静电喷涂技术在溶剂型涂料中的应用


摘 要 : 介绍了静电喷涂的原理、工艺和静电漆料的配方设计原则 , 从理论和实践上证实了静电喷涂工艺具有较好的经济效益和环境效益。
关键词 : 静电喷涂 ; 稀释剂 ; 静电吸附 ; 工艺 ; 配方

0  引 言

随着人们物质文化生活水平的改善 , 对涂装产品外在美观度的要求越来越高 , 高档涂料的使用量越来越大。但由于涂装件的规格、形状差异较大 , 喷涂难度不尽相同 , 按照传统的喷涂方式涂装 , 涂料的实际利用率一般在 30 % 左右 , 其余的 70 % 都浪费掉了。这不但增加了产品的成本 , 而且污染环境。为提高涂料的利用率 , 减小空气污染 , 很多企业都在提高涂料的利用率 , 比较有效的手段是采用静电喷涂。静电喷涂不仅能节省涂料 , 减少空气污染 , 而且可以使喷涂工艺机械化、连续化、减少废品率 , 大大提高劳动生产率 , 改善劳动条件。

20 世纪八九十年代国内使用的固定旋杯式和圆盘升降式喷涂设备 [1] , 部分满足了上述要求 , 但由于国内生产技术的限制 , 这类设备存在涂料雾化不充分 , 喷涂不均匀的现象 , 需要人工补喷 , 费时费力 , 因而静电喷涂的推广受到一定的限制。 90 年代后期 , 不少厂家陆续购买了美国、德国的设备 , 其特点是质量轻、雾化效率高、喷涂均匀、安装简单、易于清洗 , 喷涂技术易于掌握 , 在使用过程中发挥了巨大的经济效益和环境效益。如山东德州拖拉机厂 1998 年 4 月购买了一台美国生产的 JS510 手握式静电喷涂设备 , 经测算涂料的利用率由原来的 35 % 提高到大约 62 %, 在 4 、 5 月份生产高峰期 , 该生产线每天大约可节约油漆 120 kg , 稀释剂 50 kg , 节约人工 4 人次 , 节约资金约 2 800 元 , 当年节约资金 60 多万元 , 经济效益明显。

1  静电喷涂原理 [ 2]

静电喷头为高压静电发生器 , 作阳极 , 被喷涂件及流水线为阴极 , 静电喷头与被喷涂件之间存在很大的电场力。涂料中加入一定量的导电剂 , 喷涂施工时 , 压缩空气吹出的涂料带电液滴在高压电场的作用下飞向阴极被涂件 , 并被牢固地吸附在被涂件上。喷涂现场观察证实这种吸附力非常强 , 带正电的涂料液滴可被吸附到喷涂件背面 , 而且静电喷涂现场附近地面油漆的溅落大为降低 , 这种情况在非静电喷涂中是不能达到的。因此静电吸附可有效地防止涂料逃逸 , 提高其利用率。

静电喷涂设备的静电发生器一般可输出 20 ~ 90 kV 的可调直流电压 , 输出电流 50 ~ 100 mA, 输漆量为 200 mL/ min , 漆料的喷涂黏度为 9 ~ 18 s ( 涂 4 号杯 ), 漆液的体积电阻率为 20 ~ 200 M Ω· cm , 雾幅 250 ~ 350 mm 。

2  涂料的配方设计

2. 1  原漆的确定

根据喷涂件所要求的配套性、装饰性、防护性、附着力等因素选择漆料的品种 ; 根据喷涂漆液的黏度和漆膜的厚度确定漆料的固体分和导电性 , 以便喷涂施工时漆料有合适的黏度和导电值。

2. 2  静电稀释剂的选择

原漆的电阻率一般在 400 ~ 75 M Ω· cm , 难以满足静电喷涂的要求 , 需加入静电稀释剂增加漆料的导电性。静电稀释剂为高极性溶剂 , 其电阻率多在 10 M Ω· cm 以下。常用的静电稀释剂有二丙酮醇、乳酸丁酯、低碳醇类、酮类等溶剂 [3] , 其用量视原漆的品种而定 , 以满足漆料的导电要求为准。金属颜料、导电炭黑等有较强的导电性 , 配制这类涂料时要酌情减少静电稀释剂的用量。确定了静电稀释剂的品种和用量之后将其调入原漆 , 再测定混合后漆料的黏度和导电性。若导电性与要求有出入 , 应加以调整。

2. 3  溶剂的确定

原漆出厂时 , 其黏度等指标必须满足国家标准 , 有的用户的要求还要高出国家标准。因此原漆黏度远远高于喷涂施工黏度 , 喷涂时必须加入稀释剂 ( 稀料 ) 兑稀。一般稀释剂的加入量约为原漆质量的 40 % 。静电稀释剂虽然能起到稀释作用 , 但其用量必须严格控制 , 因为静电稀释剂用量过少 , 漆液滴带电量不足 , 被喷涂件吸附效率降低 ; 若用量过多 , 漆液滴导电率太高 , 静电喷涂设备容易漏点 , 造成危险。因此 , 选择低导电率稀释剂调整黏度是必需的。

稀释剂的用量和品种要根据用户的喷涂设备和天气情况慎重选择。对于静电喷涂来说 , 漆料在压缩空气和高压静电场的共同作用下的飞行速度比非静电喷涂要快得多 , 因而喷涂中溶剂挥发得也多 , 所以静电喷涂的施工黏度要比非静电喷涂的低一些 , 通常还要加入一些高沸点溶剂减少其挥发。天气炎热时稀释剂挥发快 , 高沸点溶剂应多加一些 , 天气寒冷时稀释剂挥发慢 , 高沸点溶剂应少加。值得注意的是 , 静电稀释剂的沸点和溶解性因种类不同而差别很大 , 要结合其他稀释剂调整好黏度和导电性的平衡。

2. 4  静电喷涂用漆的理论计算

漆料的导电性是静电喷涂的主要工艺参数 , 其电阻率一般应在 45 M Ω· cm 以下。电阻太高 , 导电效果不明显 , 浪费漆料 ; 电阻过低 , 则对设备的绝缘性和防火方面的要求相应提高 , 施工时易出危险。通常最佳理论值在 15 ~ 40 M Ω· cm 之间。漆料的导电性随静电剂的加入而成指数函数上升 , 最终值介于原漆和静电稀释剂的电阻之间。静电剂的含量 x ( 质量分数 ) 与整体电阻率 y (M Ω· cm) 的关系可用式 (1) 表示 [5] :

y = A 1 e -Bx + A 2 x B (1)

式中 : A 1 为原漆或被调整漆料的电阻率 (M Ω· cm) ; A 2 为静电剂自身电阻率 (M Ω· cm) ;B 为静电剂特征常数 , 无量纲 ,B ≈ 10 ~ 200 。

由式 (1) 知 : 当 lim x → 0 时 , y = A 1 , 即不加静电剂时原漆电阻率不变 ; 当 lim x → 1 时 , y =A 1 e -B +A 2 ≈ A 2 , 即静电剂的电阻率。这与实际情况符合。

因 (1) 式中 y 值不便求解 , 且 A 2 x B 比 A 1 e -Bx 小得多 , 可忽略小计 , 则可得到式 (2) :

y = A 1 e -Bx (2) 某些涂料及静电剂的 A 1 、 A 2 、 B 值见表 1 。

通常 A 2 值相近的静电稀释剂 B 值也相近 , 可以以此估计 , 表 1 中未列出静电稀释剂的 B 值。乳酸丁酯、二丙酮醇、环己酮等沸点较高 , 而乙醇、丙酮的沸点低 , 应根据天气情况配合非导电溶剂。

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