Зарядка порошковой краски, распылители
Электростатическое нанесение порошковых красок основывается на сообщении частицам сухого порошка электрического заряда. Используются два метода зарядки: зарядка коронным разрядом в электрическом поле и трибо-статическая (фрикционная) зарядка. Оба метода могут эффективно использоваться в технологии нанесения порошковых красок. Однако существуют различия, которые делают одни случаи применения более подходящими для зарядки коронным разрядом, а другие - для зарядки трением. Поскольку от способа зарядки зависит эффективность нанесения порошков, рассмотрим подробнее каждый из методов зарядки и соответствующее оборудование.
В системах зарядки коронным разрядом к зарядным электродам распылителя подается высокое напряжение, и между распылителем и заземленной деталью создается сильное электрическое поле
В большинстве случаев в системах зарядки коронным разрядом используется отрицательная полярность зарядного электрода. Напряженность электрического поля достигает максимального значения у конца зарядного электрода, и при достижении некоторого уровня здесь происходит коронный разряд. Коронный разряд представляет собой тип холодной плазмы, когда в области короны появляются свободные электроны, которые заполняют пространство между распылителем и деталью. Эти электроны присоединяются к молекулам воздуха, создавая, таким образом, отрицательные ионы. Если электрическое поле за пределами области коронного разряда имеет достаточную напряженность, то ионы, в свою очередь, будут присоединяться к частицам порошка по мере его распыления.
В результате между распылителем и деталью создается облако заряженных частиц порошка и свободных (неприсоединившихся) ионов. Совокупный заряд частиц порошка и свободных ионов, составляющих облако, называется "пространственным зарядом". Пространственный заряд создает свое собственное электрическое поле, которое взаимодействует с полем высоковольтного электрода и помогает осаждению частиц порошка на заземленную подложку.
Зарядка в поле коронного разряда.
1 - коронирующий электрод; 2 - заряженные частицы порошка; 3 - свободные ионы; 4 - электрическое поле высокой напряженности; 5 - силовые линии
Зарядка коронным разрядом является наиболее широко используемой технологией зарядки порошка. Ее популярность обусловлена следующими достоинствами:
·высокой эффективностью зарядки почти всех порошковых материалов, применяемых в покрытиях;
·высокой производительностью систем нанесения покрытий с использованием зарядки коронным разрядом;
·относительно низкой чувствительностью к влажности окружающего воздуха;
·надежностью оборудования и низкими затратами на техническое обслуживание и ремонт.
Обычные системы зарядки коронным разрядом имеют также свои недостатки, которые обусловлены сильным электрическим полем между распылителем и деталью. В некоторых случаях применения это сильное поле может затруднить нанесение покрытия в углах и в местах глубоких выемок. Кроме того, неправильный выбор электростатических параметров распылителя и расстояния от распылителя до детали может вызвать обратную ионизацию и ухудшить качество покрытия.
Успехи в развитии технологии зарядки коронным разрядом позволяют специалистам по нанесению покрытий свести к минимуму многие из вышеперечисленных недостатков и значительно повысить качество покрытия и отделки в целом.
Системы зарядки коронным разрядом сохранят, по-видимому, свою популярность и в будущем. Тот факт, что почти все порошковые материалы могут эффективно заряжаться в поле коронного разряда, делает такие системы предпочтительными для использования. Кроме того, высокая эффективность зарядки и гибкость этого метода могут повысить производительность высокоскоростных производственных линий. При растущей потребности в быстрой смене цвета порошковых красок хорошо продуманная конструкция с применением распылителей коронного разряда является наиболее привлекательной.
Поскольку в системах зарядки коронным разрядом используется высокое напряжение, могут потребоваться специальные измерительные приборы для проверки надлежащего функционирования оборудования и устранения неисправностей. Для диагностики оборудования при зарядке коронным разрядом обычно служат киловольтметры, которые должны быть исправны и прокалиброваны.
Электростатическое обтекание, или "обволакивание", - свойство заряженного порошка оседать на поверхностях изделий, не находящихся непосредственно в силовом поле. Обтекание является одновременно электростатическим и аэродинамическим явлением.
Когда заряженные частицы порошка пролетают у краев детали, на них действуют аэродинамические и электростатические силы. Крупные частицы порошка имеют большую площадь поверхности, и, следовательно, они в большей степени подвержены воздействию аэродинамических сил и силы тяжести. Если скорость воздушного потока вблизи детали высока, то крупные частицы порошка будут иметь тенденцию пролетать у краев, не осаждаясь на изделии. Более мелкие частицы порошка испытывают относительно более сильное электростатическое притяжение к заземленной детали. Кроме того, по причине их меньших размеров они в меньшей степени подвержены воздействию аэродинамических сил и силы тяжести. Поэтому более вероятно, что мелкие частицы порошка будут покидать поток воздуха и под действием сил электростатического притяжения оседать на задней стороне детали.
На эффект электростатического обтекания оказывают влияние электростатический заряд частиц порошка, скорость воздуха, создаваемая устройством нанесения порошка, распределение частиц и поток воздуха в камере в непосредственной близости от детали. Чем больший электростатический заряд несут частицы порошка и чем меньше скорость потока воздуха вблизи детали, тем более выраженным будет эффект обтекания вокруг детали. На обтекание не оказывает влияния метод зарядки, оно наблюдается в системах с зарядкой частиц, как коронным разрядом, так и трением.
Эффект клетки Фарадея наблюдается в тех случаях, когда наносят порошковую краску на детали с выемками, углами, углублениями или выступами на поверхности, куда внешнее электрическое поле (созданное распылителем или пространственным зарядом) не проникает. Силовые линии всегда идут к самой близкой заземленной точке и, следовательно, скорее концентрируются по краям выемки и выступающим участкам, а не проникают дальше внутрь. Поэтому нанесение ровного покрытия на детали сложной формы часто затруднено и в некоторых случаях может быть даже невозможно.
Эффект клетки Фарадея - результат воздействия электростатических и аэродинамических сил. При нанесении покрытия на участки, в которых действует эффект клетки Фарадея, электрическое поле, создаваемое распылителем, в котором используется коронный разряд, имеет максимальную напряженность по краям выемки. Это сильное поле ускоряет оседание частиц, образуя в этих местах покрытие слишком большой толщины.
Как было указано ранее, внешнее электрическое поле не проникает в углубления и, следовательно, условия для оседания порошка в этих местах ухудшаются. Аэродинамические условия внутри выемки также менее благоприятны, чем при нанесении покрытия на плоскую поверхность. Поток воздуха, несущий порошок внутрь выемки, часто создает избыточную турбулентность, мешающую его осаждению.
Для успешного нанесения покрытия на участки, в которых действует эффект клетки Фарадея, должны выполняться следующие условия:
·порошок должен быть хорошо заряжен;
·скорость потока должна быть достаточной для переноса порошка внутрь углубления, но не слишком большой, чтобы не мешать его осаждению;
·внешнее электрическое поле должно контролироваться для уменьшения "подталкивания" частиц порошка к краям клетки Фарадея.
Нанесение покрытия на детали сложной формы может представлять очень сложную задачу. Тем не менее при правильном выборе оборудования, должной его установке и соблюдении необходимых условий нанесения порошка она может быть успешно решена в тех случаях, где действует эффект клетки Фарадея.
В трудных случаях, однако, при наличии клетки Фарадея в оборудовании для нанесения покрытий традиционно применяют зарядку трением. В распылителях с зарядкой трением не используется высокое напряжение и, следовательно, не создается сильное электрическое поле вблизи поверхности детали. Зарядка трением будет рассмотрена далее.
Трибоэлектричество было самым первым методом сообщения электростатического заряда материалам, известным человечеству. В этом случае электростатический заряд вырабатывается трением одного материала о другой.
Материалы с разными физико-химическими свойствами могут обмениваться электронами при непосредственном контакте друг с другом. Некоторые материалы легко отдают электроны, тогда как другие с готовностью их применяют.
Трение улучшает контакт между материалами и облегчает обмен электронами. Распылители с трибостатической зарядкой порошка сконструированы с таким расчетом, чтобы создать условия для многочисленных столкновений частиц порошка с заряжающей поверхностью внутри распылителя. В результате этих многочисленных столкновений между поверхностью и частицами осуществляется передача электрического заряда.
Различные материалы могут быть выстроены в так называемый "трибоэлектрический ряд", в котором материалы классифицируются по тому, насколько легко они воспринимают электроны. Если тереть друг о друга два материала, один из которых является хорошим донором, а другой - хорошим акцептором, то электроны будут переходить от донора к акцептору. Поскольку донор теряет электроны, он приобретает положительный заряд, тогда как акцептор принимает электроны, становясь при этом заряженным отрицательно. Чем дальше друг от друга расположены материалы в трибостатическом ряду, тем лучше они заряжаются при трении.
Одним из наилучших акцепторов в трибоэлектрическом ряду является политетрафторэтилен (тефлон).
В распылителях с трибостатической зарядкой важно увеличить число и силу столкновений между частицами порошка и заряжающими поверхностями распылителя. Одна из основных проблем при разработке распылителя с трибостатической зарядкой заключается в создании условий для эффективной передачи заряда при сведении к минимуму износа и налипания частиц на части распылителя под действием ударов. Поскольку тефлон обеспечивает хорошую зарядку большинства порошковых материалов, имеет относительно высокую износостойкость и устойчив к налипанию частиц под действием ударов, его использование в распылителях с трибостатической зарядкой является предпочтительным.
Трибостатический распылитель. Поскольку поток порошка через распылитель постоянен, передача заряда также постоянна. При передаче заряда одной полярности частицам порошка, покидающим распылитель, на зарядной поверхности распылителя образуется заряд противоположной полярности, который должен постоянно отводиться от распылителя. Это требует эффективного заземления для непрерывного снятия заряда с распылителя. Без такого эффективного отвода заряда на землю зарядная поверхность быстро насытится зарядом, и процесс зарядки прекратится, или же накопившийся заряд вызовет дуговой разряд на ближайший заземленный предмет. Такой дуговой разряд может проходить через воздух, вдоль поверхности или может даже пробить стенку корпуса распылителя. В любом случае этот эффект нежелателен и потенциально опасен, поэтому заземление распылителя с трибостатической зарядкой совершенно необходимо.
Как отмечалось ранее, в распылителях с трибостатической зарядкой не используется электрическое напряжение для зарядки порошка, и между распылителем и деталью не создается ни сильного электрического поля, ни ионного тока. Отсутствие электрического поля и ионного тока помогает проникновению порошка на те участки, где действует эффект клетки Фарадея, и обеспечивает качественное прокрашивание. Кроме того, благодаря отсутствию зарядных электродов имеется большая свобода в разработке многоструйных насадок для распылителей с трибостатической зарядкой. Такие насадки могут иметь конфигурацию, соответствующую конкретному профилю детали для распыления порошка точно в те места, где это необходимо. Использование многоструйных насадок с трибостатическими распылителями - одно из основных преимуществ технологии использования трибостатической зарядки. Эти насадки делят единый поток порошка на многочисленные более мелкие потоки, превращая распылитель, по существу, во множество мелких распылителей. Скорость порошка, покидающего каждый из "пальцев" такой насадки, обычно мала; это позволяет размещать распылитель ближе к детали для нанесения порошка с большей точностью и равномерностью
Трибостатические системы по сравнению с системами, использующими коронный разряд, имеют некоторые преимущества, заключающиеся в возможности нанесения покрытий на детали сложной формы и в обеспечении высокого качества и равномерности отделки, но из-за повышенной чувствительности к составу материала порошков и степени полидисперсности их эффективность может быть неоднозначной. В зависимости от того, насколько далеко друг от друга расположены два материала в трибостатическом ряду, в одном и том же распылителе порошки одного состава будут заряжаться лучше, чем порошки другого состава. Зачастую изменения в результатах нанесения разных красок могут быть ощутимы.
Чувствительность систем с трибостатической зарядкой опять-таки вытекает из самой природы данного метода зарядки. Поскольку на эффективность зарядки оказывают влияние количество и сила столкновений между частицами порошка и зарядными поверхностями распылителя, более крупные частицы порошка, которые ударяют по этим зарядным поверхностям с большей силой, заряжаются лучше. Кроме того, большая площадь поверхности этих частиц будет также вносить вклад в их более эффективную зарядку.
Таким образом, вследствие различий в эффективности зарядки между частицами различных размеров необходимо обращать внимание не только на состав порошков, но также и на распределение их частиц по размерам. Если разброс по размерам частиц слишком велик, то более крупные частицы будут оседать на деталях более эффективно, чем более мелкие. Это означает, что более мелкие частицы будут накапливаться в системе регенерации.
Если конфигурация изделия такова, что степень осаждения порошка на нем при первом проходе ниже 50 %, то постепенное накопление мелких частиц в системе регенерации может привести к постепенному снижению эффективности работы всей системы. Для предотвращения этого явления желательно использовать порошковые краски с более узким распределением частиц по размерам.
Распылители с использованием трибостатической зарядки конструктивно более надежны, чем распылители с зарядкой в поле коронного разряда, поскольку они не имеют элементов, преобразующих высокое напряжение. За исключением провода заземления, эти распылители являются полностью механическими, чувствительными только к естественному износу. Однако внутри распылители с трибостатической зарядкой имеют сложное устройство, обеспечивающее необходимое трение для зарядки порошка. Большое число трубчатых элементов внутри распылителя может увеличить время, необходимое для очистки устройства при переходе с цвета на цвет. Кроме того, постепенный износ внутренних элементов таких распылителей будет в итоге влиять на эффективность зарядки.
В общем, если необходимо нанести краски на детали сверхсложной конфигурации, либо много слоев краски для получения толстых покрытий, технология трибостатической зарядки может обеспечить преимущества, которых иногда невозможно получить при использовании системы с коронным разрядом. Если в последнем случае как-то удается решить эту проблему при ручном нанесении красок, то при трибостатическом нанесении тот же результат можно получить на автоматизированных установках.
Использование центробежного распыления является другим вариантом технологии нанесения порошковых красок. Основной элемент применяемого распылителя - турбина, вращающая укрепленную на ней чашу. Порошок подается в головку распределителя и выталкивается центробежной силой. Электростатический заряд подается на вращающуюся чашу либо на установленный в ней электрод(ы). Электрод может иметь форму диска или иглы. Между поверхностью электрода и заземленным объектом, подлежащим окрашиванию, образуется электрическое поле. Порошок, выбрасываемый из распылителя, проходит через данное поле и подвергается воздействию обычного коронного разряда. Для формирования направленного факела на срез чаши подается воздух. Центробежный распылитель порошка обычно функционирует при значительно более низких скоростях вращения, чем, например, чашечные распылители для нанесения жидких красок.
Характерной особенностью центробежного распылителя является то, что он равномерно распределяет выбрасываемый порошок на большой площади.
Вместе с тем, из-за ограниченной скорости выброса порошка он малопригоден для нанесения покрытия на детали, имеющие впадины на поверхности. Центробежные распылители больше подходят для нанесения красок на детали, имеющие большую ровную поверхность, требующую равномерного покрытия. Контролируемыми параметрами распылителей являются: скорость подачи порошка, частота вращения чаши, сила электрического поля и давление воздуха.
Трибодиск- одно из устройств для электростатического нанесения порошковых материалов - позволяет использовать преимущество петлеобразных конвейерных систем, экономить производственные площади. Распылитель представляет собой невращающийся диск, расположенный вертикально внутри конвейера. Детали подаются по конвейеру, в то время как диск движется в направлении вверх и вниз, нанося слои порошкового материала на поверхность деталей. Диск формирует равномерную, горизонтальную распылительную струю (факел) приблизительно 0,75 м в диаметре. Благодаря использованию метода трибостатического заряда система позволяет автоматически наносить покрытие на детали, имеющие сложную форму; при этом достигается хорошее обтекание окрашиваемых изделий порошком.
Системы с трибодиском предназначены для нанесения покрытий на установках с ограниченной площадью помещений.
Порошковый факел, выходящий из распылителя, можно получать разной формы и по-разному направлять на деталь. Форма факела и плотность потока порошка - важные аспекты, они определяют толщину пленки и степень проникновения порошка в полости, и зазоры на поверхности детали.
Регулируемыми параметрами распыления являются: форма и размер факела, скорость перемещения распылителя, распределение частиц порошка (рис. 1). Средства, с помощью которых данные параметры контролируются, разнообразны. Они основаны на механическом или пневматическом воздействии на струю порошка (рис.2).
Механические устройства представляют собой различные рассекатели (дефлекторы). Рассекатель для плоского распыления - это куполообразное устройство с выходным щелевым отверстием (отверстиями) шириной 2-6 мм. Чем уже щелевое отверстие, тем шире факел порошка.
Рассекатели для плоского распыления создают треугольную форму отпечатка по толщине. На рис. 3, а показаны типичная форма, размер и эффективное распределение толщины слоя порошка, полученные посредством рассекателей плоского распыления с различной шириной щелевого отверстия.
Рис. 1. Параметры, влияющие на форму отпечатка факела.
При плоском распылении достигается высокая скорость движения частиц, что помогает порошку проникать в углубленные участки поверхности. Однако очень высокая скорость распыления ведет к сдуванию порошка с деталей и снижает эффективность осаждения. Имеется несколько вариантов рассекателей различной ширины, что делает данную технологию привлекательной для разных областей применения.
Разновидность рассекателей плоского распыления - дефлектор с крестообразным (поперечным) распылением. Данный тип рассекателей (рис. 3) образует две взаимно пересекающиеся структуры плоского распыления, которые могут различаться по ширине и скорости распыления. Образующаяся структура распыления аналогична той, которая получается при использовании конических дефлекторов (см. далее). Однако струя является более направленной, с более высокой степенью проникновения в углубленные участки поверхности. Это делает дефлектор поперечного распыления великолепным инструментом для ручного нанесения покрытия на детали сложной формы.
Загрузка ...