真空与常压静电喷涂效果对比

2015-04-26彭成新何卫锋谭哲豪李克天

机床与液压 2015年3期

彭成新，何卫锋，谭哲豪，李克天

(1.广东工业大学，广东广州 510006;2.运豪集团公司，广东东莞 523300)

0 前言

常压静电喷涂是在常压环境中对相关产品表面进行喷涂，然而真空静电喷涂是在真空环境下进行喷涂，同时它不仅具有能耗低、环保的优点，而且油漆的雾化效果更强，涂层更加光滑和均匀，不会产生水斑、气斑或油漆斑点等［1］。真空静电喷涂是将来喷涂技术发展的一个重要方向［2］。近年来我国在家电市场、钢制品行业的迅猛发展之下，为喷涂行业拓宽了行业发展之路，并且一度使国内喷涂设备取得了明显的技术进步。目前在整个珠三角工业区内，水帘柜和无尘车间是喷涂企业最常见的辅助设备［3－4］。在技术方面，单纯的手工喷涂已经无法满足市场的需求，喷涂已由手工向工业自动化方向发展。而且自动化的程度越来越高，静电喷涂和冷喷涂以及热喷涂技术是近几年发展起来的新型技术，在喷涂领域有广泛的应用，这种技术不仅能节省材料，降低环境的污染，而且可以使喷涂工艺连续化、提高成品率，获得均匀的涂膜厚度［5－6］。本文作者研究验证静电喷涂技术应用在真空环境下，看产品的用漆量、光洁度、均匀度以及油漆固化效率是否优于常压。

1 常压与真空静电喷涂的工艺过程及影响因素

静电喷涂的工作原理［7］，工作时喷枪、喷盘、喷杯、涂料微粒接负极，工件接正极并接地，在高压电源的高电压作用下，喷枪(或喷盘、喷杯)的端部与工件之间就形成一个高压静电场，油漆微粒所受到的电场力与静电场的电压和油漆粒子的带电量成正比，而与喷枪和工件间的距离成反比，当电压足够高时，喷枪端部附近区域形成空气电离区，空气激烈地离子化和发热，使喷枪端部锐边或极针周围形成一个暗红色的晕圈，在黑暗中能明显看见，这时空气产生强烈的电晕放电，油漆经喷嘴雾化后喷出，被雾化的油漆粒子通过枪口的极针或喷盘、喷杯的边缘时因接触而带电，当经过电晕放电所产生的气体电离区时，将再一次增加其表面电荷密度，这些带负电荷的油漆粒子在静电场作用下，向导极性的工件表面运动，并被沉积在工件表面上形成均匀的涂膜［8］。静电喷涂原理示意图如图1所示。

图1 静电喷涂原理示意图

从图1可看出，油漆粒子(设想油漆粒子为球体)到达工件表面经历3个阶段［9－10］，分别是粒子刚离开喷枪时、油漆粒子雾化之后、油漆粒子吸附到工件表面上之后，真空静电喷涂与常压静电喷涂最大的区别是有无介质。下面分析这三个阶段，油漆从油漆罐到工件表面上的受力以及有哪些影响因素。

第一阶段油漆粒子刚离开喷枪时，粒子团受到电磁力和重力的作用，同时油漆粒子之间有内聚力，它是由油漆粒子之间相互作用形成，当油漆粒子即将飞出喷枪喷头时，立刻带上了负电荷，由于电荷极性相同，粒子团之间也产生了排斥力，一旦油漆粒子带电量达到一定的限度，两个力就可以相互抵消一部分，这时排斥力就决定了油漆粒子的雾化程度，使得粒子团被分裂成多个小的粒子团，粒子团的大小就决定了油漆雾化的好坏。此阶段真空与常压无区别，油漆的黏度和带电量是决定粒子运动状况的主要因素。

第二阶段油漆粒子雾化之后，在常压条件下，粒子团受电场力、重力、惯性力、黏滞力、离子风力、浮力等的作用［11］。由于油漆粒子的内力已经处于平衡状态，此阶段油漆粒子的运动状态由电场力和浮力决定。在真空条件下，由于密闭容器里没有阻碍介质(密度为零)，油漆粒子就不受浮力的作用，这个阶段可理解成在常压下油漆粒子走不规则的曲线，真空下油漆粒子走光滑的直线或光滑的曲线，最后电场力和浮力决定粒子运动状况的主要因素。

第三阶段油漆粒子吸附到工件表面上之后，在常压和真空条件下，粒子团都受电场力、库仑力、黏滞力、范氏力、重力的作用，只有当附着力大于重力时，工件表面不会出现聚油情况，不然会产生通常说的光洁度差或流挂等现象，由于在常压条件下，空气介质的存在，导致喷枪口和产品周围的温度不恒定，会造成产品表面上油漆的固化效率不一样，最后此阶段油漆粒子的运动状态主要由附着力、黏度及工件表面形状决定［12］。

2 喷涂对比实验

2.1 实验设备及其材料

设备:喷涂缸体、高压静电发生器、静电喷枪(30～150 mL/min)、真空泵、离心泵、管道、阀门、压缩空气、空气过滤器、油漆、油漆固化剂含量(65%)、开油水含量(44.8%)、烘烤炉等［14］。

样板:1/18合金工件(252个)。

辅助材料:超声波清洗器、电子秤、放大镜、温度计、推车。

参数设置:(1)喷涂参数的设置，常压条件下真空度为常压，真空条件下真空度为0.06～0.08 MPa，其他参数设置相同，比如静电压40～60 kV、静电喷涂的距离300 mm、温度26℃雾化气压0.2～0.4 MPa、扇形气压0.2～0.4 MPa、电流85μΑ、喷涂时间320～560 s、喷涂温度20～30℃。

(2)烘烤参数的设置，真空条件下真空度保持为0.05～0.07 MPa，常压条件下真空度为常压，真空和常压烘烤过程总共分为3阶段，第一阶段为烘烤时间为120 s，温度为80℃;第二阶段为烘烤时间为180 s，温度为110℃;第三阶段为烘烤时间为240 s，温度为140℃。

2.2 实验步骤

喷涂步骤如图2所示。

图2 喷涂步骤图

2.3 实验数据

根据上述分析，油漆粒子到达工件表面上总共经历了3个阶段，下面分别在真空和常压条件下进行喷涂试验，改变喷涂参数(如真空度、静电电压、涂漆量、雾化和雾化气压等)，对油漆的用量、产品表面的均匀度、还有尘点个数之间进行对比［15］。表1是试验产品为1/18合金车模。

表1 1/18合金车模油漆喷涂效果的对比

2.4 实验结果分析

首先选取参数真空度、静电电压、雾化和扇形气压、油漆的用量、尘点个数，进行归一化处理，数据归一化的目的是将不同量纲和不同数量级大小的数据转变成可以相互进行数学运算的具有相同量纲和相同数量级的数据。对于样本数据归一化后的样本数据x(n)，可以采用最大最小值法，最大最小值法用于将样本数据归一化到［0，1］范围内，公式如下所示:

最后对以上数据归一化处理，并绘制油漆用量和尘点个数的趋势图如图3、4所示。

图3 1/18合金车模真空与常压油漆用量趋势图

图4 1/18合金车模真空与常压尘点个数趋势图

图3和图4为1/18合金车模，真空度从0.100～0.045 MPa、喷涂时间为320 s、静电电压为50 kV、涂漆量为110 mL/min、雾化和扇形气压分别为0.3 MPa条件下，得出的油漆的用量和尘点个数趋势图。

综合表1和图3、4可知，在常压(0.1 MPa)条件下，产品表面有橙皮，尾部地方还有轻微的聚油现象，然而在真空环境下，产品表面几乎没橙皮，尾部也不聚油。从图3、4可以看出，当喷涂时间、雾化气压、扇形气压、静电电压相同的条件下，唯一不同的是真空度，在真空度为0.06～0.07 MPa之间，尘点个数和油漆用量都少于其他真空度数值下，即工厂目前采用的真空度为0.65 MPa，所以在真空条件下油漆的用漆量、光洁度、均匀度以及快速固化效率优于常压。