谈粉末涂料上粉率影响因数及检验方法

 邵波 王赟  安徽桑瑞泰粉末材料有限公司

摘要:很多客户都对粉末的利用率要求很高,而上粉率是对利用率最具体的表现。上粉率的影响因素比较多,例如树脂份,粒度,流动性,树脂种类等等,金属粉与普通粉也有差异,另外再加一些检验方法。这个话题可大可小,是一个集材料、配方设计、应用一体的系统工程,所以本文只是结合粉末涂料的一些特点,对一些大家比较关注的点展开部分讨论。并总结了上粉率的一些检测方法供大家参考。 

关键字: 粉末涂料  上粉率 检测  带电性  静电喷涂  金属粉末涂料

1、粉末涂料简介

随着人们对环保的认识日益提高,国家法律法规对环保的要求也越来越严格,一些污染的涂装工艺逐渐受到了限制。在这种条件下,为了最大限度降低对环境的污染,对工程机械行业所用涂料及涂装工艺提出了更高的要求。由于粉末涂料与传统溶剂型涂料相比,更具有经济性和环保性。近年来,随着粉末涂料新产品和新技术的不断开发,使其在众多领域得到了发展。

2、上粉率的意义及背景

粉末涂料的上粉率,也可理解为粉末喷涂工件的覆盖率,在确保粉末涂膜的外观、机械性能等前提下,单位耗粉量是客户最重要的生产成本控制指标,所以粉末涂料的上粉率显得非常重要。展开来讲,喷枪的一次上粉率更为重要,第一次喷涂到工件上的粉末数量与总出粉量(包括未喷上而被回收的粉末数量)之比,称之为沉积效率。粉末的回收量大小与沉积效率成反比,沉积效率越高,则粉末回收量越小。

结合粉末涂料为100%固体涂料的特点,过喷的粉末涂料可以回收再用,一般喷涂设备由喷涂系统和回收系统组成(如图1)。所以上粉率在这里显得尤为重要,理想状态下我们希望喷出的涂料100%吸附在工件上,没有任何涂料进入回收系统,因为进入回收系统后的涂料在流动性,粒度,粉体物性上都有变化,特别是金属效果粉末涂料,直接影响到是否能重复使用的问题。而现实状况是由于喷涂系统、粉体特性、工件形状等因数的影响,粉末涂料一次上粉率正常都在60%以下,有些甚至低于30%(譬如一些篮框等异型工件).

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   图1

3.     影响上粉率的因数

一、粉末涂料本身的带电性:               

(一)影响上粉率的因数很多,从喷涂角度考虑(如图2),粉末涂料从喷涂系统出来后受到压缩空气推动力(蓝色)、空气阻力(黄色)、粉体重力(绿色)、静电力(红色),理想状态是当粉末接近所需喷涂的工件时,压缩空气推动力、空气阻力、重力其合力为0,粉漆颗粒仅在静电力的作用下吸附到工件表面。由此我们可以推断出常规影响粉末上粉率的因数主要是粉末涂料粉体带电性。根据库伦定律,在一定时间内,粉末涂料颗粒的带电量有如下的公式(图2)  ①,可见通过提高粉末涂料的带电性可以明显提高粉末涂料的上粉性能。

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  图2   

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 图3

(二)提高粉末涂料的带电性方法各家都有不同的见解,我们初步总结,可以从4个方面着手:

(1)     控制粉末涂料颗粒粒度及分布。有图3可以得知粉末带电量与粉末粒径的平方成正比。所以理论上颗粒粗,带电量会增加,但粒度粗了,表面效果会变差。所以我们实际生产中通过配方设计,以及调整设备的工艺参数,例如喂料/磨的速度将平均粒度控制在合理范围内,同事需要控制粒度分布。过小的粒径(10um以下)上粉率比较差,所以粒度分布越窄越好,一般控制在35um左右。过粗、过细粒径所占比例越少越好。

(2)     粉末配方设计树脂份的比例。配方中高分子有机物(俗称树脂份)的含量决定这个粉末的带电性能,理论上树脂份越高,粉末的带电性能越高。但由于市场竞争激烈,从成本考虑尽可能的减少树脂份,减少颜基比,增加填料含量成了必然。笔者认为,没有合适的树脂份作为基础,提高粉末上粉率很难。现在也有很多客户通过测量烧蚀份来检测粉末的有机物含量来检验粉末,客户也懂得树脂份的含量决定着粉末上粉率及利用率。

(3)     粉末流动性/水分等物性指标的控制:粉末涂料在制造过程中的水分含量及粉体流动性也密切关系到上粉率。在设备清洗或天气及冷凝水的影响下,粉末或多或少的会含一部分水份,会直接影响到粉末上流动性和涂膜表面,也降低上粉率,所以我们要通过减少水洗设备,控制进风口湿度,减少高湿度天气生产等手段减少水份进入粉体。另外利用气相二氧化硅氧化铝C等流动助剂提高粉体流动性也是提高上粉率的有效方法。需要注意的是流动助剂的种类及流动性的大小需要结合粉末涂料生产的工艺、空气气温、湿度和客户的设备需求做相应调整。

(4)     增加带电助剂:在粉末涂料中加入抗静电剂电荷调节剂可降低粉末的表面电阻使粉末更好地沉积到工件的表面上,也改善了静电喷涂中法拉弟效应的产生。就静电涂装而言,在接地工件和喷枪电极之间施加了一个很强的电压并产生很强的静电场。由于施加的电压足够高使得在枪尖部分产生CORONA放电,CORONA放电是一种冷态的等离子体,它会在放电区域产生大量的电子并充斥在电极和工件之间,这些电子会吸附在空气的分子中产生带负电荷的离子,这些带电的离子会吸附在粉末粒子上并随着喷涂过程在工件上沉积,事实上粉末粒子的带电效率是非常低的,大约只有0.5%,其它大部分为自由离子,它们会随着喷涂过程吸附在被涂表面并产生累积直至排斥或放电为止,严重地影响了粉末的进一步沉积和凹槽面上粉率,而表面电荷调节剂则可以平衡或改善被涂工件表面的自由离子的累积,从而改善喷涂效果,使厚膜涂装也成为可能。

高分子表面的高表面电阻致使产生的静电荷很难排泄出去,一般可以通过以下方式获得。

①提高加工环境的湿度有利于抑制静电荷的产生和促使电荷的泄漏;

②改善聚合物的结构,如引入极性化或离子化基团以提高导电性;

③在高分子材料中加入导电性材料如金属粉,碳黑等;

④添加抗静电剂提高材料的极性或吸湿性。

以上几种方法各具特点,其中湿气对材料的表面电阻或体积电阻影响很大,而有些方法如添加金属粉末或改善高分子材料等不是在任何应用场合下都可以轻松获得的,有局限性,而添加抗静电剂的方法最简单易行。

抗静电剂按亲水基能否被电离可分为离子型和非离子型。如果亲水基电离后带负电则为阴离子型,反之带正电则为阳离子型。如果带有二个以上的亲水基而电离后又分别带有不同的电荷时则又分为两性离子型抗静电剂,若不电离则称为非离子型抗静电剂,不论其如何分类其作用原理基本相同,主要利用表面活性特征吸附空气中的水分,表面活性剂产生极化形成极薄的导电层,构成电荷泄漏通道。因此绝大多数的抗静电效果取决于化合物结构和环境的相对湿度。与吸湿机理相比,添加抗静电剂所产生的润滑作用而由此降低的摩擦系数在一定程度上也抑制了静电荷的产生。需要说明的是抗静电剂的添加量和高分子结构及使用环境相关,过多的导入会导致喷涂效率的降低甚至产生不吸附现象。

阴离子型抗静电剂一般有硫酸衍生物、磷酸衍生物和高分子量的阴离子型聚丙烯酸盐等。阳离子型则有季铵盐类、烷基咪唑啉类等。非离子型则有脂肪酸、醇、烷基酚的环氧加合物,胺类衍生物等,在实际应用中绝大部分抗静电剂都属于阳离子型季铵盐类和阴离子磺酸衍生物,尤其是胺类的产品会对环氧体系产生催化作用或导致过烘烤黄变,同时过多的导入也会导致带电性降低从而影响吸附率。

由于在喷枪和工件之间存在着非常强的电场,因此静电涂装很难对拐角或凹槽处产生非常好的涂装效果,而摩擦带电喷涂可以较好地解决在类问题,因为摩擦枪(tribo gun)不产生很强的电压,不会在工件表面附近产生很强的电场以阻止带电粒子的飞入。摩擦枪喷涂主要是通过粉末粒子在管道中摩擦带电,对不同的树脂体系由于具有不同的带电效果,所以为了获得较好的带电率,我们在涂料配方或树脂中加入一定量的摩擦带电剂以提高摩擦带电效果。含氮化合物可明显改善摩擦带电性,因此有些颜料甚至 ? -HAA都是有效地摩擦带电物质。为了避免含氮添加剂对含有环氧体系产生加速性,通常用受阴胺或胺醇类物质作摩擦带电剂,某些光稳定剂如(HALS)如Ciba-Geigy的Tinuvin144通常也用作摩擦带电剂使用。有时为了加强摩擦带电性,在配方体系中还加入少量高度分散的氧化铝粉末来增加摩擦带电效果。 

二、除粉末涂料本身的特性,此外影响粉末涂料上粉率的因数还与喷枪的类型、工艺参数、工件的形状以及喷涂方式有关。

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(一)*电晕式”充电:采用一个高电压电场使周围的空气产生电离作用,引至带电离子的产生。在喷涂时,当粉漆颗粒碰上这些处于不稳定状态的带电离子时,粉漆便会接受电荷充电。静电喷涂的两个现象:

(1)     静电屏蔽(左上),静电场中导体处于静电平衡时,导体内部场强为零,因而导体外部的电力线只能终止(或起始)于导体表面并与导体表面垂直,不能穿入导体而进入导体内部。针对静电喷涂而言,即是当所需喷涂零件为一凹形零件,粉末在电力线的指引下很难进入凹位,从而产生此部分涂层薄甚至无法上粉。这方面我们可以考虑通过摩擦枪来解决。

(2)     反向电离(右上),是由储存在工件表面的粉末层所产生的静电场而产生的,当粉末涂层厚度增加时,其所产生的电场也随之增强。当达到足以电离周围空气时,就会如同高压导电针一样放电。带正电的离子就会向带负电的离子射来的方向运行。因此中和一部分粉末离子,限制粉末进一步喷上工件。

(二)喷枪的静电控制,可按工件的不同形状来设置。一般平板零件,80kV,100uA;有凹槽的复杂零件,80kV,22uA;重涂,40kV,100uA。尤其需要关注的是,国产喷枪当设定较低电压,需要提高电流时,会出现无法将喷枪电流保持在15uA以上,导致喷枪无法正常带电。一般情况下静电电流在15uA以上,均能达到充电。

(三)喷涂气流的控制:由以上论述可以认为,出份量的多少可以由喷涂的需要来调整,多数情况下,喷枪出粉量宜100-200g/min。辅助气以不产生吐粉为宜,一般在4.0Nm2/hr。

需要指出的是加到喷枪导电针部分的三次气,其作用是清理导电针,使之不会由于静电原因产生粉末在枪尖部位积粉,特别是喷涂细银效果的金属粉。并且由于是直接加到枪尖部位,以0,2为适宜,太大会导致已喷涂在工件上的粉末会再次吹落。

(四)其他影响因数:喷枪的距离也直接影响上粉率,喷枪距离工件越近,粉末上粉率越好,但随着枪距近,反向电离和击穿现象加剧。工件的接地也影响到上粉性能,良好的接地有利于粉末颗粒的吸附。此外影响因数还有工件形状,工件挂件密度,喷枪的位置设置等等。

4.上粉率检验方法

一、粉体粒度检测:

测试设备:干法&湿法粉体粒度仪。

测试方法:按设备操作规程。

越来越多的粉厂认识到粒度控制的重要性,粉体的粒度检测直接关系到粉末使用过程中的上粉性能,涂膜表面性能。所以批次粒度控制尤为重要,通过在线粒度检测,实时调整设备参数,从而稳定粉体粒度,稳定客户使用工艺。所以一般粉末的平均粒径控制在 35 ~ 45 μm 为宜 。

二、粉体流动性检测:

测试设备:粉体流动测试仪。

测试方法:按设备操作规程。与粒度检测类似,粉体流动性的检测很多粉厂重视不足。粉体流动性的定量检测,有利于批次稳定性控制,减少粉体流动性波动。制定出适合的控制范围,常规的检测仪器范围在120以上。考虑粒度、气温及湿度影响,不少加,更不能多加流动助剂。

三、烧蚀份检测:

测试设备:马弗炉。此方法多用于涂装客户用来检验粉末的树脂份。

测试方法:称取一定量的粉末涂料,置于马弗炉内500度以上高温烧蚀,待有机物挥发完全后,称量剩余物。通过剩余物的重量判断树脂份含量,从而判断上粉性能的优劣。考虑到流平剂等功能助剂也会挥发掉,所以常规的烧蚀残留量在30%左右。

四、死角上粉率测试

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实验器材:实验室高压静电喷枪;板;夹子;电子天平;实验粉末涂料;

试验方法:使用一个专门设计的铝板,进行死角上粉率的测试试验,铝板中央凹槽深3cm,宽3cm,如上图所示。喷涂前用夹子将三条铝片(宽3cm,长和铝板相同),分别固定在相应部位,两条位于槽外,一条位于槽后内壁上,然后在固定风量,电压下根据试验喷涂定量粉末。三条铝片在喷涂前和喷涂后分别称重,以测定粉末沉积量。通过槽内后壁粉末沉积量M(internal)与槽外两条铝片上粉末量平均值M(outer)进行比较,就能测出死角上粉率R=1表示死角上粉率好,R=0时表示静电屏蔽效应最大,死角上粉率几乎为0。 

五、弯板敲击:

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由于金属颜料,特别是铝粉、铜粉导体的特性,在高压静电下带电性差,使得产品粉末涂料的带电性下降。在客户使用时会造成上粉差、链条抖动掉粉等现象。为了解决上述问题,在出厂前需要进行多次从检测,其中一项就是对弯板进行敲击,静电喷涂后的样板在敲击后需要对弯板进行烘烤,在敲击过程中如何保证每次敲击的力度相同的问题和敲击后对弯板移动影响检测效果的问题需要解决。比较粉末的掉落的面积。得出粉末带电性的等级。

六、粉体电阻率:

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试验器械:压片机+电阻测试仪

试验方法:称取一定量的粉末,用压片机压成粉饼。用电化学站电阻测试仪称量电阻R,再换算成粉体电阻率。优异上粉率粉体的电阻率应该控制在< 1 MΩ·cm. 

此外还有很多一下检测方法,例如看落地粉的重量、喷涂板厚涂膜的重量等等,笔者觉得方法只要有重复性,可操作性或可对比性,没有好坏之分,只要在客户使用前通过检测模拟出上粉率即可。

5.总结

综上所述,粉末涂料的上粉率与粉体本身的性能密切相关,也受到使用环境、工艺、工件设备等影响。虽说复杂,但我们作为粉末技术人,在从事着关乎绿色环境的环保行业,更有责任提高粉末涂料行业的拓展,粉末的上粉性能关系到客户的使用感受和施工及使用成本,相信在未来的涂料发展中,更多的行业和客户认识到漆改粉的优势,从而迎来粉末行业的新高峰。 

参考文献:

1.  刘宏 等 影响粉末涂料上粉率因数的探讨  《涂料工业》  2004年6月 34

2. 高庆福等 提高粉末涂料在静电喷涂中死角上粉率的工艺技术研究 《涂料技术与文摘》 2014年4月 35

3. 南仁植  粉末涂料与涂装技术问答   化学工业出版社 2004

4. 张志超  粉体电阻的测量       《中国仪器仪表》 96.2

5. GB/T30835-2014 附录G 电导率的测量方法


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