并討論了影響靜電粉末噴涂一次上粉率和死角上粉率的主要因素。高粉末裝載率應(yīng)具有的粉末涂料特性。

  1 實(shí)驗(yàn)部分

  1.1 實(shí)驗(yàn)材料

  選擇A、B兩家粉末涂料廠家的三種粉末涂料（均為聚酯型）作為實(shí)驗(yàn)原料，型號(hào)分別為7041（砂紋深灰色）、7069（砂紋黑色）、9003（高光白色） ）。它們被記錄為 A[1]7041、A-7069、A-9003、B-7041、B-7069、B-9003。

  1.2 粉體表征設(shè)備

  掃描電子顯微鏡（JXA-8100）：日本電子；能譜儀（Oxford-X-Max-20）：牛津，英國(guó)；X 射線衍射儀（Smartlab3）：日本理學(xué)） )；電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（Agilent7700S）：Agilent，美國(guó)；激光粒度分析儀（Mastersizer3000）：Malvern，UK；鋁合金樣品（6061矩形鋁合金板，12cm×7cm））：；靜電噴涂和回收系統(tǒng)：。

  1.3 出粉率測(cè)試

  靜電噴粉一次出粉率測(cè)試步驟如下：首先對(duì)鋁合金試板進(jìn)行預(yù)噴涂處理（水洗-脫脂脫脂-酸洗蝕刻-3次純水洗-無(wú)鉻鈍化-滴干），然后用精密電子天平稱量質(zhì)量（精確到0.0001g），然后將試板掛在樣品架上進(jìn)行噴涂固化處理。靜電噴涂工藝及固化參數(shù)如表1所示。最后，再次對(duì)固化后的樣品進(jìn)行精確稱重，計(jì)算噴涂前后樣品的單位面積質(zhì)量增益。

  

  為了準(zhǔn)確測(cè)量死角的裝粉率，設(shè)計(jì)了一套死角裝粉率的測(cè)試工裝，如圖1所示。測(cè)試工裝材料為鋁合金，寬度和深度矩形槽為10cm，長(zhǎng)度為50cm。測(cè)試步驟如下：首先對(duì)鋁合金試板進(jìn)行預(yù)處理，然后用精密電子天平稱重質(zhì)量，然后將3個(gè)平行的鋁合金試板均勻均勻地安裝在罐內(nèi)，安裝3個(gè)平行的鋁合金罐外兩側(cè)的試板。. 靜電噴涂工藝及固化參數(shù)見(jiàn)表1。在噴涂過(guò)程中，測(cè)試工具固定在噴涂車間的移動(dòng)鏈條上，噴槍垂直于樣品表面上下移動(dòng)，噴涂距離保持在150mm。待試樣凝固冷卻后，將鋁合金試樣取出罐外再次稱重，計(jì)算罐內(nèi)三個(gè)鋁合金平行試樣的單位面積質(zhì)量增加的平均值，計(jì)算為作為米；同時(shí)計(jì)算罐外6個(gè)鋁合金樣品。合金平行試樣的單位面積增重平均值計(jì)算為Mo。最后用Mi除以Mo，得到靜電粉末噴涂死角上的出粉率S，可以用公式表示(1). 取出罐外鋁合金試樣再次稱重，計(jì)算罐內(nèi)三個(gè)鋁合金平行試樣的單位面積質(zhì)量增加的平均值，計(jì)算為Mi；同時(shí)計(jì)算罐外6個(gè)鋁合金樣品。合金平行試樣的單位面積增重平均值計(jì)算為Mo。最后用Mi除以Mo，得到靜電粉末噴涂死角上的出粉率S，可以用公式表示(1). 取出罐外鋁合金試樣再次稱重，計(jì)算罐內(nèi)三個(gè)鋁合金平行試樣的單位面積質(zhì)量增加的平均值，計(jì)算為Mi；同時(shí)計(jì)算罐外6個(gè)鋁合金樣品。合金平行試樣的單位面積增重平均值計(jì)算為Mo。最后用Mi除以Mo，得到靜電粉末噴涂死角上的出粉率S，可以用公式表示(1).

  其中：0

  2 結(jié)果與討論

  2.1 粉末涂料的表征

  2.1.1 粉末涂料的微觀形貌

  7041型、7069型和9003型粉末涂料的微觀形貌如圖2所示，均為背散射電子圖像。

  

  從圖2可以看出，不同廠家生產(chǎn)的三種粉末涂料均呈現(xiàn)出大小不一的不規(guī)則形狀，且大部分粉末顆粒呈灰色。用能譜儀分析灰色部分的成分。主要元素是C、O和Ti?？梢酝茢?，灰色部分主要是聚酯樹(shù)脂和顏料（二氧化鈦TiO2/炭黑）。同時(shí)，每個(gè)粉末顆粒都清晰可見(jiàn)。表面甚至內(nèi)部都覆蓋著大量厚度不均的白色顆粒。白色顆粒的成分分析表明，它們主要含有Ba、S和O元素，因此可以推斷白色部分主要是填料BaSO4。

  2.1.2粉末涂料的相結(jié)構(gòu)

  7041型、7069型和9003型粉末涂料的X射線衍射光譜見(jiàn)圖3。

  

  從圖3可以看出，不同廠家生產(chǎn)的三種粉末涂料的衍射圖譜中，有BaSO4（填料）和TiO2（二氧化鈦）的衍射峰。所有三種粉末涂料均含有 BaSO4 相和 TiO2 相?？梢钥闯觯懊鎸?duì)圖2的推論是正確的。已知 9003 粉末涂料是白色的，因此 9003 粉末涂料中的 TiO2 相衍射峰高于 7041 和 7069 粉末涂料，如圖 3(c) 所示。7041和7069粉末涂料接近黑色，但在7041和7069粉末涂料的衍射圖中沒(méi)有出現(xiàn)結(jié)晶碳的衍射峰，說(shuō)明7041和7069粉末涂料中添加的顏料炭黑都是無(wú)定形的碳。此外靜電粉末噴槍，從圖3(a)和(b)可以看出，B-7041和B-7069的粉末涂料中出現(xiàn)了少量雜質(zhì)CaCO3相的衍射峰，可能是廠家B在生產(chǎn)過(guò)程中混合或添加的。 7041和7069粉末涂料的制備。填料中混有少量雜質(zhì)。

  2.1.3 粉末涂料組分（顏料與基料的比例）

  為了準(zhǔn)確測(cè)量三種粉末涂料中主要成分的含量，采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測(cè)量了粉末涂料中主要成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，以及每種粉末涂料的顏基比計(jì)算，如表 2 所示。

  

  表2中需要注意的是，由于填料BaSO4是白色的，屬于體質(zhì)顏料，所以測(cè)得的顏基比中的“顏料”包括顏料和填料；“基”是指基材，主要是樹(shù)脂。從表2可以看出，A-7041和A-7069粉末涂料的BaSO4填料含量明顯高于B-7041和B-7069粉末涂料，因此計(jì)算A-7041和A- 7069粉末涂料的比例高于B-7041和B-7069粉末涂料。A-9003和B-9003粉末涂料的填料、顏料和樹(shù)脂含量相似，因此它們的顏基比差別不大。比較廠家A生產(chǎn)的三種粉末涂料的含量，可以看出A-7069粉末涂料的BaSO4含量最高，達(dá)到41.05%，計(jì)算出來(lái)的色母比也最高，接近1:1。由于 A-7041 和 A-9003 粉末涂料的樹(shù)脂含量相近，因此兩者的顏基比接近 3:4。對(duì)比廠家 B 生產(chǎn)的三種粉末涂料的成分含量，可以看出 B-7041 和 B[1]7069 粉末涂料的填料、顏料和樹(shù)脂含量相近，所以顏料基比為B-7041 和 B-7069 類似 2:5。由于 B[1]9003 粉末涂料的 TiO2 和 BaSO4 含量之和高于 B-7041 和 B-7069 粉末涂料，因此 B-9003 的顏料基比更高，接近 2:3。兩者的色母比接近3:4。對(duì)比廠家 B 生產(chǎn)的三種粉末涂料的成分含量，可以看出 B-7041 和 B[1]7069 粉末涂料的填料、顏料和樹(shù)脂含量相近，所以顏料基比為B-7041 和 B-7069 類似 2:5。由于 B[1]9003 粉末涂料的 TiO2 和 BaSO4 含量之和高于 B-7041 和 B-7069 粉末涂料，因此 B-9003 的顏料基比更高，接近 2:3。兩者的色母比接近3:4。對(duì)比廠家 B 生產(chǎn)的三種粉末涂料的成分含量，可以看出 B-7041 和 B[1]7069 粉末涂料的填料、顏料和樹(shù)脂含量相近，所以顏料基比為B-7041 和 B-7069 類似 2:5。由于 B[1]9003 粉末涂料的 TiO2 和 BaSO4 含量之和高于 B-7041 和 B-7069 粉末涂料，因此 B-9003 的顏料基比更高，接近 2:3。

  2.1.4 粉末涂料粒度分布

  采用激光粒度儀測(cè)量粉末涂料的粒度分布，結(jié)果見(jiàn)表3。

  

  不同之處在于A-7041粉末中粗粉（≥75μm）的含量較高，而A-7069粉末涂料中超細(xì)粉末的含量較高。對(duì)比廠家B生產(chǎn)的粉末涂料的粒徑分布可以看出，B-7041粉末涂料的平均粒徑明顯大于B[1]7069和B-9003粉末涂料，但B-9003粉末涂料的超細(xì)粉含量最高，粗粉含量最低。

  2.2 靜電粉末噴涂的施粉率及影響因素比較

  2.2.1 靜電粉末噴涂的施粉率比較

  用單位面積增加量的平均值來(lái)表征靜電粉末噴涂的一次噴粉率，如圖4所示。

  

  從圖4可以看出，A-7041、A-7069、A-9003粉末涂料的上粉率高于對(duì)應(yīng)的B-7041、B-706 9、@ >B-9003 粉末涂料。尤其是A-7069粉末涂料，一次性粉末涂裝率比B-7069粉末涂料高出近40%。從靜電粉末噴涂的原理可以看出，粉末涂料主要是通過(guò)靜電力吸附在試樣表面，然后固化成薄膜。因此，粉末涂料的一次涂粉率應(yīng)與粉末顆粒的帶電量呈正相關(guān)。由庫(kù)侖定律可知，粉末顆粒的帶電量與粉末粒徑的關(guān)系可以用公式（

  表明除了粉末涂料的平均粒徑因素外，還有其他因素會(huì)影響一次粉末涂裝率。比較A-7041和B[1]7041的粒徑分布可知，雖然兩者的平均粒徑相同，但A[1]7041中粗粉的含量明顯高于B-7041。由式2可以看出，隨著粉末粒徑的增大，如果過(guò)大，粉末顆粒的電荷會(huì)增加，但同時(shí)粉末顆粒的質(zhì)量也會(huì)相應(yīng)提高，這會(huì)導(dǎo)致超重的粉末顆粒在到達(dá)工件表面之前由于過(guò)大的重力而下落，從而降低了一次裝粉率。得到的A-7041的一次涂粉率高于B-7041，這說(shuō)明影響粉末涂料的一次涂粉率還有其他重要因素。由表2可以看出，A-7041組分中填料BaSO4的含量明顯高于B-7041，A-7041的顏基比高于B-7041。同時(shí)，通過(guò)對(duì)比B-7041和A-9003的特性，發(fā)現(xiàn)兩者的粒徑分布幾乎相同，但A-9003的色漿比高于A-9003。 B-7003。-7041，而圖4中A-9003的一次粉末涂裝率也高于B-7041，因此可以推斷粉末涂料的色母比是影響粉末涂料的主要因素涂料。此外，比較A-7041和A-9003的特性發(fā)現(xiàn)兩者的色母比相同，平均粒徑也相同，但A-7041中粗粉的含量為更高，導(dǎo)致粉末施用率低于 A-9003。比較A-7069和A-9003的特性，兩者A-7069的粒徑分布相近，A-7069的色母比高于A-9003，但一-一次上粉率低于A-9003，說(shuō)明并不是色漿比越高，一次上粉率就越好。但A-7041中粗粉含量較高，導(dǎo)致上粉率低于A-9003。比較A-7069和A-9003的特性，兩者A-7069的粒徑分布相近，A-7069的色母比高于A-9003，但一-一次上粉率低于A-9003，說(shuō)明并不是色漿比越高，一次上粉率就越好。但A-7041中粗粉含量較高，導(dǎo)致上粉率低于A-9003。比較A-7069和A-9003的特性，兩者A-7069的粒徑分布相近，A-7069的色母比高于A-9003，但一-一次上粉率低于A-9003，說(shuō)明并不是色漿比越高，一次上粉率就越好。

  綜上所述，影響靜電粉末噴涂一次涂粉率的主要因素是粉末的平均粒徑和色母比，次要因素是粉末涂料中粗粉的含量，而靜電粉末噴涂的一次涂粉率和平均粒徑。粒徑與色母比之間的關(guān)系不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，即粉末粒徑越大，色母比越高，在一度。根據(jù)本實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析，粉末一次涂裝率較高的粉末涂料特性應(yīng)滿足平均粒徑35μm≤Dr(50)≤45μm, Dr(95)@ >≤75μm,

  2.2.2 靜電粉末噴涂死角裝粉率對(duì)比

  使用公式(1）中的公式計(jì)算靜電粉末噴涂死角的出粉率，如圖5所示。

  

  比較圖 5 中廠商 A 和 B 的粉末涂料的粉末涂層率靜電粉末噴槍，可以看出 A-7041 和 B-7041 以及 A-9003 和 B-9003 的粉末涂層率相當(dāng)（S ≈0.11），但A-7069的粉末涂層率比B-7069粉末涂層高約28%，這也可以從噴涂樣品的宏觀照片中看出圖 6 中 A-7069 和 B-7069 的死角區(qū)域。并且，在死角區(qū)域噴涂 A-7069 的樣品表面顏色較深，說(shuō)明表面沉積的粉末涂料較多，即也就是死角處A-7069的上粉率更好。

  

  B-7041和A-9003的特性對(duì)比分析表明，粉末粒度分布幾乎相同。A-9003的色母比比B-7041高，但死角上的粉是一樣的。因此，色母比不影響靜電粉末噴涂的死角。出粉率的主要因素。對(duì)比A-7041和B-7041，除了色母比不同外，涂料中的粗粉含量也不同，但兩個(gè)死角的裝粉率沒(méi)有區(qū)別，所以粉末涂料中的粗粉含量不影響靜電粉末。率的主要因素。比較A-9003和B[1]9003，兩者的色母比是一樣的，粉末中粗粉含量相同。唯一不同的是A-9003的平均粒徑大于B-9003。差別不大，所以粉末涂料的平均粒徑并不是影響死區(qū)出粉率的主要因素。對(duì)比A-7069和其他粉末涂料的特性可以看出，除了色母比、平均粒徑和粗粉含量的差異外，最大的區(qū)別在于A-中的超細(xì)粉含量7069明顯高于其他粉末涂料。3、可以看出A-7069的D(10)=10.1μm)，即粉末涂料中超細(xì)粉（≤10μm）的含量為10%，而其他粉末涂料中超細(xì)粉的含量為10%。眾所周知，靜電噴涂死區(qū)的形成是由法拉第籠效應(yīng)引起的，使凹槽內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度降低甚至沒(méi)有電場(chǎng)，使帶電粉末顆粒難以沉積[7]。超細(xì)粉末雖然帶電量少，但其重量卻很輕。在粉體載氣的作用下，更容易通過(guò)擾動(dòng)氣流到達(dá)凹槽內(nèi)部，并在弱電場(chǎng)作用下沉積在凹槽底部，從而影響出粉率。靜電粉末噴涂死角。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，在保證靜電粉末噴涂良好的上粉率的情況下，

  3 結(jié)論

  通過(guò)對(duì)三種商業(yè)粉末涂料特性的對(duì)比分析，以及三種粉末涂料的一次性粉末涂裝率和死端粉末涂裝率的對(duì)比試驗(yàn)，本研究重點(diǎn)分析了影響其的主要因素。靜電粉末涂裝的粉末涂裝率，提出提高靜電粉末涂裝率。粉末涂裝率的方法。研究結(jié)果表明，粉末涂料的平均粒徑和顏基比是影響靜電粉末噴涂一次涂裝率的主要因素，但一次涂裝率與平均粒徑之間的關(guān)系靜電粉末涂料的粒徑與色漿比不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。此外，粉末涂料中超細(xì)粉末的含量是影響靜電粉末噴涂死角出粉率的重要因素。為了獲得靜電粉末涂料的高粉末涂裝率，粉末涂料應(yīng)滿足以下特性：35μm≤Dr(50)≤45μm，Dr(95)≤75μm，顏料與基礎(chǔ)的比率接近 3 : 4。

  參考

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