周忠尧 鲍远志 翁世兵 ( 六安捷通达新材料有限公司 )
摘要：在日常的生产和生活中，我们经常会遇到一些具有深度凹槽和死角的复杂工件，在静电喷涂过程中出现上粉不好的问题，涂层无法很好的涂覆所有区域，不仅影响工件的美观，而且造成了涂层的防护缺口，影响整个工件的性能以及使用寿命。为了研究和解决凹槽及死角的上粉问题，我们通过自制模拟凹槽工件，重点研究了凹槽上粉助剂、树脂含量、粒径及分布、喷涂工艺参数等因素对深度凹槽上粉效果的影响。通过对各种影响因素的分析，筛选出适宜配方和工艺参数，改进了凹槽工件静电喷涂的上粉效果。
0. 引言
粉末涂料是一种新型的不含溶剂、100%固体粉末状涂料，具有极高的生产效率、优异的涂膜性能、良好的生态环保性和突出的经济性等优点，从而受到业界广泛重视，并成为公认的4E型涂料产品。
便捷高效的粉末静电喷涂工艺是粉末涂料能快速发展的最重要因素之一。静电粉末喷涂的最大特点是实现室温涂覆，粉末回收率高，易自动化，容易形成连续均匀涂层，不受工件大小限制等，因此是应用最为普遍的粉末涂料涂装工艺。
粉末涂料静电喷涂就是利用高压静电电晕电场的原理，在喷枪头部极针接上高压负极，使喷枪和工件之间形成一个较强的静电场。通过压缩空气，将粉末涂料从喷枪中输送出去，并带上负电荷，进入了电场强度很高的静电场，在静电力和压缩空气推动力的双重作用下，粉末均匀地飞向接地工件表面形成厚薄均匀的粉层，再加热固化转化为连续的涂膜。
尽管静电喷涂具有极多的优点，但是在喷涂具有凹槽和死角的复杂的工件(如散热片、电柜等)时，由于受法拉第笼屏蔽效应的影响，粉末无法有效进入到凹槽或死角内部，难以形成连续和符合厚度要求的涂膜。而通过延长喷涂时间则易造成工件外侧涂膜过厚、肥边，甚至出现流挂现象。
本文通过实验初步研究了树脂含量、凹槽上粉助剂、粒径及分布、喷涂工艺参数等因素对静电喷涂时凹槽上粉效果的影响，给出了分析和建议，改善了凹槽上粉效果。
1.实验部分
1.1 主要仪器设备
SLJ-30双螺杆挤出机：烟台东源粉末设备有限公司；EPG2010-C型静电粉末实验喷涂机：安本工业涂装(上海)有限公司；鼓风干燥箱DHG-9140A(250 ℃)：上海一恒科技有限公司；涂膜厚度测试仪QNix4500：德国尼克斯；电子天平YP2001N：上海精密科学仪器有限公司；凹槽模拟件：自制；LS-909型激光粒度仪：珠海欧美克仪器有限公司。
1.2 主要材料
聚酯树脂SJ4ET：安徽神剑新材料有限公司；固化剂TGIC：黄山华惠科技有限公司；流平剂PV88：美国埃斯特伦化学；凹槽上粉剂K7017：六安捷通达新材料有限公司；流动助剂K7010B：六安捷通达新材料有限公司；其他如安息香、炭黑、凹槽上粉剂对照品均采用市面常用产品。
1.3 基础配方
基础配方见表1。
1.4 凹槽上粉效果检测方法
1.4.1 模拟件及测试样板的制备
制备一个如图1所示凹槽模拟件(尺寸高15 cm×间2cm×深10 cm)以及测试样板(1.6 cm×18 cm)。
1.4.2 实验及评价方法
(1) 按配方准确称取各实验原料，用手充分摇匀，预混料经SLJ-30双螺杆挤出机挤出，挤出参数：Ⅰ区/Ⅱ区为100 ℃/100 ℃，喂料转速/螺杆转速为50 Hz/50 Hz；挤出后片料经自然冷却、机械粉碎后，过200目筛网，制得涂料粉末，准确称取200.0 g粉末备用。
(2) 将测试样板紧贴凹槽模拟件的凹槽底板上，并固定好，再将凹槽模拟件放在接地良好的工件架上；固定静电喷枪和凹槽模拟件相对位置。
(3) 对模拟件进行喷涂，200.0 g粉末全部喷涂完后，取出测试样板放入烘箱中烘烤固化。
(4) 取出固化后的测试样板，测试涂膜平均厚度，取全部6个测试样板膜厚的平均值，作为凹槽上粉结果，数值越大，则上粉越佳。
2.结果与讨论
2.1 不同因素对凹槽上粉的影响
2.1.1 不同凹槽上粉助剂
本文选取了市面上2种不同类型的增电剂和凹槽上粉剂K7017进行了相关对比实验测试，测试方法如下：在基础配方中分别加入1%、1.5%用量的凹槽上粉剂对比空白组进行测试。测试结果如表2。
从实验结果可以看出：
(1) 不同的上粉助剂具有明显差异，就本次实验结果来看，不同上粉助剂均能改善凹槽上粉情况，但是不同类型的上粉助剂产生的效果有明显差异，凹槽上粉剂K7017改善效果最为明显；
(2) 凹槽上粉剂均需要适量的加入，过量反而可能会造成上粉不佳的情况，可能是由于过量加入，粉末带电增强，喷涂时电荷增加速度大于电荷释放的速度，导致电荷积累，产生法拉第笼效应，使凹槽上粉变差。
2.1.2 树脂含量
树脂在粉末涂料中占有最大的比例，其具有较高的介电常数，为粉末涂料的静电喷涂提供了基础，因此不同树脂用量直接影响粉末的带电性能。正常情况下，树脂量越高，粉末带电性能越好，上粉率越高，但往往成本也越高。在模拟凹槽工件中，做了不同树脂含量粉末配方的喷涂测试：树脂含量分别采用50%、60%、70%、80%的配方制粉后静电喷涂测试，结果如表3。
通过实验结果可以看出：不同树脂含量对凹槽上粉有一定影响，树脂分在50%~80%范围内，凹槽上粉效果随树脂含量上升而逐步改善。
2.1.3 粉末粒径
众所周知，粉末涂料的粒径对涂膜的影响不可忽略，不同的粒径及分布不仅对涂膜流平、毛孔、纹理效果、储存等性能有影响，同时还对粉末上粉率有明显影响，因此本实验通过对空白组分(树脂分60%，不含上粉助剂)进行不同的粉碎、过筛方式制得不同粒径分布的粉末，进行凹槽静电喷涂测试，结果如表4。
由实验结果可以看出：
(1) 不同粒径的粉末涂料对凹槽上粉有较明显差异，其中D 50在35 μm左右较好；
(2) 通过样粉④可以看出样粉①与③混合，凹槽上粉小于二者的平均膜厚，其原因为粉末的粒径分布过宽，粉末带电不均匀，导致上粉不好。
2.1.4 流动助剂
一般而言，粉末涂料中添加一定量的流动助剂能提高粉末的流动性和带电性能，从而改善粉末储存和喷涂效果。本文在上述空白配方基础上，分别加入0.3%(w)的不同流动助剂，制粉后静电喷涂模拟凹槽工件，测试结果如表5。
由实验结果可知：
(1) 流动助剂的加入，改善了粉末涂料的流动性，使其均匀带电，改善了粉末在喷涂过程中的雾化状态，从而提高了凹槽上粉率；
(2) 不同的流动助剂对凹槽上粉有明显差异，其中氧化铝C效果较明显，可能原因为氧化铝C带正电荷，部分抵消了粉末的负电荷，减弱了边缘屏蔽电场的强度。
2.1.5 喷涂的工艺参数
粉末在喷涂过程中主要受电场力、重力、气流推动力、库仑力、摩擦力等力的影响，因此不同的喷枪参数对粉末在喷涂过程中的运动轨迹有明显影响。本文通过改变喷枪电压和空气流压力，测试凹槽上粉情况，测试结果如表6。
由实验结果可以看出：
(1) 不同的喷枪电压对粉末凹槽上粉有明显影响，喷枪电压在60~70 kV左右较适合；
(2) 喷枪气流适当增大有利于粉末穿过屏蔽电场，过大则可能会造成凹槽边缘外侧粉末被吹走。
2.2 优选配方工艺效果验证
树脂用量：75%；
凹槽上粉剂K7017：1%；
粉末粒径：D 10=14 μm，D 50=33 μm，D 90=53 μm；
氧化铝C：0.3%；
喷涂：喷枪电压75 kV，气压0.12 MPa。
测试凹槽上粉，测试结果显示涂膜平均膜厚为63 μm。
3.结语
(1) 影响凹槽上粉的因素还有很多，如树脂类别、底材前处理、压缩空气的湿度、喷涂环境的湿度、抽风系统、喷枪等，在解决凹槽上粉的问题时，需要我们对每个环节进行控制，不能一味地依靠一个因素来解决所有问题。
(2) 上粉助剂一般对凹槽工件静电喷涂上粉效果均有一定效果，但效果各异。在本文研究范围内，凹槽上粉剂K7017对凹槽上粉率有针对性的提高，上粉效果改善最为明显。
(3) 本文探究的最佳条件并非适合所有体系、材料，仅仅提供参考，在解决实际问题时需要对各个因素进行筛选，从而选取最适合自己的参数。
文章来源：粉末学会
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