Особенности трибостатического нанесения порошковой краски

Многие считают, что метод трибостатической зарядки порошковых красок является абсолютно безопасным в сравнении с электростатическим. В этом методе отсутствует высокое напряжение, нет сильного электростатического поля. Поэтому о возможности возникновения электрического разряда, который может привести к возгоранию взрывоопасной смеси порошка с воздухом мало кто задумывается. Автор этой статьи постарался не только теоретически показать возможные угрозы в процессе трибостатической зарядки, но и на основании экспериментальных исследований выявить потенциальные опасности данного метода порошковой окраски. 

На границе соприкосновении двух твердых тел происходит как их макроскопическое механическое взаимодействие, так и микроскопическое молекулярное взаимодействие их поверхностей. Область, где происходит трение (существует непосредственное взаимодействие между диэлектрическими материалами в процессе трибостатическоей зарядки) достаточно неоднородна из-за вида и состояния поверхности.

Эти два фактора приводят к тому, что в отдельных микрослоях этой области существуют отличия между силой воздействия на отдельную частицу порошковой краски. В результате степень заряда отдельных частиц краски может отличаться между собой, что вызывает появление в факеле порошковой краски отдельных струй. При приближении друг к другу на частицы порошковой краски воздействуют силы притяжения и отталкивания.

Процесс зарядки потока порошковой краски в трибостатическом распылителе основывается на трении частиц краски с заряжающей поверхностью внутри распылителя и между собой. Трибоэлектризация порошковой краски происходит в так называемой «зоне трения». Эта зона достаточно неоднородна из-за того, что разные порошковые краски имеют разную дисперсность. В этой зоне частицы порошковой краски сталкиваются между собой и трутся об зарядные поверхности трибопистолета. В результате частицы порошковой краски приобретают заряд одной полярности, а на зарядной поверхности распылителя образуется заряд противоположной полярности.
Условная суммарная площадь, где происходит взаимодействие порошковой краски с заряжающей поверхностью, особенна важна для процесса трения, так как степень зарядки краски зависит от:

- диаметра канала и дисперсности порошковой краски;
- физических параметров порошковой смеси, ее движение (например, важна скорость смеси на входе в зарядную трубку);
- пути, который проходят частицы порошковой краски вдоль оси канала.

Зарядка порошковой смеси также зависит от материала из которого изготовлен распылитель. Учитывая эти факторы можно сказать, что заряды отдельных частиц порошковой краски могут отличаться между собой, но все они находится в определенных пределах. Исследование технологических функций такого физического процесса как трение является одной из основных задач трибостатической системы. Входными параметрами, которые позволяют описать степень зарядки порошковой краски в системе трибостатической зарядки являются:
-движение частиц порошковой краски в канале неподвижного диэлектрического цилиндра;
- многократный контакт частиц порошковой краски (для упрощения принимаем, что каждая частица имеет форму шара) определенной массы (m) с внутренней поверхностью цилиндра;
- растояние между распылителем и изделием;
- климатические условия окружающей среды (влажность воздуха, а также температура смеси воздух-порошок).

В то же время исходными параметрами, которые описывают степень зарядки порошковой краски в аспекте взрывоопасности являются:
- степень наэлектризованности потока частиц порошковой краски в месте их вылета из трибостатического напылителя;
- движение заряженных частиц в камере напыления, что может привести к образованию взрывоопасной смеси;
- параметры вытяжной вентиляции;
-интенсивность напыления порошковой краски на окрашиваемое изделие (производительность процесса).

Это довольно сложная для точного решения система различных параметров и факторов, особенно если мы ищем критическое состояние системы трибостатической зарядки. Функциональные свойства системы трибозарядки, а также возможные угрозы зависят от:
- типа материалов, которые взаимодействуют между собой во время прохождения порошковой краски через зарядную трубку (здесь особенную роль играет их диэлектрическая проницаемость);
- вида распылительных насадок и дефлекторов;
- расстояния между пистолетом-распылителем и окрашиваемой деталью;
- напряжения поля E в зоне напыления.

Во время трения диэлектрики обмениваются электронами, в результате чего осуществляется передача электрического заряда. Состояние наэлектризованности (в случае системы из двух тел, между которыми происходит трение) не зависит от того, какой из материалов находится в движении, а какой в спокойном состоянии. Величина потенциала, который характеризирует состояние наэлектризованности на поверхности частиц порошковой краски, зависит от типа материала. Также эта величина зависит от положения материалов в так называемом трибоэлектрическом ряду. Если частица порошковой краски изготовлена из материала, который имеет большую диэлектрическую постоянную, чем диэлектрическая постоянная материала, из которого изготовлена зарядная трубка, то на внешней поверхности частицы порошковой краски накапливается положительный заряд. В то же время на внутренней поверхности трибостатического распылителя накапливается отрицательный электростатический заряд.

Степень электризации значительно увеличивается в случае использования полярных полимеров (в сравнении с неполярными). Этот эффект основывается на молекулярном строении и микрогеометрии поверхности частиц полимеров. (В этой статье мы не будем упоминать порошковые краски из других материалов, которые редко используют в технологии покрытий).

Свойства отдельной молекулы полимера, как основной составляющей частицы порошковой краски, зависят от ее строения и являются следующими:

А. Характерные особенности строения молекулы неполярного полимера:
- имеет неполярные связи;
- является симметричной;
- между различными атомами, из которых состоит молекула, существует ковалентная связь;
- частица является электрически нейтральной (имеет одинаковое количество положительных и отрицательных зарядов);
- центр тяжести положительного и отрицательного зарядов совпадает.

Б. Характерные особенности строения молекулы полярного полимера:
- центр тяжести положительного заряда не совпадает с центром тяжести отрицательного заряда;
- частица является электрически нейтральной, если состоит из одинакового количества положительных и отрицательных зарядов, но эти заряды размещены несимметрично;
- полимер, состоящий из полярных частиц, имеет большую диэлектрическую постоянную;
- степень полярности увеличивается, если атомы, входящие в состав молекулы, способны притягивать электроны.

Полимеры являются основным компонентом для производства термоотверждаемых порошковых красок. Поэтому такое разнообразие характеристик порошковых материалов затрудняет точное определение возможной электростатической угрозы в окрасочных цехах.
В трибостатических пистолетах-напылителях источником электризации является взаимное трение частиц порошковой краски между собой и заряжающей поверхностью внутри распылителя. Эффективность этого метода зависит от влажности воздуха. В случае влажности воздуха ниже 50%, поток частиц порошковой краски достаточно наэлектризован, чтобы обеспечить удовлетворительное напыление. Область пониженного давления, которая возникает в эжекторе за счет подачи инжекционного воздуха сквозь маленькое отверстие, позволяет засасывать псевдокипящую порошковую смесь из специальной емкости. Полученная смесь после выхода из эжектора подается с помощью шланга на пистолет распылитель. Подача порошковой краски часто регулируется еще одним потоком воздуха, который дополнительно вводится в эжектор. Частицы порошковой краски, которые движутся внутри зарядной трубки, получают электрический заряд. В месте вылета порошковой краски из трибостатического распылителя, заряженные частицы движутся в направлении заземленного изделия по траекториях, которые приближенны к линиям поля Е. Степень зарядки потока порошковой смеси зависит от:

- типа порошковой краски;
- длинны зарядной трубки;
- диаметра зарядной трубки;
- типа материала, из которого изготовлена зарядная трубка;
- формы распылительной насадки;
- влажности воздуха (%).

Движение воздушно-порошковой смеси внутри зарядного канала определенной формы и с определенными электростатическими свойствами связано с многократными изменениями траектории движения каждой отдельной частицы порошка. Это результат постоянных ударов между собой частиц порошковых краски. Даже непродолжительное взаимодействие между собой двух разных диэлектриков приводит к возникновению на их поверхностях одинакового по величине, но различного по полярности электростатического заряда. Различная полярность зарядов приводит к возникновению разницы потенциалов между отдельной частицей порошковой краски и материалом зарядной трубки. Высокая влажность (%) воздуха снижает степень наэлектризованности порошковой краски.

Состояние и степень наэлектризованности потока частиц порошковой краски в рабочей зоне камеры напыления зависит от:
- скорости частиц порошковой краски внутри зарядной трубки;
- средней массы отдельной частицы порошковой краски;
- стабильности параметров окружающей среды (температуры и влажности);
- диаметра канала зарядной трубки и его геометрической формы (щели, спиральные каналы и т.п.);
- материала и формы шланга.

Возникновение на поверхности материалов, между которыми происходит трение в зарядном цилиндре, электростатического заряда оказывает также влияние на заряженные частицы порошковой краски в камере напыления. Важен также эффект усиления степени электризации по всей длине зарядного канала. Это особенно касается спиральных каналов. Недостаточно исследованным является явление зарядки порошковой краски во время вылета из распылительных насадок, которые так любят размещать конструкторы пистолетов распылителей. Как известно, в зависимости от типа насадки можно получить факел конической, плоской или спиралевидной формы.
Факел, состоящий из заряженных частиц порошковой краски и воздуха, на вылете из трибостатического пистолета-напылителя можно принять за объемно-заряженный шар. В соответствии с законами кибернетики, эффективность системы трибостатической зарядки зависит от взаимодействия частиц порошковой краски внутри пистолета-напылителя и отрицательных внешних факторов (например, гравитации, вытяжной вентиляции, загрязнения воздуха, кабины и т.п.)
Поток заряженных частиц порошковой краски, который движется в рабочей зоне напыления от пистолета распылителя к окрашиваемому изделию, является носителем в воздухе электростатического.
Для оценки угроз были проведены измерения и тесты, которые позволили выявить возможность возникновения опасных ситуаций.
Фактор, который приводит к возникновению электрического заряда – порошково-воздушная смесь.
Элементы, которые подвергаются электризации в системе трибозарядки:

1. Моделируемый участок зарядной трубки – диэлектрическая трубка, отдельная часть трибостатического пистолета-напылителя. На внутренней поверхности этой трубки проводилось измерение потенциала Vp.

2. Окрашиваемое металлическое изделие. На поверхности изолированного изделия производилось измерение напряжения поля Е.
Результаты показали, что степень электризации незаземленного изделия и неметаллических элементов во время напыления не является угрозой для взрывобезопасности технологического процесса. В случае трибостатического напыления между распылителем и окрашенным изделием не создается сильного электрического поля, хотя потенциал на неметаллическом предмете достаточно высок. Мощности условных источников энергии явно недостаточно для возникновения искры. Известно, что локально выступающие потенциалы U (2,2 кВ) могут привести к возникновению разряда, но искры не возникают на границе диэлектрических материалов.

Трибозарядка в производственных условиях.
Время проведения измерения потенциала Vp – 10 минут после начала напыления порошковой краски. Давление сжатого воздуха, который подавался вместе с порошковой краской, через зарядную трубку трибостатического пистолета p=0,4 Mpa. Измерения проводились непосредственно на поверхности неметаллических изделий, в местах повышенной опасности.

Объект, который приводит к возникновению электрического заряда – порошково-воздушная смесь.

А. Автоматическая установка для напыления порошковой краски с одним трибопистолетом..
В. Ручная установка для напыления порошковой краски с одним трибопистолетом..

На основании проведенных измерений можно утверждать, что на поверхности исследованых неметалических элементах в процессе работы накапливаются электрический заряд. Измерянные значения потенциала на элементах трибораспылителей не превышали 8 кВ, что является критическое значением при моделировании взрыва в пылевой атмосфере.
Исключением среди неметалических изделий является средняя часть шланга для транспортировки потока краски, которая представляет реальную угрозу в процессе использования. Поэтому необходимо прекратить использовать материалы, которые в трибоэлектрическом ряду с порошковыми красками не дают сильного эффекта электризации. Некоторые производители пистолет использут металические пружины встроеные в шланг. Можна с уверенности сказать, что проэктировщики окрасочных участков очень часто не обращают внимание на эту потенциальную угрозу. Возможность возникновения искрового разряда в процессе трибозярдки в лабораторных условиях. Объект, который приводит к возникновению електрического заряда – порошково-воздушная смесь. Порошковая краска подается с помощью сжатого воздуха имеющего максимальное давление 0,6 МРа (промышленные условия).

Элементы, которые заряжаются в системе трибоэлектризации:

1. Зарядная трубка – неметаллическая трубка, отдельная часть трибостатического пистолета-напылителя. К поверхности трубки приближают электрод – источник искрового заряда.
2. Окрашиваемый металлический предмет. К поверхности изолированного металического предмета приближают электрод – источник искрового заряда.

Камера, в которой находится зарядная трубка и окрашиваемый металлический предмет, была наполнена аэрозолем, состоящим из частиц порошковой краски. Энергия возгорания такой смеси составляла 5 мJ. Серия экспериментов по оценке возможности возгорания была проведена с помощью четырех видов диелектриков, которые использовались в зарядной трубке, и двумя видами порошковой краски. Тест трижды повторяли для каждой пары электронепроводящих материалов. Во время проведения эксперимента контролировались и регулировались климатические условия. В процессе исследования был зарегистрирован один случай возгорания тестированной газовой смеси. Возгорание произошло во время проведения оценки на возможность взрыва в результате искрового заряда. Представленные результаты указывают на то, что название трибозарядка является условным понятием. Значения потенциалов главным образом зависят от выбора неметалических материалов и способа получения зарядки. Это связано с постоянным изменением используемых порошковых красок, а также случайным использованием электронепроводящих неметалических изделий и существующими угрозами. Принимая во внимание то, что в условиях напыления порошковой краски внутри кабины возгорание образованного аэрозоля может привести к катастрофическим последствиям, за безопасное значение принято 8 кВ, а емкость человека – 200 пФ.На основании проведенных лабораторных исследований способности возгорания взрывоопасной газовой смеси с границей возгорания 5 мДж следует, что состояние наэлектризованности неметаллических изделий в системе трибозарядки может создать угрозу взрыва если потенциал значительно превысит значение 8 кВ.