粉末涂料的涂装工艺

第二讲粉末涂料的涂装工艺1概述1.1粉末涂料涂装发展史粉末涂料是一种固体份100%的、以粉末涂料形态进行涂装形成涂膜的涂料。它与一般溶剂型涂料和水性涂料不同，不是使用溶剂或水作为分散介质，而是借助空气作为分散介质。40年代随着石化工业行业的迅速发展，聚乙烯、聚氯乙烯、聚酰胺等热塑性树脂产量快速增长，人们开始研究将树脂熔融涂敷于金属表面，因此相继出现了辊涂、散布和火焰喷涂等工艺方法。1952年联邦德国的Gemmer发明了流化床涂敷法，粉末借助空气动力在专门的容器内流动游浮，具备了液体特性，从而连续自动地在预热工件表面熔融涂敷上一层致密光滑的涂层。当时应用的树脂主要是热塑性树脂。热固性环氧树脂问世后，流化床涂敷工艺开始进入实质性发展阶段，在电气绝缘和化工防腐领域中获得了工业化应用。1964年shell公司开创了现今粉末涂料行业广泛使用的熔融挤压法粉末涂料生产技术。使粉末涂料的生产实现连续化，走上了工业化生产道路。1962年法国Sames公司研究成功粉末静电喷涂装置，首次实现了粉末在预热工件表面的静电涂装，它为粉末涂装技术的快速推广应用奠定了基础。表1反映了世界粉末涂料应用增长的状况。其增长率约为整个涂料行业增长率的2倍。表1世界热固性粉末涂料增长状况年份1980198219841986198819891990199119921993产量/kt8095129160211232262289313360年增长率/%////1613141388年份199419951996199719981999200020012006产量/kt4274885576176647077987931100年增长率/%111111127513//我国最早研究粉末涂装技术的单位是广州电器科学研究所。该所于1965年首先研制成功环氧绝缘粉末和流化床涂敷电机铁芯工艺和设备，并在常州绝缘材料厂建立环氧绝缘粉末生产线。70年代中期到80年代初是我国粉末涂装技术研发的高峰期。各部委所属企事业单位都取得了丰硕科技成果，为迎接我国第一次粉末涂装技术应用的高潮作好了准备。化工部涂料工业研究所开发了粉末涂料流平剂和装饰型环氧粉末涂料；电子工业部738厂、航空工业部345厂在国内率先建立了粉末静电喷涂流水生产线，对电子产品和洗衣机的壳体实施粉末静电涂装的规模生产。航空工业部贵阳电机厂与国际同步研制成功静电流化床用于电机铁芯的静电粉末绝缘涂敷并投入批量生产。改革开放加速了我国粉末涂料行业的发展，粉末涂料产量直线上升，迅速占领了洗衣机、电冰箱、空调机、微波炉、电风扇等市场。表2为我国历年来热固性粉末涂料产量的估计值。表2中国历年来热固性粉末涂料产量估计值年份198319841985198619871988198919901991产量/kt0.30.61.22.5512101215增长率/%/100100109100140//27年份199219931994199519961997199819992000产量/kt202633406095118150270增长率/%33302721505824278090年代国内已经形成以下品种的粉末涂料：装饰型环氧粉末涂料、绝缘型环氧粉末涂料、防腐型环氧酚醛粉末涂料、环氧丙烯酸型粉末涂料、环氧美术型粉末涂料、聚酯环氧装饰型粉末涂料、聚酯/TGIC粉末涂料、聚氨酯粉末涂料、半光/无光粉末涂料、其它功能性粉末涂料（包括阻燃型、导电型、耐热型等）。国内粉末涂料的市场开发，最初以家用电器产品为主要对象，逐步推广应用到机械设备、仪器仪表、医疗器械、电子元器件、建筑行业、汽车零部件、邮电通讯、航空航天、船舶、轻工、自行车、摩托车、金属家具、办公用品、道路建设等各个领域。目前粉末涂料在石油、天燃气及船舶管道内外壁的涂装也取得了广泛应用，金属制品的涂装技术已趋于成熟，并且制定了相应的涂装标准。上水管道采用无毒粉末涂料也正在开发应用。木材和塑料制品采用低温固化粉末涂料和UV光固化粉末涂料涂装的技术开发取得了长足进展。钢筋钢材的粉末涂装也提到了日程上。随着应用领域的开拓，需要开发的粉末涂料品种有：重防腐型粉末涂料、低温固化涂末涂料、快固节能型粉末涂料、UV光固化粉末涂料、聚氨酯粉末涂料、丙烯酸粉末涂料、专用塘瓷型粉末涂料、耐高温粉末涂料、薄涂层粉末涂料等。1.2粉末涂装工艺的分类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如下排列归类：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。原则上可以划分成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。冷涂装工艺中的喷胶冷涂法例外，它是对被涂工件需要涂装粉末的部位喷（刷）胶液，然后喷粉进行热熔流平成膜的。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工件表面，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。如果工件需要预热以熔融粉末涂料则属于热涂装工艺范围。工件能够在常温下进行粉末涂装，再进行热熔流平成膜的工艺属于冷涂装工艺范围，当前应用最为广泛的冷涂装工艺主要是粉末静电喷涂工艺。通过上面的介绍，如果遇到新出现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。1.3涂装前的表面处理粉末涂装对被涂工件的表面预处理要求与工件涂装液体涂料相同，即赋予涂层三方面的作用。（1）提高涂层对底材表面的附着力。底材表面有油脂、污垢、锈蚀产物、氧化皮及旧涂膜，如果直接涂装粉末涂料会造成涂层对基材的附着力很弱，涂膜容易整块剥落或产生各种外观缺陷。有时将各类污垢和锈蚀物清理干净以后涂层附着力仍不理想，要想进一步提高涂膜附着力，一般可采取打磨粗化、化学覆膜（磷化、氧化）等方法处理。（2）提高涂膜对金属基体的防腐保护能力，钢铁生锈以后，锈蚀产物中含有很不稳定的铁酸（α-FeOOH），它在涂膜下部仍会促使锈蚀扩展和蔓延，使涂膜迅速破坏而丧失保护功能。所以在施工涂膜前彻底除锈可大大提高涂膜的防护性。表3以油漆涂膜为例可看到各种除锈方法对涂膜防护性的影响。表3各种除锈方法对涂膜防护性能的影响除锈方法样板锈蚀情况/%除锈方法样板锈蚀情况/%未除锈60酸洗除锈15手工除锈20喷砂除锈个别锈点注：样板涂两道底漆，两道面漆，经2年天然曝晒试验得到的结果。如果在洁净的钢铁表面进行磷化处理，形成磷酸锌盐化学转化膜，则涂膜的防护性能会大幅度提高。（3）提高底材表面平整度。这是对于铸件表面来讲很重要，必须彻底清除型砂、焊渣及锈蚀物，否则将影响涂膜外观。粉末涂料涂装中金属工件的表预面处理方法包括除油、除锈、磷化、氧化、表面调理和钝化封闭等。表面调理和钝化封闭仅与磷化有关。对于塑料、木材类非金属材质则有特殊的表面预处理方法。表面预处理的质量等级应与涂膜品质相一致，表面预处理质量太低，涂膜品质将达不到预期要求。如果定得太高就会影响到表面预处理的技术经济性。底材材质与各处理剂和处理方法的配套选择参见表4。表4底材材质、预处理剂和处理方法的配套性材质喷砂喷丸酸洗除锈水性清洗剂（喷/浸）表面调理（喷/浸）磷化封闭与氧化其他铸件√浸√Ni盐锰盐、锌盐、铁盐浸钢铁浸弱碱/中碱钛胶各类磷化剂喷/浸Cr（Ⅲ）-PO4系，浸铝合金弱碱/中碱偏硅酸钠碱活化含HF、H2CrO4de的磷化剂浸铬盐钝化，浸镀锌板弱碱钛胶含F-锌盐磷化剂喷/喷-浸Cr(Ⅳ)-Cr(Ⅲ)-PO4塑料中性/弱碱中温专用表面活性剂铬酸氧化，浸除去脱模剂1.4粉末涂料涂装的特点粉末涂料涂装技术作为省资源、节能、低公害和高生产效率的新型涂料而获得各国高度重视，但它毕竟才发展了数十年，存在不足之处是难免的。随着科技的发展，这项新技术必将更趋完美。下面将其与溶剂型涂料作优缺点对比（见表5）。表5粉末涂料与溶剂型涂料的涂装特点比较项目粉末涂料涂装溶剂型涂料涂装一次涂装涂膜厚度/μm50～50010～30薄涂难易厚涂易难涂装线自动化易难过喷涂料的回收利用可以不可以涂膜性能好一般溶剂带来的大气污染没有有溶剂带来的火灾危险没有有溶剂带来的毒性没有有粉尘污染有，但少没有粉尘爆炸问题有，但不大没有涂装劳动生产效率高一般专用涂装设备需要不需要专业生产操作技术不需要需要涂料调色和换色麻烦简单溶剂（能源）浪费没有有涂料运输方便程度方便不方便涂料的贮存比较方便不方便表6我国各种粉末涂料的比例品种所占比例/%品种所占比例/%环氧10～15聚酯/TGIC10～15环氧聚酯75聚氨酯＜5表7钢门涂装工艺技术经济比较对比项目粉末喷涂氨基烘漆常规喷漆设备投资（万元）304050主要工序449材料利用率＞95%40%～50%30%～40%劳动保护无毒二次污染有毒劳动强度轻中高安全性能安全易燃危险自动化程度高高极低每班工人8924占用场地/㎡230350200生产周期/h6643耗电量/度·件-10.750.90.21工人工资/元·件-10.330.331原辅料费用/元·件-113.515.217.5每件门成本/元·件-113.9515.6718.52表8钢门涂膜质量对比检验项目粉末涂料氨基烘漆常规油漆测试方法附着力/级123GB1720-79柔韧性/YY123GB1731-79冲击强度/cm504540GB1732-79光泽/%9810085GB1743-79硬度＞4H＞2H＜2HBJ2168-82耐化学品性（90d）GB1763-7925%H2SO4无变化锈蚀落点严重锈蚀25%NaOH无变化布满锈点起泡起皱我国各种粉末涂料所占比例见表6。表7和表8列出了钢门采用不同工艺涂装的技术经济性比较和涂膜质量对比。2粉末涂料的涂装工艺技术2.1流化床涂装在粉末涂装中流化床涂装工艺的工业化生产较早。表9为流化床涂装工艺的应用领域。表9流化床涂装产品的应用范围应用领域产品实例涂料品种特点交通道路公路、桥梁、铁路、海港、轮船、防护栏、路标、信号牌、广告牌、客车扶手、货架、自行车、摩托车筐聚乙烯、聚氯乙烯、氯乙烯改性EVA防腐、美观、耐用建筑街道、园林、公寓、民电、工厂用安全隔离网、围栏、铝门窗、阳台栏杆及门窗玻璃护网、运动场围网围栏、混凝土钢筋、钢管桩聚乙烯、氯乙烯、尼龙、改性聚酯耐腐蚀、美观、密封性好、寿命长电气通讯空调机、电冰箱、洗衣机的部件、商品陈列架、电风扇、仪器仪表、电控柜、配电盘、电线管聚乙烯、环氧、聚氯乙烯绝缘、装饰、耐低温管道供排水管、石油天然气及燃气管道、食品工业输送管、栏杆、管接手、异型管聚乙烯、环氧、聚氯乙烯耐腐蚀、卫生、美观养殖动物园隔离网、草原围网、鸡笼、鸟笼、水产养殖、网箱聚乙烯、聚氯乙烯、改性EVA耐腐蚀、美观、卫生家庭办公厨房、卫生间挂具、鞋架、衣架、脸盆架、衣帽钩、蔬菜水果和肉类盛装筐、文件文具筐、书架、货架、拉圾筐各种涂料美观、手感好卫生、耐用其他灯具、挂面杆架、钩鱼杆、暧所护网各种涂料美观、耐用2.1.1涂装原理流化床的工作原理是将让均匀分布的空气流通过粉末层，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流化床中浸涂，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，固体流态化过程分为三个阶段：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关系，对于掌握流化床涂装技术是很重要的。（1）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，固体颗粒位置略有调整，即颗粒间排列方式发生变化，趋向松动的倾向，此时固体颗粒仍保持相互接触，床内粉层高度H与粉末层体积没有变化，这个阶段用图10中的ab段表示。此阶段床内粉层高度并不随流体速度的增大而增加。但是△P却随流体速度的增大而增加，图中W为流体速度，Wkp为临界速度，Wmax为极限速度。（2）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，每个粉末颗粒均被流体托浮起来，离开原来的位置作一定程度的位移，即进入流化床阶段。随着流体速度的继续增大，粉末运动加剧且做上下翻滚，如同液