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
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