粉末涂料涂装资料-粉末涂料的涂装工艺

第二讲粉末涂料的涂装工艺
1 概述
粉末涂料涂装技术的发展，起始于本世纪40年代，随着世界聚乙烯树脂产量的迅速增长，人们研究获得一种没有针孔缺陷的涂膜。

这种涂膜的防腐性能大大优于传统的喷漆工艺。

对于流传数千年的液体涂装技术来说，这确实是一场富有挑战性的技术革命。

聚乙烯树旨是热塑性树脂，当树脂的温度高于熔点时，呈现出具有流动性的液态相。

当温度低于熔点时，树脂又转变为固态相。

人们根据这个特点，设计了一种新颖的粉末涂装工艺方法。

它与传统的液体涂装工艺区别在于，不需要将成膜物质溶解于溶剂中进行涂装施工，而是将成膜物质直接涂装于工件表面。

因此它获得的涂膜没有针孔缺陷，又省却了仅仅为了施工需要而使用的大量溶剂，同时还节省了能源和改善了环境。

1.1 粉末热涂装工艺
最早出现的粉末涂装方法是滚涂法。

它是将聚乙烯树脂加工成粉末状态的涂料，对需要涂敷粉末的金属零件进行预热，使其温度高于聚乙烯树脂的熔点10～20℃，然而将热态的金属零件在盛有聚乙烯粉末的容器内反复滚动，使粉末不断地熔粘于零件的整个表面。

这种工艺方法非常原始，得到的涂膜厚度很不均匀，外观也粗糙不平，不适用于工业化生产，只能应用于个别化工产品的零件防腐涂装。

但不管怎样，它毕竟是粉末涂装技术发展进程中走出的第一步，具有一定的历史意义。

粉末滚动涂装工艺的特点是首先必须使被涂件的温度高于粉末涂料的熔点。

被涂件获得的热量要保证能熔粘足够的粉末涂料。

另一方面要求粉末涂料在受热后，必须具有一定的流动性，使粉末涂料能够熔融流平成连续的涂膜。

这就是大家所熟悉的热涂装工艺的基本原理。

人们根据热涂装原理，研究成功聚乙烯火焰喷涂法。

它拉开了粉末涂装的序幕。

当时除了火焰喷涂法外，还采用散布法。

这是一种将树脂粉末均匀地撒在加热工件表面，使粉末熔融形成涂膜的施工方法。

瀑布法类同于散布法，只是它的粉末浓度比散布法要高得多，因而能够方便地得到较厚的涂膜。

为了使散布法能自动进行涂装，1952年原联邦德国Gemmer公司提出了流化床法，此法乃通过空气或惰性气体作用使粉末在专门容器内流动浮游，并且有液态特征。

预热工件浸沉于流化床中，流态化的粉末就会均匀地熔融附着于工件表面，通过加热使其熔融流平，从而得到光滑连续的涂膜。

当时应用的树脂主要是聚乙烯、聚氯乙烯和尼龙等热塑性树脂粉末。

50年代后热固性环氧粉末涂料的问世，使粉末涂料的应用进入了一个重要的发展阶段。

粉末涂料技术开始迅速地步入了工业化生产的领域。

上面介绍了滚涂法、火焰喷涂法、瀑布法和流化床法。

按照各种工艺方法的特点，相继设计制造了各类涂装设备和生活流水线，使热熔涂装技术在电机电器、管道及丝网产品等领域中取得了令人瞩目的成就。

这些工艺方法的基点是必须把工件预热到相当高的温度，因此主要应用于金属零件的涂装。

1.2 粉末涂装工艺的分类
粉末热熔涂装施工的操作必须在高温下进行，这给正确控制涂膜的厚度和保证批量生产中涂膜的质量带来了困难。

热熔涂装的涂膜如果出现弊病，返修工作比较麻烦，工人在高温下操作的劳动强度大，而且工作环境恶劣。

为了克服这些缺点，开始研究在常温下将粉末涂料均匀涂布到工作表面，再通过加热使附着于工作表面的粉层熔融流平成光滑连续的涂膜。

这种施工方法也可以称之为粉末的冷涂装工艺。

60年代法国Sames公司发明的粉末静电涂装技术，为粉末冷涂装工艺开拓了广
泛的应用领域。

根据粉末静电吸附原理和不同的施工方式，国内外已成功地制造了各种静电涂装专用设备。

由于这项技术在国内的发展历史比较短，有些资料对某些工艺方法的名称和内容的介绍说法不一。

这给不熟悉这项新技术的读者来讲，容易产生错觉或误解。

同一种工艺方法由于出现不同名称而误认为是不同的工艺方法。

例如流化床工艺方法有人称它为沸腾工艺，又称为流动被膜工艺，在电机行业中又习惯称之为熔槽绝缘工艺。

又譬如，当前静电涂装技术原理正处于深入研究阶段，各家学说颇多。

因而在介绍一种新颖静电涂装方法和装备时，常会误述为在一种新的静电涂装原理指导下获得的新涂装方法。

象静电云雾室涂装法的原理，同静电喷涂法的静电流化床法的静电涂装原理完全一样，它的特点只是粉末的雾化状态类似于云雾。

这种云雾可以在一个容器中形成，也可以在局部空间区域内形成。

我们可以通过静电喷涂的方法得到它，也可以采用静电流化床或其它方法来制造云雾状态的粉末空间。

因此，这种涂装方法虽然有其自身的工艺特色，但并不是一种新的静电涂装原理的产物。

为了使读者对当前已有的一些粉末涂装工艺方法有一个较为系统的了解，按照它们的涂装原理和工艺特点进行了排列归类。

上面列出的是粉末涂装工艺发展过程中曾经研究过的一些工艺方法。

原则上可以划分为热熔涂装工艺和冷涂装工艺两大类。

每一类工艺的涂装原理都是相同的，除了冷涂装工艺中的喷涂冷涂法属于例外。

它是对被涂件需涂粉末的部位喷（刷）胶液，然后热熔融流平成膜。

总之，不管用什么方法，只要能使粉末涂料均匀地涂布于被涂件的表面，经过加热熔融流平成膜，这种工艺方法就可归类于粉末涂装工艺。

如果工件需要预热来熔融粉末的，则属于热涂装工艺范围。

工作能够在常温下进行涂装技术，再进行热熔平成膜的就属于冷涂装工艺范围。

当前广泛应用的冷涂装工艺主要是粉末静电涂装技术。

通过上面介绍，再遇到新的工艺方法和涂装设备问世时，读者就可以按其涂装原理和工艺特点自行归类了。

2流化床涂装法
2.1流化床涂装原理
2.1.1概述
流化床涂装工艺是在粉末涂装中较早实施的方法之一。

我国早在60年代初就开始对热固性环氧粉末进行了流化床涂装研究，并取得了成功。

当时主要应用于机电产品，如对民机的绝缘涂层和防腐涂层等。

近年来随着粉末及其涂装技术的发展，又广泛地应用在家用电器、生活电器、钢结构件等方面。

应用的原料也由原来的环氧粉末发展到尼龙、聚酯、聚乙烯、聚氯乙烯等更多的粉末品种。

2.1.2原理
一、流化床的特性
流化床涂装工艺的方法是将空气或某种惰性气体吹入窗口底部，使粉末涂料翻动达到“流化状态”。

空气这多孔性透气板，成为均匀颁布的细散气流使粉末翻动，每个粉粒先上
升后下降。

这种流动粉体的性质很象液体。

放入其中的如同沉入液体中。

譬如当一段管子被水平地放入液体中，其内壁就会立即被润湿，但在流化状态的粉末中管腔内的粉末就变得静止不动了。

这是因为粉粒的行动主要是上下方向的，水平方向移动很少。

二、流化床涂装原理
流化床的工作原理是用均匀的细散空气流通过粉末层，使粉末微粒翻动呈流态化。

气流和粉末建立平衡后，保持一定的界面高度。

将需涂敷的工件预热后，放入粉末中，即可得到均匀的涂层，最后加热固化（流平）成膜。

流化床是固体流态学的第二阶段，也是比较复杂和难以控制的阶段。

固化流态化的过程分为三个阶段：固定床阶段、流化床阶段、气流输送阶段。

从理性上认识这三个阶段的特点和相互的关系，对于掌握流化床涂装技术来说是很重要的。

（一）固定床阶段
当流体速度很小时，固体粉末颗粒静止不动，流体从粉末颗粒间隙穿过，当流体速度逐渐增大时，则固体颗粒位置略有调整，即颗粒排列方式发生变化，趋向松动的倾向。

此时，固体颗粒仍保持相互接触，床层高度H与粉末层体积也没有变化，这个阶段由图13-1中的ab段所表示。

此阶段床层厚度并不随流体速度的增加而增加。

但是，△p却随着流体速度的增大而增加，图中W为流体速度，W kp临界速度，W max极限速度。

（二）流化床阶段
在固定床的基础上，继续增大流速W，床层开始膨胀和松动，床层高度开始增加，每个单个粉末颗粒被流体浮起，因而离开原来位置作一定程度的移动。

这时便进入流化床阶段。

在流化床范围内，随着流体速度的增大，粉末颗粒运动加剧，且做上下翻滚，如同流体加热达到沸点时的沸腾状态。

这个阶段为图13-1中的bc段所表示。

此时床内粉层肿胀，其高度随着流体速度的增大而增加，但床内压强并不增大，因此可在一个较大范围内变动流速而不影响液体所需的单位功率，这点是流化床的特征之一。

图13-1的b点就是固定床与流化床的分界点，称为“临界点”，此时的速度称为“临界速度”。

（三）气流输送阶段
流体速度继续增中到某一极限速度时，固体粉末颗粒流体从流化床中吹送出，这个阶段称为气动输送阶段。

从图13-1中c点开始即为此阶段。

C点处的速度称为流化床的极限速度。

由上可知，在掌握流化涂装技术中，应当将流体速度保持在临界速度W kp和极限速度W max中间。

固化流态化除三个阶段外，还按载体介质的不同分为”散式流态化“和“聚式流态化”两种。

当以流体为介质时，流化床均匀而平稳，且有一个稳定的上界面，它以每秒种数次的频率上下波动，压强除也随之上下不一。

如果在波动范围内取平均值，则仍可以认为不随流速而变动。

这种流态化称为“聚式流态化”，它又按孔际率的不同分为“密相”和“疏相”两种。

三、流化床的均匀性
众所周知，流化床内粉末流化状态的均匀性是保证涂膜均匀的关键因素。

粉末涂装用的流化属于“聚式流态化“。

当气体速度不太大时，床层还比较平稳。

若加大速度，即增加流化数W(W＝W/W kp)，床层内粉粒运动加剧，就会出现气泡。

气泡随着流化数的增加由小变大。

出现大气泡时，粉末颗粒被强烈地搅拌到界面上方，再增大流化数，大气泡就有可能占据流化床整个截面，这样床层将被分割成几段，产生“气截”、“腾涌”等现象，如图13-2所示。

大气泡猛烈冲击固体粉末，当气泡破裂时，粉粒被抛得很高，然后落入床层内。

气截现象将引起压强的剧烈波动，并恶化气流与固体粉粒的接触，使压强比下沉情况要大。

引起流化床床层不均匀的另一个原因是流流现象，见图13-3。

粉末粒度不均匀，其中特别是细小的颗粒容易产生内聚而形成孔渠。

气流从孔渠中流过的现象称为“沟流”或“气沟”。

沟流现象会使床层趋于不均匀，压强降波动比较大。

因为首先是由孔渠中的小颗粒转入流化，继而两旁粉粒开始运动，远离孔渠的粉粒则可能仍维持在固定床状态。

截面较大的流化床，其粉末流态化不均匀现象主要是由“大气泡”和“沟流现象”引起的。

流化床控制得很均匀是比较困难的，流化数必需经过大时的试验才能找到最佳值，一般流化数的选择以能够进行流化床涂敷操作即可，没有必要苛求绝对均匀。

刚开启流化床时，气量给得小一，再逐渐增加气量，达到相对均匀就可使用了。

流化床内粉末的悬浮率最高可达30%～50%。

2.1.3流化床涂装设备
（1）流化床结构
流化床主要是由气室、微孔室透气板和流化槽三部分组成。

图13-4是一种较为常见的桶形流化床结构。

其结构特点为：
一、气室部分采肜环形的铜管出风，并在两块多孔的均压板之间，夹一层羊毛毡，这样可使上升气流更为均匀。

二、流化槽的槽壁带有1：10的锥度。

这有利于粉末流动得更均匀。

为了提高流化槽
的空间利用率，流化槽亦可做成矩形或椭园形。

三、流化槽可用钢板、铝合金板、聚氯乙烯板或有机玻璃板等材料制作。

四、如图13-4所示在一般的流化床结构上增加振动机构，则将使粉料在流化槽里悬浮流化使得更为均匀，工件上的涂膜也较均匀，并且可以减少粉末的飞扬。

特别当压缩空气流刚进入流化槽时，容易使粉末启动悬浮，便于将粉层调节到均匀的悬浮状态。

对于直径大、床身高的流化床，这种振动装置能发挥出明显效果。

这类流化床称为“振动流化床”。

（2）微孔透气隔板
透气隔板是保障流化床达到均匀流化状态的主要元件。

微孔陶瓷隔板具有机械强度高，孔径分布均匀、气孔率高等优点。

这类透气隔板孔径有很多规格，一般在1.6～8.5ūm范围内。

聚乙烯和聚四氟烯制作的微孔透气隔板，使用效果也较理想。

特别是聚四氟乙烯透气隔板具有不粘粉末涂料的优点，受到用户欢迎。

本节重点采用环氧粉末和石英炒粘合制作的微孔透气隔板。

它的制作工艺简单，使用效果良好，对于涂装工作者有一定的实用价值。

一、配方
环氧粉末和石英炒粘合的透气隔板的配方见表13-1，控制石英砂的颗粒大小和环氧粉末量是保证隔板透气性能均匀和有较高机械强度的重要措施。

树脂量过大，石英砂颗粒大和粗，都会导致透气不均匀，相反则会降低隔板的强主。

配方二中因有粗颗粒石英砂，因此需加入一定量较细的石英粉，使透气性能达到要求。

组分，质量份石英砂
（60~80目）石英砂
（80~120目）
石英砂
（＜120目）
环氧粉末
(180℃下固化60min)
1 / 68 / 32
2 48 / 20 32
二、制作工艺
工艺流程如下：
配料模具准备制坯加热脱模后热硬化（一）配料：按表13-1配方进行配料，将料投入混和机中混和均匀，硬化后隔板的密度约
1.7左右。

（二） 模具准备
1、 将厚0.03~0.05mm 的聚酯薄膜或硅橡胶玻璃布（作脱模用）铺在钢板上并与之粘牢。

2、 按照隔板形状制作一个模板，其尺寸适当放大，这是考虑到粉料溶化后产生收缩率
为3%~5%。

（三） 制坯：将配好的粉料均匀倒入模具内，然后用金属块将粉末压实（如图13-5所示）
再用长刮刀（或直尺）将多余的物料刮去，隔板坯即制成。

（四） 加热脱模：将制好的隔板坯连同底板一起放入（180±5℃）的烘箱中加热15~30min ，
待粉料熔化后从烘箱中取出，除去模具稍为冷却后将隔板翻身，拉掉聚酯薄膜或玻璃布。

（五） 后热硬化：脱模后的隔板连同底板一起再放入（180±5℃）的烘箱中加热1～2h ，
取出冷却。

至此，微孔透气隔板已制作成功。

透气隔板的厚度按流化床的大小，可选择在6~14mm 范围内。

流化床直径超过700mm 的透气隔板的厚度可增至20mm ，并可在隔板两面粘巾浸有环氧树脂漆的玻璃布来增加隔板强度。

2.1.3 流化床涂装工艺
流化床涂装工艺流程如下：
（1）工件前处理
一般采用下面几种方法进行工件表面处理：
— 机械法：对工件采用喷砂或抛丸处理以除去工件表面的油污和锈斑。

— 人工法：用布或刷子，人工清理工件表面的灰尘、油污、锈斑等杂质。

— 化学法：根据工件表面所带的不同种类油污和不同程度的锈斑，选用相应的化学药液对
工作进行除油、除锈或者进一步进行磷化、钝化处理以确保被涂工件表面清洁及耐腐蚀等性能。

前处理 蔽覆 预热 开启流化涂敷 检查 除去蔽覆物加热固化
三氯乙烯蒸气清洗油污是一种简便而行之有效的方法，它的除油能力强，清洗效率很高。

三氯乙烯加热至87℃便蒸发为蒸气，当工件放入蒸气中时，由于工件温度较低，三氯乙烯蒸气在工作上又凝聚成流体，并不断将工作表面的油污溶解泫淌至流体槽中。

它的优点是使用方便，工件取出后立刻干燥。

清洗液不需要更换，只要定时除去液面浮油，槽液可以长期使用。

图13-6是三氯乙烯除油设备的示意图。

它的主要结构要求是：
—设备的加热功率和蒸气容量应满足工件批量生产要求的除油能力。

—图中电热管可选用管状加热器，冷凝管通自来水冷却。

汇流槽将冷凝的三气乙烯清洗液回收至槽底。

抽气系统防止逸出的少量蒸气污染工作场地。

—整个设备的内壁需采取防腐蚀措施，因为三氯烯在金属和氧气等催化作用下，会分解生成氯化氢，氯化氢会严重腐蚀设备的内壁。

一般槽内壁采用聚四氟乙烯板或不锈钢板制作。

为了防止三氯乙烯清洗液的分解，可以加入0.5%吡啶作为稳定剂。

通过试验证实中药村赤芍和栀子也有很好的防止分解的效果。

其用量为：赤芍1%～3%，栀子2%，它们的价格比吡啶便宜得多。

（2）工件预热
工作预热温度必须高于粉末涂料的熔化。

一般应高于粉末涂料熔化温度30~60℃。

预热温度的控制主要取决于工作的材料、形状、热容量大小，所需涂膜的厚度等因素。

工件的预热过高，会导致粉末涂料中高分子树脂分子的裂解、涂层产生气泡、涂层焦化、涂层过厚、流挂等现象。

工件预热过低，则粉末熔化后不能达到良好的流动性，导致涂膜不平整，而且不易到所要求的涂膜厚度。

因此在操作时要注意：热容量大的工件，预热则相应提高；涂层要求厚时，则工件的预热要高。

预热的时间主要也取决于工件的热容量大小，热容量大的工件，预热时间应长一些。

例如高密度聚乙烯适应的预热可用图13-7所示的“粉末容积”曲线上查得。

当然，这些曲线是在特定的工件和材质条件下试验获得的。

因此它的实用性有一定的范围。

工件的各类金属对于贮存热量的能力是有影响的。

同样尺寸的钢制件的贮热与铝制件相比的比数，在100℃时是90:60。

所以要在铝制件上涂同样的存度的涂膜时，其预热必须以钢制件作基准按比例地提高。

所以图中选择的只能作为参考，每种工件正确的预热温度应该通过试验后确定。

3 流化床浸涂
将预热后的工件迅速浸入流化槽中，乌黑在工件周围的粉末能过吸热效应吸收工件的热量，熔融粘附在工件表面，实现工件的表面涂敷。

浸涂过程中，浸涂的时间、浸涂的方式对涂层的厚度和质量有较大影响。

浸涂时间应根据工件所要求的涂膜厚度而定，涂膜较厚的工件，浸涂时间应控制较长。

要想得到所需的均匀涂层，工件浸沉于粉层后必须使涂件保持运动，可以是转动也可作水平或垂直方向的移动。

当粉层的流化状态不佳情况下，可将工件浸入粉层的中间并不静止不动，这样可避免产生严重不均匀的涂膜。

浸涂的方式取决于工件的形状，对于几何结构复杂、凹凸尺雨差异大的零件,在工件浸涂的同时，工件自身转动、翻向、上下或者在浸涂的同时，流化床自身振动。

这样都有利于膜的均匀性和提高涂层表面质量，对于涂膜要求特别厚的工件，可以进行多次涂敷。

多次涂敷既能保证工作达到要求的厚度，又能避免在涂层中开成气泡，浸涂时工件自转，是为了使粉末均匀粘附；工件翻向是为了使工件各个端面涂均匀；流化床自身振动，一方面为了提高涂膜的均匀性，同时也帮助槽内粉要起动悬浮，尤其对颗粒较大的粉末或槽内装填粉末较多的流化床有着更加显著的效果。

均匀的涂膜不是轻易就能获得，这是由于存在下述几方面的原因：
一、粉末流化是由于向上的气流造成的，与液体有本质上的不同，因此只要避部气泫受阻，就会出现局部粉末流化不好，造成工件上表面粉层堆积，下表面涂膜却很薄或不连续的现象。

阻挡面积越大这种现象越严重。

二、工件下部总是先浸入粉层中而又是最后离开粉层。

所以工件涂装后总存在上下部位涂膜厚度的差异。

三、粉末流化状态不均匀，使槽内各部份粉末密度不同，也会使涂膜不均匀。

针对上述存在的问题，在流化床涂装操作中采取以下措施来改善涂膜的均匀性。

①透气板必须达到透气均匀的要求，最好使用振动式流化床涂装。

②工件量以最小截面向床内灯层垂直浸入涂装。

③浸涂过程中工件应前后，左右摆动或作旋转运动（被工件形状而定）。

④浸涂过程中可将工件上下翻转180°涂装。

⑤对工件施工加以机械振动。

振动强度根据工件形状来定。

譬如铜条粉末自动涂敷机对工件施加每秒6~8次的频率，垂直振辐8~10mm的振动。

这种情况下，工件不必翻转就可获得均匀的涂膜。

对于粗笨的工作则可增加振动，减少振福。

⑥提高工件进出流化床的速度，可缩小工件上下部位涂膜厚度的差别。

一般要求工件进出速度大于0.7m/s为佳。

3.1 加热固化（塑化）
经过流化床浸涂后的工件，虽然粉末熔融，包覆在工件表面，但必须经过加热固化（塑
化）工序才能完成整个流化床涂装工艺。

加热固化工序对于热固性粉末涂料来讲，是使高分子树脂进一步交联聚合；对于热塑性粉末涂料来讲，通过热塑化有利于粉末地一步流平。

这样就能使涂膜具有更好的机械强度、电气性能、表面平整和光泽度等性能。

热固性粉末的固化条件（固化温度和时间）是否严格执行，对于固化后的涂膜性影响很大。

从图13-8的绝缘电阻和冲击强度与固化时间（固化温度为180℃）的关系曲线可以看出固化时间不够，涂膜的机械和电气性都明显下降。

固化时间过长则涂膜颜色变深，柔软性降低。

3.2 流化床施工注意事项
一、粉末涂料保持干燥，在使用和贮存过程中要防止粉末受潮、混入杂质和不同品质粉末，否则易使工作表面产生气泡、缩孔和杂质，影响涂膜外观质量。

进入流化床压缩空气必须经过净化干燥处理。

二、工件前处理的质量，对产品的涂膜和附着力有着较大的影响，应注意根据涂层质量的要求选择相应的前处理工艺。

三、蔽覆夹具
工件浸入流化床的流化粉末中，必须用夹具夹住工件。

蔽覆就是把工件涂敷的部位遮盖起来，使它不与粉末接触。

因此，尽可能使夹具与蔽覆结合起来。

（一）蔽覆夹具的要求
1、夹具夹住工件要牢靠。

夹具不但能承受工件的重量，而且在工件振动时也能夹牢。

2、蔽覆夹具装卸工作方便。

最好采用自动开闭的结构。

3、蔽覆夹具尽可能有冷却装置，例如采用风幕冷却。

这样蔽覆夹具不粘粉末，可以长期使用不需清理。

4、制造蔽覆夹具的材料宜选用粘上半熔粉末时容易清理的材料，例如聚四氟乙烯、甲基乙烯硅橡胶等材料。

（二）硅橡胶弹性蔽覆夹具
这种夹具类似于内胀胎夹具（如图13-9所示），主要用于保护工作内圆表面。

硅橡胶胀胎的外径比工作内径小2~3mm。

胀胎通过压缩空气后硅橡胶胀开，将工件内圆胀紧工件涂敷完毕后排去空气，蔽覆夹具即能方便取出。

这种蔽覆夹具装卸方便，蔽覆效果良好。

硅橡胶熔粘粉末后很容易除去。

但它的缺点是容易吸热使硅橡胶温度升高。

夹具工作时间长了就会熔粘上粉末，需要清理后才能继续涂装。