静电喷涂上粉率影响因素的研究也有不少的因素

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• 文/陈文龙、胡永军、刘黄平、刘畅（1.广东工业大学材料与能源学院；2.）

  摘要：为了研究粉末涂料性能对静电喷涂粉末涂装率的影响，采用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、电感耦合等方法对三种不同商品粉末涂料的微观形貌、物理性能和物理性能进行了分析。等离子发射光谱仪和激光粒度分析仪。表征了相结构、组分（颜料与基础的比率）和粒度分布；在相同的喷涂工艺下，测试了三种市售粉末涂料的一次性粉末喷涂率和粉末死角喷涂率。通过对比分析，总结出影响装粉率的主要因素，讨论了高装粉率粉末涂料应具备的特性参数。结果表明，粉末涂料的平均粒径和色浆比是影响一次性粉末涂装率的主要因素。然而，粉末涂料中超细粉末（≤10 μm）的含量是影响粉末涂装死角率的重要因素。当粉体35 μm≤Dr(50)≤45 μm，Dr(95)≤75 μm，色母比接近3:4时，较高的上粉率可获得。粉末涂料中超细粉（≤10μm）的含量是影响粉末涂装死角率的重要因素。当粉体35 μm≤Dr(50)≤45 μm，Dr(95)≤75 μm，色母比接近3:4时，较高的上粉率可获得。粉末涂料中超细粉（≤10μm）的含量是影响粉末涂装死角率的重要因素。当粉体35 μm≤Dr(50)≤45 μm，Dr(95)≤75 μm，色母比接近3:4时，较高的上粉率可获得。

  关键词：粉末涂料特性；静电喷涂；平均粒径；颜料与碱的比例；出粉率

  0 前言

  静电粉末喷涂技术具有工艺简单、产量高、能耗低、绿色环保等特点，被广泛应用于铝合金型材的表面处理[1]。据中国有色金属加工协会2018年统计，在需要进行表面处理的铝挤压材中，粉末涂料约为1004万吨，占比65%。因此，用于静电粉末涂料的粉末涂料的需求不断增加，粉末涂料以每年10%以上的速度增长[2]。对于粉末涂料生产厂家（如）来说，除了关注涂料的力学性能和外观外，最重要的是生产成本，即 型材单位面积的粉体消耗量（粉率），所以粉体涂装率就成了厂家。以及用户共同关心的问题。目前，关于静电粉末喷涂成粉率的影响因素研究较多。例如，刘红等人。[2]根据生产过程中的测试数据，讨论了影响粉末涂料成粉率的因素，包括粉末粒径、介电常数、喷涂工艺等。刘伟等人。[3]分析了影响静电粉末喷涂一次涂粉率的主要因素，包括粉末颗粒的带电量、喷涂工艺、被喷涂工件的接地电阻。崔志明等。[4] 重点研究了喷涂工艺和喷涂设备对出粉率的影响，包括压缩空气、喷房设计、粉末回收系统、喷枪类型等。[5]讨论了影响静电喷涂死区粉末装载率的因素，包括粉末充电效应和法拉第笼效应。同时还提出了提高死区出粉率的具体措施，包括添加超细硫酸钡填料、添加0.1%-0.6%有机铵盐添加剂、添加合适粒径的氧化铝外混助剂，可有效提高死角出粉率。以上研究大多是根据生产测试数据来分析影响上粉率的因素，主要来自喷涂工艺和喷涂设备，针对粉末涂料特性的研究较少，没有对粉末涂料特性进行系统的表征和对比分析。另外，对于粉末涂装率的影响因素，只考虑一种涂装率，或者只考虑死角的涂装率。

  本研究基于粉末涂料的性能，首先系统地表征和比较了三种不同商业粉末涂料的性能。然后，测试了三种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）。通过对比分析，总结并讨论了影响静电粉末喷涂一次上粉率和死角上粉率的主要因素。高粉末装载率应具有的粉末涂料特性。

  1 实验部分

  1.1 实验材料

  选择A、B两家粉末涂料厂家的三种粉末涂料（均为聚酯型）作为实验原料，型号分别为7041（砂纹深灰色）、7069（砂纹黑色）、9003（高光白色） ）。它们被记录为 A[1]7041、A-7069、A-9003、B-7041、B-7069、B-9003。

  1.2 粉体表征设备

  扫描电子显微镜（JXA-8100）：日本电子；能谱仪（Oxford-X-Max-20）：牛津，英国；X 射线衍射仪（Smartlab3）：日本理学） )；电感耦合等离子体发射光谱仪（Agilent7700S）：Agilent，美国；激光粒度分析仪（Mastersizer3000）：Malvern，UK；铝合金样品（6061矩形铝合金板，12cm×7cm））：；静电喷涂和回收系统：。

  1.3 出粉率测试

  静电喷粉一次出粉率测试步骤如下：首先对铝合金试板进行预喷涂处理（水洗-脱脂脱脂-酸洗蚀刻-3次纯水洗-无铬钝化-滴干），然后用精密电子天平称量质量（精确到0.0001g），然后将试板挂在样品架上进行喷涂固化处理。静电喷涂工艺及固化参数如表1所示。最后，再次对固化后的样品进行精确称重，计算喷涂前后样品的单位面积质量增益。

  

  为了准确测量死角的装粉率，设计了一套死角装粉率的测试工装，如图1所示。测试工装材料为铝合金，宽度和深度矩形槽为10cm，长度为50cm。测试步骤如下：首先对铝合金试板进行预处理，然后用精密电子天平称重质量，然后将3个平行的铝合金试板均匀均匀地安装在罐内，安装3个平行的铝合金罐外两侧的试板。. 静电喷涂工艺及固化参数见表1。在喷涂过程中，测试工具固定在喷涂车间的移动链条上，喷枪垂直于样品表面上下移动，喷涂距离保持在150mm。待试样凝固冷却后，将铝合金试样取出罐外再次称重，计算罐内三个铝合金平行试样的单位面积质量增加的平均值，计算为作为米；同时计算罐外6个铝合金样品。合金平行试样的单位面积增重平均值计算为Mo。最后用Mi除以Mo，得到静电粉末喷涂死角上的出粉率S，可以用公式表示(1). 取出罐外铝合金试样再次称重，计算罐内三个铝合金平行试样的单位面积质量增加的平均值，计算为Mi；同时计算罐外6个铝合金样品。合金平行试样的单位面积增重平均值计算为Mo。最后用Mi除以Mo，得到静电粉末喷涂死角上的出粉率S，可以用公式表示(1). 取出罐外铝合金试样再次称重，计算罐内三个铝合金平行试样的单位面积质量增加的平均值，计算为Mi；同时计算罐外6个铝合金样品。合金平行试样的单位面积增重平均值计算为Mo。最后用Mi除以Mo，得到静电粉末喷涂死角上的出粉率S，可以用公式表示(1).

  其中：0

  2 结果与讨论

  2.1 粉末涂料的表征

  2.1.1 粉末涂料的微观形貌

  7041型、7069型和9003型粉末涂料的微观形貌如图2所示，均为背散射电子图像。

  

  从图2可以看出，不同厂家生产的三种粉末涂料均呈现出大小不一的不规则形状，且大部分粉末颗粒呈灰色。用能谱仪分析灰色部分的成分。主要元素是C、O和Ti。可以推断，灰色部分主要是聚酯树脂和颜料（二氧化钛TiO2/炭黑）。同时，每个粉末颗粒都清晰可见。表面甚至内部都覆盖着大量厚度不均的白色颗粒。白色颗粒的成分分析表明，它们主要含有Ba、S和O元素，因此可以推断白色部分主要是填料BaSO4。

  2.1.2粉末涂料的相结构

  7041型、7069型和9003型粉末涂料的X射线衍射光谱见图3。

  

  从图3可以看出，不同厂家生产的三种粉末涂料的衍射图谱中，有BaSO4（填料）和TiO2（二氧化钛）的衍射峰。所有三种粉末涂料均含有 BaSO4 相和 TiO2 相。可以看出，前面对图2的推论是正确的。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，如图 3(c) 所示。7041和7069粉末涂料接近黑色，但在7041和7069粉末涂料的衍射图中没有出现结晶碳的衍射峰，说明7041和7069粉末涂料中添加的颜料炭黑都是无定形的碳。此外静电粉末喷枪，从图3(a)和(b)可以看出，B-7041和B-7069的粉末涂料中出现了少量杂质CaCO3相的衍射峰，可能是厂家B在生产过程中混合或添加的。 7041和7069粉末涂料的制备。填料中混有少量杂质。

  2.1.3 粉末涂料组分（颜料与基料的比例）

  为了准确测量三种粉末涂料中主要成分的含量，采用电感耦合等离子体发射光谱法测量了粉末涂料中主要成分的质量分数，以及每种粉末涂料的颜基比计算，如表 2 所示。

  

  表2中需要注意的是，由于填料BaSO4是白色的，属于体质颜料，所以测得的颜基比中的“颜料”包括颜料和填料；“基”是指基材，主要是树脂。从表2可以看出，A-7041和A-7069粉末涂料的BaSO4填料含量明显高于B-7041和B-7069粉末涂料，因此计算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、颜料和树脂含量相似，因此它们的颜基比差别不大。比较厂家A生产的三种粉末涂料的含量，可以看出A-7069粉末涂料的BaSO4含量最高，达到41.05%，计算出来的色母比也最高，接近1:1。由于 A-7041 和 A-9003 粉末涂料的树脂含量相近，因此两者的颜基比接近 3:4。对比厂家 B 生产的三种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、颜料和树脂含量相近，所以颜料基比为B-7041 和 B-7069 类似 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 的颜料基比更高，接近 2:3。两者的色母比接近3:4。对比厂家 B 生产的三种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、颜料和树脂含量相近，所以颜料基比为B-7041 和 B-7069 类似 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 的颜料基比更高，接近 2:3。两者的色母比接近3:4。对比厂家 B 生产的三种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、颜料和树脂含量相近，所以颜料基比为B-7041 和 B-7069 类似 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 的颜料基比更高，接近 2:3。

  2.1.4 粉末涂料粒度分布

  采用激光粒度仪测量粉末涂料的粒度分布，结果见表3。

  

  不同之处在于A-7041粉末中粗粉（≥75μm）的含量较高，而A-7069粉末涂料中超细粉末的含量较高。对比厂家B生产的粉末涂料的粒径分布可以看出，B-7041粉末涂料的平均粒径明显大于B[1]7069和B-9003粉末涂料，但B-9003粉末涂料的超细粉含量最高，粗粉含量最低。

  2.2 静电粉末喷涂的施粉率及影响因素比较

  2.2.1 静电粉末喷涂的施粉率比较

  用单位面积增加量的平均值来表征静电粉末喷涂的一次喷粉率，如图4所示。

  

  从图4可以看出，A-7041、A-7069、A-9003粉末涂料的上粉率高于对应的B-7041、B-706 9、@ >B-9003 粉末涂料。尤其是A-7069粉末涂料，一次性粉末涂装率比B-7069粉末涂料高出近40%。从静电粉末喷涂的原理可以看出，粉末涂料主要是通过静电力吸附在试样表面，然后固化成薄膜。因此，粉末涂料的一次涂粉率应与粉末颗粒的带电量呈正相关。由库仑定律可知，粉末颗粒的带电量与粉末粒径的关系可以用公式（

  表明除了粉末涂料的平均粒径因素外，还有其他因素会影响一次粉末涂装率。比较A-7041和B[1]7041的粒径分布可知，虽然两者的平均粒径相同，但A[1]7041中粗粉的含量明显高于B-7041。由式2可以看出，随着粉末粒径的增大，如果过大，粉末颗粒的电荷会增加，但同时粉末颗粒的质量也会相应提高，这会导致超重的粉末颗粒在到达工件表面之前由于过大的重力而下落，从而降低了一次装粉率。得到的A-7041的一次涂粉率高于B-7041，这说明影响粉末涂料的一次涂粉率还有其他重要因素。由表2可以看出，A-7041组分中填料BaSO4的含量明显高于B-7041，A-7041的颜基比高于B-7041。同时，通过对比B-7041和A-9003的特性，发现两者的粒径分布几乎相同，但A-9003的色浆比高于A-9003。 B-7003。-7041，而图4中A-9003的一次粉末涂装率也高于B-7041，因此可以推断粉末涂料的色母比是影响粉末涂料的主要因素涂料。此外，比较A-7041和A-9003的特性发现两者的色母比相同，平均粒径也相同，但A-7041中粗粉的含量为更高，导致粉末施用率低于 A-9003。比较A-7069和A-9003的特性，两者A-7069的粒径分布相近，A-7069的色母比高于A-9003，但一-一次上粉率低于A-9003，说明并不是色浆比越高，一次上粉率就越好。但A-7041中粗粉含量较高，导致上粉率低于A-9003。比较A-7069和A-9003的特性，两者A-7069的粒径分布相近，A-7069的色母比高于A-9003，但一-一次上粉率低于A-9003，说明并不是色浆比越高，一次上粉率就越好。但A-7041中粗粉含量较高，导致上粉率低于A-9003。比较A-7069和A-9003的特性，两者A-7069的粒径分布相近，A-7069的色母比高于A-9003，但一-一次上粉率低于A-9003，说明并不是色浆比越高，一次上粉率就越好。

  综上所述，影响静电粉末喷涂一次涂粉率的主要因素是粉末的平均粒径和色母比，次要因素是粉末涂料中粗粉的含量，而静电粉末喷涂的一次涂粉率和平均粒径。粒径与色母比之间的关系不是简单的线性关系，即粉末粒径越大，色母比越高，在一度。根据本实验的数据分析，粉末一次涂装率较高的粉末涂料特性应满足平均粒径35μm≤Dr(50)≤45μm, Dr(95)@ >≤75μm,

  2.2.2 静电粉末喷涂死角装粉率对比

  使用公式(1）中的公式计算静电粉末喷涂死角的出粉率，如图5所示。

  

  比较图 5 中厂商 A 和 B 的粉末涂料的粉末涂层率静电粉末喷枪，可以看出 A-7041 和 B-7041 以及 A-9003 和 B-9003 的粉末涂层率相当（S ≈0.11），但A-7069的粉末涂层率比B-7069粉末涂层高约28%，这也可以从喷涂样品的宏观照片中看出图 6 中 A-7069 和 B-7069 的死角区域。并且，在死角区域喷涂 A-7069 的样品表面颜色较深，说明表面沉积的粉末涂料较多，即也就是死角处A-7069的上粉率更好。

  

  B-7041和A-9003的特性对比分析表明，粉末粒度分布几乎相同。A-9003的色母比比B-7041高，但死角上的粉是一样的。因此，色母比不影响静电粉末喷涂的死角。出粉率的主要因素。对比A-7041和B-7041，除了色母比不同外，涂料中的粗粉含量也不同，但两个死角的装粉率没有区别，所以粉末涂料中的粗粉含量不影响静电粉末。率的主要因素。比较A-9003和B[1]9003，两者的色母比是一样的，粉末中粗粉含量相同。唯一不同的是A-9003的平均粒径大于B-9003。差别不大，所以粉末涂料的平均粒径并不是影响死区出粉率的主要因素。对比A-7069和其他粉末涂料的特性可以看出，除了色母比、平均粒径和粗粉含量的差异外，最大的区别在于A-中的超细粉含量7069明显高于其他粉末涂料。3、可以看出A-7069的D(10)=10.1μm)，即粉末涂料中超细粉（≤10μm）的含量为10%，而其他粉末涂料中超细粉的含量为10%。众所周知，静电喷涂死区的形成是由法拉第笼效应引起的，使凹槽内的电场强度降低甚至没有电场，使带电粉末颗粒难以沉积[7]。超细粉末虽然带电量少，但其重量却很轻。在粉体载气的作用下，更容易通过扰动气流到达凹槽内部，并在弱电场作用下沉积在凹槽底部，从而影响出粉率。静电粉末喷涂死角。在实际生产过程中，在保证静电粉末喷涂良好的上粉率的情况下，

  3 结论

  通过对三种商业粉末涂料特性的对比分析，以及三种粉末涂料的一次性粉末涂装率和死端粉末涂装率的对比试验，本研究重点分析了影响其的主要因素。静电粉末涂装的粉末涂装率，提出提高静电粉末涂装率。粉末涂装率的方法。研究结果表明，粉末涂料的平均粒径和颜基比是影响静电粉末喷涂一次涂装率的主要因素，但一次涂装率与平均粒径之间的关系静电粉末涂料的粒径与色浆比不是简单的线性关系。此外，粉末涂料中超细粉末的含量是影响静电粉末喷涂死角出粉率的重要因素。为了获得静电粉末涂料的高粉末涂装率，粉末涂料应满足以下特性：35μm≤Dr(50)≤45μm，Dr(95)≤75μm，颜料与基础的比率接近 3 : 4。

  参考

  [1] 吴冠群. 铝合金静电粉末喷涂工艺及影响因素分析[J]. 生化工程, 2019, 5(4):141-143.

  [2] 刘红，刘正耀。影响粉末涂料成粉率的因素探讨[J]. 涂料工业, 2004, 34(6):26-28.

  [3] 刘伟. 静电粉末喷涂的一次喷粉率分析[J]. 现代涂料与涂料, 2000, 3(5):19-20.

  [4] 崔志明，杨亚江．浅谈粉末涂料上粉率的影响因素[J]. 湖北化工，2000(6):39-40.

  [5] 高庆富，史忠平。提高静电喷涂粉末涂料成粉率的技术研究[6]。涂层技术与文摘, 2014, 35(4):36-39.[6] 朱祖芳. 铝合金阳极氧化及表面处理技术[M]. 第2版. 北京: 化学工业出版社, 201 1.

  [7] 南仁智．粉末涂料与涂装技术[M]．第 3 版。北京：化学工业出版社，2014.