Методы зарядки порошковых покрытий

С начала 70'х годов прошлого сто­летия технология порошковой элек­тростатической окраски является одной из самых быстроразвивающих- ся и широко применяемых технологий окраски металлов в мире.

Существуют два метода зарядки по­рошковых красок - трибостатический (трибо-зарядка) и зарядка в поле корон­ного разряда (коронная зарядка). На раз­личных стадиях развития порошковой технологии, то один, то другой метод на­ходил большую популярность в разных регионах мира. Споры о том, какой метод лучше, продолжаются и сегодня. Однако зачастую аргументы, приводимые в за­щиту преимуществ того или иного метода, не являются научно-обоснованными и ча­сто определяются коммерческими инте­ресами производителя или продавца обо­рудования.

Эта статья представляет читателю анализ особенностей, преимуществ и не­достатков обоих методов зарядки с це­лью облегчения выбора потребителем того метода, который наиболее близко соответствует его производственным требованиям, возможностям контроля процесса и бюджету.

Многие характерные черты обоих ме­тодов зарядки вытекают непосредствен­но из физики процесса обретения заряда частицами порошка. Поэтому стоит на­чать с краткого описания процесса.

Трибостатическая зарядка

В переводе с греческого, трибо озна­чает «тереть». Значит ли это, что, говоря о трибо-зарядке, мы имеем в виду заряд­ку трением?

Мы часто наблюдаем трибо-зарядку в повседневной жизни - статическая элек­тризация синтетической одежды, разряд при касании к дверной ручке после хож­дения по ковру, грозовой разряд молнии - все эти случаи являются характерными примерами трибо-заряда. И хотя мы хоро­шо знакомы с результатами трибо-заряд- ки, ученые до сих пор не всегда приходят к согласию о тонких деталях того, как этот заряд приобретается. Наиболее ши­роко приемлемое объяснение трибо-за- рядки можно вкратце описать таким об­разом:

Разные материалы имеют разные зна­чения энергии, требуемой для удаления одного электрона с уровня орбиты атома («рабочая функция»).

Если создать контакт между материа­лами с разными рабочими функциями, электроны из материала, требующего меньшей энергии, перетекут в материал, требующий большей энергии.

В результате перехода электронов из одного материала в другой, материал, те­ряющий электроны, становится положи- тельно-заряженным, а обретающий элек­троны - отрицательно заряженным.

Способность материалов принимать или отдавать заряд при контакте отраже­на в трибостатической серии, пример ко­торой приведен в Иллюстрации 1.

Если принять вышеприведенную тео­рию, то при чем тут трение? Ведь доста­точно было бы просто приложить один материал к другому и получить заряд. И это действительно так. Но...

Во-первых, трение повышает площадь поверхности контакта между двумя мате­риалами - например, частицами порошко­вой краски и зарядными поверхностями внутри напылителя.

Во-вторых, в повседневной жизни практически не существует идеально чи­стых поверхностей - всегда присутствуют загрязнения из окружающей среды, тон­кие плёнки влаги и т.д. Трение позволяет проникнуть через «барьер» поверхност­ных загрязнений и получить прямой кон­такт между заряжаемыми материалами.

В-третьих, за счет трения происходит перенос одного материала на другой, что также способствует процессу зарядки.

Факторы, влияющие на эффектив­ность трибо-зарядки.

Для повышения эффективности три- бо-зарядки порошковых покрытий важно следующее:

Оптимальный подбор пары кон­тактирующих материалов.

Наиболее широко распространенным материалом, применяемым в качестве зарядной поверхности внутри трибо-на- пылителей, является Фторопласт (PTFE), или Тефлон. Согласно трибостатической серии, фторопласт является одним из наиболее электронегативных материалов - получает электроны при контакте со многими другими материалами, обретая отрицательный заряд. Соответственно, многие материалы, контактирующие с фторопластом, отдают электроны и об­ретают положительный заряд.

Логично заключить, что, в зависимо­сти от их электроположительности (элек­троотрицательности), различные по со­ставу порошковые краски будут заряжаться в разной степени при напы­лении через один и тот же напылитель. Например, эпоксидосодержащие порош­ковые материалы создают хорошую пару и с готовностью отдают электроны при контакте с фторопластом. В то же время полиуретановые краски будут менее эф­фективно заряжаться при контакте с фторопластовыми заряжающими поверх­ностями. 

Можно ли получить хороший трибо-за- ряд на тех порошках, которые плохо за­ряжаются внутри фторопластовых напы- лителей? Можно, например, используя Нейлон в качестве зарядной поверхно­сти. Нейлон - ярко выраженный электро­положительный материал, который с лег­костью отдаст электроны другим материалам. Тем не менее, нейлон не на­ходит широкого применения в качестве трибо-заряжающего материала в порош­ковой индустрии. Дело в том, что нейлон жесток и большинство порошковых мат риалов будут подвержены ударной полимеризации при трении/ ударении о нейлоновые поверхности. Результирующее покры­тие ударно- полимеризированного порошка на заряжающих по­верхностях значительно снижает эффективность зарядки или приводит к забиванию канала распылителя. 

Размер частиц порошковой краски.

Поскольку зарядка частиц порошка зависит от того, насколь­ко эффективно мы можем создать трение (соударения) между частицами порошка и зарядными поверхностями распылителя, логично заключить, что более крупные частицы порошка заря­дятся лучше, чем мелкие. Это объясняется не только тем, что крупные частицы имеют большую инерцию, но и большей пло­щадью их поверхности. Поэтому для оптимизации эффективно­сти трибо-зарядки не только материал (химический состав) ис­пользуемого порошка должен быть подходящим, но и распределение частиц порошка по дисперсности не должно со­держать повышенного объёма «мелочи».

Распределение частиц порошка по размеру, как правило, ха­рактеризуется нормальной кривой, на которой указывается средний размер частиц (медиана) и процентное содержание ча­стиц (по объёму) на каждый инкрементный размер (10, 20, 75 микрон и т.п.)

Рекомендуется всегда уведомлять вашего поставщика по­рошка о том, что вы используете трибо-распылители, и навести справки о заряжаемости порошка трибо-методом и распределе­нии частиц порошка по размеру. Как правило, желательно, что­бы частицы размером менее 15 микрон не составляли более, чем 10-12% от объёма порошка. Более высокое содержание до­пустимо в мелко-дисперсных порошках с узким нормальным распределением (средний размер частиц менее 25 микрон)

Уровень загрязнений на поверхности контактирующих материалов.

Наиболее типичным «загрязнением» является влага из ат­мосферного или сжатого воздуха. Например, зимой, в морозную погоду, при низкой влажности воздуха мы гораздо более вероят­но испытаем разряд при прикосновении к дверной ручке после ходьбы по ковру или вылезая из машины. Так же и в процессе зарядки порошкового материала внутри трибо-напылителя - чем ниже влажность сжатого воздуха, используемого для транспор­тировки порошка, тем выше эффективность зарядки.

Таким образом, для эффективной трибо-зарядки важно иметь хорошую систему подготовки и осушения сжатого воздуха - систему, дающую воздух, полностью свободный от масел и с точкой росы (-10°С) и ниже. Конструкция зарядной системы внутри напылителя. Наиболее элементарным трибо-напылителем является фто­ропластовая трубка, скрученная в спираль (Иллюстрация 2). Эффективность зарядки в такой трубке ограничена тем, что только небольшая площадь внутренней поверхности трубки ис­пытывает интенсивное соприкосновение с порошковым матери­алом. При протекании порошково-воздушной смеси через спи­раль (или любой изогнутый канал) центробежные силы отделят порошок от воздуха, и наибольшая плотность потока порошка будет у наружного радиуса трубки. В дополнение, только те ча­стицы порошка, которые находятся в непосредственном контак­те со стенками зарядной трубки, получат заряд, остальные мо­гут остаться незаряженными (или слабозаряженными), если не создать турбулентности и перемешивания потока порошка. Таким образом, для эффективной трибо-зарядки порошка распылитель должен: иметь дизайн, приводящий к множественным контактам меж­ду частицами порошка и заряжающими поверхностями; способствовать турбулентному перемешиванию порошка при прохождении через распылитель, давая возможность как можно большему числу частиц порошка соприкоснуться с заряжающи­ми поверхностями; 

При зарядке порошка в поле коронного разряда, высоко­неоднородное электрическое поле создаётся между зарядным лектродом распылителя и заземленным окрашиваемым изделием.

Коронный разряд наполняет пространство между зарядным электродом и изделием огромным количеством ионов (заряженных молекул воздуха). В процессе напыления некоторые ионы присоединяются к частицам порошка, тем самым заряжая их. К сожалению, многие ионы остаются «свободными» - не при­соединенными к частицам порошка. Следуя линиям электриче­ского поля, свободные ионы летят к заземленному изделию со скоростями, во много раз превышающими скорости частиц по­рошка (см. Иллюстрацию 5). Если поверхность изделия не имеет диэлектрического по­крытия, заряд, приносимый на изделие свободными ионами, стекает на землю, не оказывая негативного влияния на процесс. Однако, как только порошковое покрытие формируется на по­верхности изделия, способность свободных ионов стекать на землю становится ограниченной, и они начинают повышать ку­мулятивный заряд на слое наносимого покрытия. Накопление заряда на слое покрытия ведет к развитию «обратной иониза­ции» - электрических разрядов внутри слоя наносимого покры­тия, которые приводят к ухудшению качества покрытия и значи­тельному снижению эффективности депозиции порошковых частиц. Если окрашиваемое изделие уже имеет слой диэлектриче­ского (оплавленного) покрытия (как случается при перекраске или многослойном покрытии), свободные ионы заряжают по­верхность изделия и отталкивают подлетающие заряженные частицы порошка, ограничивая возможность нанесения нового слоя покрытия. Одной из отличительных особенностей систем коронного раз­ряда является влияние наружного электрического поля (поля коронного разряда) на проникновение частиц порошка в трудно­доступные участки поверхности детали - эффект клетки Фарадея. Как видно из Иллюстрации 6, комбинация полей коронного разряда и объёмного заряда создают поле высокой интенсив­ности в районе выступов или краёв углублений. Это интенсивное поле способствует более интенсивному осаждению частиц за­ряженного порошка в этих участках окрашиваемого изделия и может в определенной степени препятствовать проникновению частиц порошка внутрь углублений. При отсутствии контроля над током зарядки и числом свободных ионов обратная иониза­ция может развиваться на выступающих участках изделия зна­чительно раньше, чем покрытие на углубленных поверхностях успевает сформироваться, эффективно препятствуя его форми­рованию.

Побочные явления, связанные с силой поля в зоне осажде­ния порошка, обратной ионизацией и накоплением заряда на поверхности окрашиваемого изделия, являются очень нежела­тельными при оптимизации процесса порошковой окраски. Тра­диционно, создание избыточного числа свободных ионов было одним из основных недостатков процесса коронной зарядки по­рошковых красок.

В 1994 году, в результате глубоких научных исследований и программы экспериментов, специалисты Нордсон разработали технологию SelectCharge которая, совместно с примененным методом ограничения тока коронного разряда, позволила значи­тельно повысить эффективность процесса нанесения порошко­вых красок и прокраски труднодоступных участков изделий сложной формы. Новая технология позволила не только четко контролировать число свободных ионов, производимых корон­ным разрядом, но и менять динамику процесса зарядки и силу поля, оптимизируя процесс нанесения покрытий не только в за­висимости от формы окрашиваемой поверхности, но и от специ­фики работы оператора. Применение автоматического ограни­чения тока разряда и технологии SelectCharge позволили значительно повысить эффективность нанесения покрытий на изделия сложной формы, замедлить процесс развития обратной ионизации и повысить качество наносимых покрытий.

Новые технологии были воплощены в 1995 году на серии обо­рудования Sure-Coat (Иллюстрация 7), в которой впервые в ин­дустрии были применены специальные режимы окраски для из­делий различной формы, перекраса, работы с металликами. Те самые режимы окраски, которые за последние 2-3 года были в той или иной степени и с разным успехом имитированы многими производителями систем порошковой окраски от Турции до Швейцарии.

Процесс осаждения заряженного порошка

Иногда приходится слышать, что системы с трибо-зарядкой не создают электрического поля между распылителем и напы­ляемым изделием. В силу этого, укрывистость углублений и про­чих трудно-доступных участков изделия якобы оказывается значительно лучше при использовании трибо-распылителей. 

Такие утверждения не совсем правиль­ны. Всякий раз, когда имеется заряд, име­ется и электрическое поле. В системах коронного разряда (Илл. 5 и 6), имеются два источника электрического поля - за­рядный электрод распылителя это куму­лятивный заряд облака заряженных ча­стиц порошка и свободных ионов. Электрическое поле в зоне осаждения порошка (вблизи поверхности детали) является результатом взаимодействия (не суммой) этих двух полей.

В системах с трибо-зарядкой (Иллю­страция. 8) электрическое поле вблизи поверхности напыляемого изделия также существует и (в зависимости от степени заряда порошка) может быть достаточно значительным.

Тем не менее, отсутствие «наружного» поля, как при коронном разряде, опреде­ленным образом облегчает нанесение по­крытия на внутренние поверхности изде­лий сложной формы. 

Важным отличием трибо-систем явля­ется отсутствие свободных ионов (заря­женных молекул воздуха) в системах трибо-напыления. Отсутствие свободных ионов снижает интенсивность поля объ­ёмного заряда и значительно замедляет развитие обратной ионизации на поверх­ности напыляемого изделия. В силу по­следнего, качество (гладкость, отсутствие шагрени) поверхности покрытий, наноси­мых трибо-методом, иногда превосходит качество покрытий, достигаемых тради­ционными системами коронного разряда. Отсутствие свободных ионов также дела­ет трибо-системы идеальным в тех случа­ях, когда требуется нанесение нескольких слоёв порошкового покрытия. Например, Иллюстрация 9 пока­зывает процесс окра­ски геометрически несложных для по­рошкового покрытия изделий - велосипед­ных рам. Но иллюзия «несложности» исче­зает, когда мы узнаём, что это процесс нане­сения сначала «цве­тового», а затем про­зрачного порошкового

покрытия на рамы велосипедов Schwinn. Оба наносятся поверх уже имеющихся на поверхности слоев электрофореза и грунтового покрытия. При использовании систем коронной зарядки свободные ионы привели бы к быстрой зарядке диэ­лектрической поверхности уже нанесен­ных покрытий и формирование равно­мерного и гладкого слоя лака было бы затруднительно.

Еще одним важным различием между системами трибо- и коронного заряда яв­ляется, зачастую, аэродинамика процес­са напыления. Возможность использова­ния с трибо-системами гораздо большего ассортимента насадок часто позволяет достичь высокой равномерности факела напыления и предоставляет больше воз­

можностей оптими­зации аэродинамики в зоне осаждения покрытия. Полезно отметить, что опти­мизация нанесения покрытия на трудно­доступные участки изделий часто в го­раздо большей сте­пени зависит от аэро­динамики процесса нанесения, нежели от электростатики.

Иллюстрация 10 показывает нанесе­ние покрытия на жалюзный распредели­тель воздушного потока-деталь, спроек­тированную для эффективного пропускания через себя воздуха и являю­щуюся одним из самых сложных изделий для порошковой окраски. Если факел на­пыления имеет избыточную скорость, ча­стицы порошковой краски пролетят через проёмы изделия без малейшего шанса осаждения. Трибо-распылитель, осна­щенный надлежащей насадкой, создаёт очень мягкий и равномерный факел на­пыления, необходимый для высокоэф­фективного и полного прокраса.

Стоит отметить еще и тот факт, что правильно спроектированная насадка трибораспылителя может значительно улучшать эффективность зарядки по­рошка.

Как видно из выше приведенного ана­лиза, оба метода зарядки частиц приме­няемые в индустрии порошковой окраски имеют свой преимущества и недостатки. Иллюстрация 11 суммирует их.

Заметьте, что среди критериев срав­нения двух методов зарядки отсутствует критерий «Эффективность нанесения». Дело в том, что эффективность зависит от дизайна оборудования и от того, как это оборудование используется потреби­телем.

За последние 5-7 лет развития инду­стрии нанесения порошковых покрытий, можно с уверенностью сказать, что ко­ронные системы зарядки доминируют рынок по числу используемых в мире рас­пылителей.

Основными причинами для этого являются:

  • эффективность зарядки широчайше­го ассортимента красок;
  •  низкая чувствительность к влажно­сти окружающего и сжатого воздуха;
  • возможность быстрой смены цвета;
  • разработка новых методов контроля процесса которые минимизируют тради­ционные недостатки систем коронного разряда.

Несмотря на более широкую популяр­ность ситем коронной зарядки, апплика­ции в которых трибо обладает значитель­ными преимуществами продолжают и будут существовать. Относительно низ­кие стоимость, легкость дизайна и произ­водства элементарных трибо-распылите- лей также способствует их популярности в развивающихся рынках. Тем не менее следует отметить, что при выборе метода зарядки порошковых красок, который наиболее близко отвечает вашим требо­ваниям не следует руководствоваться низкой стоимостью, т.к. при экономии ин­вестиций в оборудование потребитель, как правило, платит гораздо больше за повышенное потреблении порошка.

Об Авторе:

Дипломированный инженер-электрик, Сергей Гуськов является автором множе­ства технических статей и докладов, опу­бликованных в ведущих журналах инду­стрии обработки металлов США, где он работал на разных должностях в фирме Nordson в течение 12 лет. В настоящее время он является региональным менед­жером фирмы Nordson по Восточной Ев­ропе и отвечает за развитие рынка обо­рудования порошковой и жидкой окраски. Вопросы и комментарии по содержанию данной статьи и по технологии и оборудо­ванию электростатического нанесения порошковых покрытий могут быть адре­сованы автору по электронной почте - sguskov@nordson.com