李月林，高晓娟，许永攀
(天津七所高科技有限公司，天津300409)
摘 要：粉末喷涂具有环境友好、生产效率高、涂层机械性能好等突出优势，是大型车辆涂装的发展趋势。大型货车外壳具有大表面积和异形结构的特征，其异形特征与喷涂工艺之间可以产生相互影响的耦合效应，直接影响涂层厚度的均匀性，如何保证均匀的涂层厚度是提高涂装制品质量的关键。为了更合理的指导粉末涂装工艺设置，本研究综合考察了喷涂电压、喷涂时间以及工件曲率半径对工件涂层厚度的影响。结果显示，在一定范围内提高喷涂电压和喷涂时间，可以提高涂层厚度，但是过高的喷涂电压和喷涂时间，粉末与工件之间会发生击穿，并减小涂层厚度；提高喷涂电压，到达最大涂层厚度的时间缩短；工件曲率半径越小，表面电荷密度越高。达到最大涂层厚度的喷涂电压和喷涂时间越小。在实际生产中，必须综合考虑喷涂电压、喷涂时间以及工件曲率三个因素对涂层厚度的影响。本研究成果将为精确优化粉末喷涂生产工艺提供理论依据。
关键词：汽车涂装；粉末喷涂；异形结构；工艺设置；静电场
中图分类号：TQ638
文献标志码：A
文章编号：1001-9677(2023)12-0219-04
静电粉末喷涂起源于1962 年，由法国 Sames公司开发并实现工业化，这一技术依靠喷枪放电针与接地工件之间的高压电晕场，通过静电力与气流的作用将带电颗粒喷涂并附着在工件之后加热工件使粉末熔融并交联固化，最终得到均匀的表面涂层。这种技术相对于传统喷涂技术具有以下突出优势：
(1)涂料颗粒在喷出后依靠同性电荷之间的斥力可以实现良好的雾化和分散，同样由于同性相斥的原因，工件表面的粉末厚度在达到一定程度便不再继续增长并与静电电压正相关，这一特性使静电粉末喷涂可以获得厚度均匀且易于调节的涂层，并且只需要单次喷涂就可以得到所需的涂层度。
(2)粉末涂料不含任何挥发性溶剂，并且喷涂后的废粉颗粒可以方便的回收再利用，具有环境友好的特点。
(3)粉末喷涂颗粒是大分子质量预聚物，可以形成更高分子质量的涂层，因此具有更佳的机械性能。得益于粉末喷涂的以上优势，近20年来，粉末喷涂在汽车涂装领域获得日益增多的应用，尤其对于大型货车外壳，采用静电粉末涂装技术可以显著减少环境污染、提高制品耐用度。
大型货车外壳具有大表面积和异形结构的特征，如何保证均匀的涂层厚度是提高涂装制品质量的关键，在静电粉末喷涂工艺中，涂层厚度主要取决于构件表面静电力的平衡:在喷涂过程中，工件带有负电荷，而粉末带有正电荷，电场力的作用使粉末克服重力吸附在工件表面上，随着粉末在工件表面不断堆积，正电荷在工件表面持续堆积，最终达到电荷平衡状态并使粉末厚度达到最大值。
对于大型货车外壳，电场强度、工件形状等因素可以直接影响制品表面电荷分布，进而对涂层厚度产生直接影响，实际生产过程中还发现，这些因素之间还存在强协同效应，导致涂层厚度变化呈现非线性、强合的演化特征，掌握这些因素对涂层厚度的耦合影响，对于准确控制涂层厚度、保证涂装均性，提高制品良品率具有重要意义。喷涂电压、喷涂时间和工件形状是影响喷涂质量的最关因素，它们共同决定了最终工件的涂层厚度。
因此本研究拟对这三个因素开展研究，探明它们影响粉末喷涂涂层厚度的协同作用规律，为优化粉末喷涂生产工艺提供理论依据，
1实验
1.1 实验原料与仪器
A500聚酯型粉末涂料，东莞市爱粤金属粉末有限公司；
NV622 电子天平，豪斯国际贸易(上海)有限公司；
F400涂层测厚仪，浙江戴纳自动化技术有限公司;
往复机喷涂设备:天津七所高科技有限公司自研；
喷涂试样:分为平板试样(尺寸1 000 mmx1 000 mm)和曲面样品(喷涂表面曲率半径:200 mn和 100 mm，高度1 000 mm)，以上试样材料均为 WOK440 型钢，试样结构尺寸如图1所示。
1.2 实验流程
所有试样在喷涂之前均需进行预处理，其工艺步骤包括，脱脂、水洗、磷化、水洗、纯水洗、烘干，接着使用往复机涂装置对试样进行喷涂，最后进行固化处理，具体工艺参数见表1，试样通过喷涂机的时间(即喷涂时间)在10~30s之间,并以5s为梯度依次增加:喷涂过程中，喷枪方向始终垂直于试样中心，除喷涂面以外，其他表面均粘贴美纹纸进行遮蔽。
2 结果与讨论
2.1 平板样品涂层厚度随喷涂电压与喷涂时间的变化规律
实验得到了不同喷涂电压以及喷涂时间条件下，平板样品中心与边缘位置的涂层厚度，如图2所示。
图2A是平板试样中心位置的涂层厚度曲线，从图2A中可以看出:喷涂时间对涂层厚度可以产生显著的影响，在喷涂电压为30~80kV的范围内，涂层厚度均随着喷涂时间的增加而单调增加，并在最长喷涂时间(30 s)时达到最大值。
这表明随着涂时间的延长,更多粉末涂料被吸附在工件表面上。但是从这些曲线中我们也可以看出，在低电压条件下，当喷涂时间超过20s以后，延长喷涂时间依然可以使涂层厚度显著增长(如喷涂电压为30k时，喷涂时间20s时涂层厚度为59 mm，30s时涂层厚度为80 wm)，但是在较高电压条件下(50 kV，60 kV，70 kV)，当喷涂时间超过20s，继续延长喷涂时间，涂层厚度几乎不再发生变化(喷涂电压为 80 kV 时，喷涂时间20s时涂层厚度为165 wm，30s时涂层厚度为 167 um)，涂层厚度停止增长可以解释为随着粉末涂料在工件表面不断堆积，粉末携带的正电荷逐渐中和工件上的负电荷，最终使工件表面的静电场达到平衡，并达到涂层厚度的最大值。
而在低电压条件下，由于电场力较弱，涂层堆积缓慢，因此需要更长的喷涂时间才能达到最大涂层厚度，因此涂层厚度在20s之后依然继续增长。另外在90 kV 条件下，涂层厚度在喷涂时间为25s时到达最大值154 wm，但是当喷涂时间延长至 30s时，涂层厚度反而略微减薄(149 wm)，同时在上粉量下降的同时，喷涂缺陷显著增加出现针孔、凹坑，炸点等缺陷。
这可以解释为电压过高时，粉末在堆积到一定程度后，粉末与工件之间发生击穿现象，导致粉末带电量下降，影响了涂层厚度的增长。对比不同电压条件下的涂层厚度，我们可以发现，当喷涂时间为10s时，涂层厚度随喷涂电压的的增高单调增高(32~124 m)，这表明高喷涂电压带来了更高的上粉率，但是当喷涂时间为30s时，涂层厚度在 80 kV 时达到最大值(167 wm)，在 90 kV 条件下涂层厚度显著下降(149 wm)，并观察到大量缺陷产生，这同样可以解释为高喷涂电压条件下，粉末与工件之间发生了击穿现象，导致带电量与上粉率下降。
图2B展示了平板试样边缘位置涂层厚度的变化规律，从图2中可以看出，平板试样边缘位置涂层厚度的变化规律与中心区域基本一致，涂层厚度均随着喷涂时间的延长以及电压的增高逐渐增大，并在高电压条件下由于击穿效应略微降低。
同时我们发现，在任意喷涂时间与喷涂电压下，边缘位置的涂层厚度均略高于中心位置的涂层厚度，如在喷涂电压 60 kV 和喷涂时间为 30s的条件下，工件边缘位置的涂层厚度为152 um而中心位置涂层厚度为 149 um。
这可以解释为以下两方面原因:(1)中心位置喷涂时，由于喷涂气流的影响，部分粉末会被推向边缘位置;(2)带电工件的电荷有向边缘位置集中的趋势，导致边缘处电场力更强。
但是，这个现象的例外出现在喷涂电压 90 kV 和喷涂时间为 30s的情况下，边缘位置的涂层厚度(142 wm)反而略低于中心位置(149 wm)，这可以解释为由于边缘位置带电量更多，因此发生了更为频繁的击穿现象，导致涂层厚度降低，这一现象也进一步证明了前文的推断。
2.2 曲面样品涂层厚度随喷涂电压与喷涂时间的变化规律
实验得到了不同喷涂电压以及喷涂时间条件下，曲面样品中心与边缘位置的涂层厚度，如图3所示。
其中图3(A)和图3(B)是曲率半径为 200 mm 样品的涂层厚度曲线，从图3(A)(工件中心位置的涂层厚度曲线)中可以看出，曲面样品中心位置的涂层厚度均略高于平面样品，这可以解释为曲率的存在导致电更容易富集于样品外表面；同时，当喷涂电压大于60kV 时喷涂时间-涂层厚度曲线均存在一个峰值，这表明当喷涂时间大于一定值，由于击穿的发生，涂层厚度会出现一定程度的下降，而曲率导致的电荷集中效应，使得发生击穿的电压要低于平板样品。
同时，随着喷涂电压的增高，峰值时间逐渐提前(喷涂电压为 60 kV 时峰值时间为 25 s;喷涂电压为 70 kV 时峰值时间为 25 s;喷涂电压为 80 kV 时峰值时间为 20 s;喷涂电压为 90 kV 时峰值时间为 15 s)，而当喷涂时间为 30s时，喷涂厚度没有表现出显著差异，这说明随着喷涂电压增大，虽然喷涂前期的上粉率增高，但是会更早发生击穿现象，并导致部分粉末脱落，导致最终上粉率无法继续增长。
从图3(B)中也可以观察到在曲面样品的边缘处也存在类似的现象，同时我们也发现，样品边缘处的涂层厚度要显著低于样品中心处。这与平板样品中的现象不同，这可以解释为由于样品为半圆形，因此边缘处几乎垂直于喷涂方向，这导致喷涂在单位面积上的粉末量要明显低于中心处，因此涂层厚度增长较慢。
图3(C)和图3(D)是曲率半径100 mm 样品的漆涂层厚度曲线，对比图3(C)和图3(A)我们可以看出，在电压小于70kV的条件下，减少曲率半径，工件中心位置的涂层厚度均有显著提高，尤其是在 70 kV 的电压条件下，曲率半径为 100 mm 工件的涂层厚度达 175 μm 显著高于曲率半径为 200 mm 的工件涂层厚度(155 wm)，这表明缩小曲率半径导致电荷更容易富集于曲面工件的外表面，从而带来了更高的上粉率。
然而我们也发现，当电压为80 ky 和90 kV 时，小曲率半径样品(厚度分别为160 um 和 157 um)相对于大曲率半径样品( 厚度分别为 158 wm和 154 wm)并没有显著差异，这可以解释为高电压下，涂层厚度更主要受限于击穿电压，因此继续增加电荷密度不能够带来涂层厚度的显著提升。
从图3(D)我们可以看出，对于曲率半径为 100 mm 的样品，喷涂 30s后其边缘位置的涂层厚度均显著高于曲率半径为 200 mm 的样品，这可以解释为，由于边缘位置单位面积的粉末量较少，因此更高的电荷密度有利于充分捕获粉末，带来更高的上粉率与更厚的涂层厚度。
3 结论
本研究综合考察了喷涂电压、喷涂时间以及工件曲率半径三关键工艺参数对静电粉末喷涂工件涂层厚度的影响，主要结论如下:
(1)提高喷涂电压，工件表面电荷密度增高，更容易捕获涂料粉末，因此能够在更短时间内获得更厚的涂层，但是电压过高的条件下，粉末与工件之间会发生击穿，导致电荷量下降，影响涂层厚度的增长。
(2)延长喷涂时间，可以使更多粉末积累在工件表面，提高涂层厚度，但是随着正负电荷逐渐平衡，厚度逐渐停止增长，同时由于击穿的发生，厚度反而出现下降，并出现针孔凹坑和炸点缺陷。最佳喷涂时间与喷涂电压有关，电压越高最佳喷涂时间越低。
(3)对于圆弧表面的工件，曲率半径会直接影响表面电荷的分布:曲率半径越小，表面电荷越集中，在中低电压条件下可以获得更厚的涂层厚度，并使达到最大厚度的喷涂时间和喷涂电压缩小，而在较高电压条件下，由于涂层厚度主要受制于击穿，因此曲率半径对涂层厚度影响不大，
(4)通过研究喷涂电压、喷涂时间以及工件曲率半径三个关键工艺参数对静电粉末喷涂工件涂层厚度的影响，我们发现以上三个工艺参数对工件涂层厚度存在互相影响的耦合效应对于大型货车外壳这一类具有大表面积和异形结构的工件，在制定涂装工艺时，必须综合考量以上参数对涂层厚度的影响，以达到最佳的喷涂效果。
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来源：《广州化工》第51卷第12期2023年6月
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