文/袁忠才，朱启明，刘丙进
安徽景成新材料有限公司
摘要：粉末颗粒带电性能是制约粉末涂料静电喷涂上粉率，乃至工件表面涂层特征的关键因素。基于对静电喷涂典型工作原理的分析，考察粉末颗粒带电机理，得出影响带电量的主要因素包括静电场强度、颗粒粒径和介电常数，并考察了典型静电喷涂场景下这些因素的影响大小，分析了这些因素与粉末涂料种类和制备工艺之间的关系，为设计和制备粉末涂料提供参考。
关键词：荷电，颗粒，粉末涂料，静电喷涂
Analysis of Influence Factors on Powder Charge in Electrostatic spraying
Yuan Zhong-cai, Zhu Qi-ming, Liu Bing-jin
(Anhui Kingcham New Materials Co., Ltd., Hefei)
Abstract:The electrification of powder particles is a key factor that restricts the powder loading rate of electrostatic spraying of powder coatings and even the coating property of workpiece surface. Based on the analysis of the typical working principle of electrostatic spraying, the electrification mechanism of powder particles was investigated, and the main factors affecting the electrification were obtained, including electrostatic field strength, particle size and dielectric constant. The influence of these factors on the typical electrostatic spraying scene was investigated, and the dependencyof these factors on the types of powder coatings and the preparation process was analyzed, which provides a reference for the design and preparation of powder coatings.
Key words: Charged, Particle, Powder Coating, Electrostatic Spraying
0 引言
粉末涂料通常采用静电喷涂的方式来为工件上粉。在粉末涂料静电喷涂过程中，粉粒经由喷枪头部的喷嘴喷出，在电场力与气动力共同作用，粉末颗粒沿一定的运动轨迹到达工件表面，并在到达工件表面上后形成一种新的电荷镜像力，把带电粉末颗粒牢牢地粘附在接地工件表面。由此可见，粉末颗粒带电性能成了制约静电喷涂上粉率，乃至工件表面涂层厚度、微观形貌(如细腻度)等特征的关键因素。
为此，基于对静电喷涂典型工作原理的分析，考察粉末颗粒带电机理，得出影响带电量的主要因素，并考察了典型静电喷涂场景下这些因素的影响大小，并分析了这些因素与粉末涂料种类和制备工艺之间的关系，相关结论为设计和制备粉末涂料提供参考。
1 粉末涂料静电喷涂典型工作原理
粉末涂料的静电喷涂是指通过在喷枪和待喷涂工件之间形成静电电位差，使由喷枪发出的涂料粉末可以在各种力的综合作用下均匀地吸附在工件表面的过程，如图1所示。
通常待喷涂工件保持良好接地，喷枪上的针尖连接负高压，从而在针尖和工件之间形成静电场。可以大致将静电喷涂过程细分为几个相互关联的子过程：喷枪针尖附近高压电晕放电，粉末粒子流过放电区带电，带电粒子在静电场的作用下加速运动并吸附到工件表面，带电粒子在工件表面沉积、积累电荷使电场减弱，工件表面的粉末颗粒达到一个动态平衡，最终沉积一定的厚度。
在静电粉末喷涂过程中，粉末颗粒经由喷枪头部的喷嘴喷出，从直观表面上看，似乎是由气流把粉末颗粒推到工件表面并沉积在其表面上。但实际上把粉粒推到接地工件上的作用力不仅只是气流，而且还有由喷枪头部所带的静电高压与工件之间建立起来的静电场和带电粉末云团间形成的电场力的作用。电场力与气动力共同作用使粉末颗粒沿一定的运动轨迹到达工件表面并在到达工件表面上后形成一种新的电荷镜像力，把带电粉末颗粒与接地工件表面牢牢地粘附在一起。由此可见，粉末颗粒的带电性能是影响上粉率的关键因素。
2 粉末颗粒带电机理
粉末颗粒带电是指含粉末气体流过喷枪电极之间的高压电晕电场时，粉末粒子荷电的过程，按其机理分为扩散荷电和电场荷电两类。
扩散荷电是由于离子和颗粒作不规则热运动和相互碰撞而使颗粒荷电的过程。该过程不需要外加电场，作为一级近似，也与颗粒的组成无关。即使存在外加电场，对于直径小于0.2μm的颗粒，扩散荷电仍是颗粒荷电的主要途径。
式中：qd—扩散荷电量，单位C；K-B—玻耳兹曼常数，K-B＝1.38×10-23J/K；T—绝对温度，单位K；ε—粉末颗粒的相对介电常数；ε0—真空介电常数；r—颗粒粒径，单位um；e—电子电荷量，＝1.6×10-19C。
电场荷电是指带电粒子（电子、离子或带电颗粒）在静电力作用下做定向运动，与粉末颗粒碰撞而使颗粒荷电。
在静电粉末喷涂过程中，从枪口喷出的粉末要通过一个强电场和自由电子密集区，在通过这样的区域时，粉粒就如上所述地带上了电。那么粉粒带电的多少以及带电的规律又受什么因素的制约呢？Pauthenier（波德尼尔）通过试验和研究回答了这个问题[1]：
对于静电喷涂，时间常数
（t为粒子在荷电电场中的停滞时间），通常假定粒子很快达到饱和荷电量
式中：E—荷电场强，单位V/m；qf—电场荷电量，单位C；τp—时间常数，单位s。
当考虑气体分子平均自由程λ（与气压、温度等有关）对粒子荷电作用的影响，导出电场荷电和扩散荷电联合作用的电量计算式[2]：
当粒径r≥λ时，式（4）即为粒子电场荷电的饱和电量表达式。通常，当r＞1um时，用式（3）计算粒子的荷电量有很好的近似；r＜0.2um时，由式（4）计算有较高的精度。考虑到粉末涂料静电喷涂过程中，绝大部分颗粒的粒径大于1um，以电场荷电为主，因此直接采用式（3）计算粒子的荷电量是合适。
3 影响因素分析
从式（2）、（3）或（4）任一可知，粉末颗粒的带电量主要受电场强度E、粉末颗粒粒径r和粉末涂料颗粒的介电常数这三个因素的影响，下面逐一加以分析。
3.1 电场强度
在典型的粉末涂料静电喷涂作业中，静电发生器通过喷枪枪口的电极针向工件方向的空间释放高压静电，通常输出电压60～80kV，输出电流约50μA。
当喷枪针尖与工件之间距离在20cm，施加的电压为80kV负高压时，喷枪枪针与接地的平板工件之间的电场强度分布如图2所示，整个区域内平均电场强度约为105V/m。图3对应图2中枪针附近局部区域放大时的电场强度和电晕放电产生的等离子体电子密度分布，可以看出，由于尖端效应，枪针尖附近的电场强度达到107V/m以上，超过了空气在大气压下的击穿电场强度，从而在针尖附近发生电晕放电，形成一定电子密度分布的等离子体。
由静电理论可知，随着输出电压减小、喷枪与工件间距离增大，电场强度减小；反之，电场强度增大。但值得注意的是，由于枪针和工件之间通常是点-面结构，电场强度随两者之间距离的变化并不是完全线性的。带电颗粒在静电场中受到的库仑力F=qE，因此综合来看粉末静电喷涂中颗粒所受库仑力与电场强度的平方成正比。
在一定范围内，调整静电喷涂参数以增大静电场电场强度对提高粉末的上粉率是有利的，但电场强度的增大也会带来负面的影响，主要会促进工件表面颗粒间的反电离现象的发生，从而影响涂层质量。因此，通常要求输出电压以及喷枪与工件间距离控制在合理区间。由于枪尖处的电场强度远大于静电喷枪其他部分的电场强度，考虑到通常情况下粉粒在喷出枪口的瞬时速度往往低于5m/s，故可知在距喷枪枪针20mm的范围内，粉粒基本完成了大部分带电任务，4毫秒之后充电效率就基本稳定在充电曲线的平坦段上。
3.2 粒径
从式（2）和（3）可以看出，粉末涂料颗粒所带电荷量与其粒径的平方成正比，表明粉粒带电强烈地受到自身几何尺寸的影响，这也是超细粉末不易带电的原因。但颗粒粒径不能无限制地增大，主要受到以下两方面的制约。
首先，粒径增大，颗粒受到的重力相应增加，影响颗粒在场中受到的合力。以球形颗粒为例，其质量的增加与粒径的3次方成正比，也就是说质量和重力随粒径增加的速率比电荷量和静电力随粒径增加的速率大。因此，对于一定质量密度的材料，当粒径增大到一定程度时颗粒所受的重力势必会超过静电力。其次，粒径增大，吸附在工件表面的颗粒固化过程中流平需要更长时间，影响涂层的表面形貌，如降低细腻度，可能形成表面质点等。
因此，在实际应用中，通常选择粉末颗粒中心粒径30-40um，且粒径分布越集中越好。粉末涂料配方一般由成膜物、颜料、填料和助剂组成，成膜物类型和填料含量对所生产粉末的粒径和分布影响比较大。成膜物的类型和填料的含量能直接影响经过熔融挤出的料片在室温下的韧性，韧性越大，越不容易破碎。经过同一类研磨筛选系统时，料片韧性越大，所得到的平均粒径接近的粉末中细粉（<10μm）量就越少。
在实际生产中可以通过研磨参数和涂料配方组成来调整。研磨参数方面，可以通过调整主副磨转速、风压、风量来调整粒径和分布，进而保证生产效率和粒径分布的均衡。配方方面，可以通过选用不同柔韧性的聚酯，调整填料的添加量，达到粒径分布、性能和成本的均衡。
3.3 颗粒介电常数
介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场，介质中的电场减小与原外加电场（真空中）的比值即为相对介电常数。介电常数是相对介电常数与真空中绝对介电常数乘积。
粉末涂料可以视为一个有机高分子聚合物与无机颜、填料的复合材料，而复合材料的介电常数不仅取决于聚合物和无机填料各自的介电常数，也与各自的体积分数有关[3]。通常粉末涂料介电常数与聚酯的介电常数及其体积分数都成正比关系，在颜填料不变的情况下，粉末涂料的介电常数将随聚酯介电常数的变化而变化。
物质的介电常数由其极化特性决定，根据Clausius Mosotti方程，聚合物介电常数ε与极化率α、极化相对分子质量M和分散密度ρ的关系为[4]：
其中NA为阿伏伽德罗常数。由式（5）方程可知，提高聚合物介电常数的途径包括提高分子极化率α，即选择高极化能力的材料；增加单位体积内极化分子数，即提高极化分子的分散密度ρ，降低极化分子的分子量M。
进一步地，影响聚合物分子极化率α的因素有分子极性基团的大小、极性基团的密度以及极性基团的可动性。极性基团的越小、密度越高或者可移动性越高，聚合物的值越大。常见有机聚合物介电常数的典型值如表1所示。
基于以上模型，对粉末涂料而言，为了提高其介电常数，可以通过提高聚酯的介电常数来实现；而为了提高聚酯的介电常数，通常可通过提高聚酯极化基团—酯键的密度、提高极性基团的可移动性、降低聚酯分子量等来实现。比如，可以通过提高聚酯的支化度、降低软化点、采用非对称单体合成聚酯等方法来提高极性基团的可移动性。
4 小结
静电喷涂中粉末颗粒带电主要受电场荷电机制的制约，其带电量主要受电场强度、粉末颗粒粒径和粉末介电常数的影响，其中前两者的影响较大。带电量与电场强度成正比，进而粒子在场中所受静电场力与电场强度的平方成正比，但电场强度的大小同时受堆积颗粒反向电离等因素的制约；带电量与颗粒粒径的平方成正比，但要综合考虑粒子所受重力、粒子在固化过程中流平特性的制约。考虑到有机聚合物在粉末涂料中占比较大，前者的介电常数基本决定了后者的介电常数，而聚合物的介电常数的调节可通过调整其分子极化率来实现。
这里仅考察了粉末涂料的静电喷涂过程，限于篇幅，对于颗粒沉积到工件表面后的行为和影响因素没有考察，将另文给出。
参考文献：
[1]K. Adamiak. Rate of charging of spherical particles by monopolar ions in electric fields, IEEE Transactions on Industry Applications 38, 1001-1008 (2002)
[2]H. J. Schmid, S. Stolz, H. Buggisch. On the modelling of the electro-hydrod ynamic flow field in electrostatic precipitators[J]. Flow Turbulence & Combustion, 68(1): 63-89(2002).
[3] 殷之文，电介质物理学(第二版)，科学出版社，北京，2003
[4] K. Charles. Introduction to Solid State Physics 8th, USA: John Wiley & Sons, Inc.: pp. 460–465, 2005.
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