Развитие окраски порошковой краской

В системах коронной зарядки строго неравномерное электрическое поле создается между распылителем (пистолетом) и обрабатываемой деталью применением потенциала высокого (обычно отрицательного) напряжения на заостренный электрод. Неравномерность этого поля необходима, так как линии поля (силовые линии) сходятся на остриях, и их плотность в любом пространстве представляет силу электрического поля. Поэтому, если мы применим высокочастотный потенциал к одноточечному электроду и разместим заземленный объект больших размеров впереди электрода, мы создадим электрическое поле, сила которого максимальна на вершине заостренного электрода.

В воздухе всегда имеются свободные электроны или ионы. Если электрон пройдет через сильное электрическое поле, он начнет двигаться в этом поле вдоль силовых линий и его скорость может увеличиваться напряженностью поля. Если электрон ускоряется вдоль силовых линий, он в конечном счете попадет в молекулу воздуха. Если сила поля адекватна и электрон за время движения вдоль силовых линий собрал достаточное количество кинетической энергии, его влияние на молекулу воздуха будет достаточно сильным, чтобы расщепить ее на два вторичных электрона и один положительный ион (остаток молекулы). Вторичные электроны будут постоянно ускоряться в электрическом поле. Двигаясь по силовым линиям, они будут расщеплять новые молекулы и образовывать новые ионы и электроны.

Из-за притягивания противоположных зарядов положительные ионы, образованные в результате каждого деления, также будут ускоряться напряжением поля и двигаться вдоль силовых линий. Тем не менее, их движение будет проходить в противоположном направлении к отрицательным электродам распылителя (пистолета). Опять-таки, при достаточном электрическом поле положительные ионы могут либо расщеплять молекулы на своем пути к отрицательному электроду, либо, если они достигают электрода, воздействовать на него с такой силой, что они расщепят новые ионы на металлической поверхности электрода. Этот процесс – коронный разряд. Он является самоподдерживающимся при напряженности поля равной некоторому начальному уровню или превышающей его. Сразу после начала процесса ионизации пространство между пистолетом и заземленной деталью заполняется миллионами ионов и свободных электронов. Впредь в данном документе термин «свободные электроны» будет заменен более широко используемый термин «свободные ионы».

Незаряженная диэлектрическая частица искажает внешнее электрическое поле таким образом, что некоторые из силовых линий вытягиваются к поверхности частицы, входят под углом 90 0, проходит через нее и выходит под углом 90 0. При наличии в электрическом поле свободных ионов они последуют по силовым линиям к незаряженной частице и в конечном счете попадут в поле поляризации частицы, тем самым увеличивая заряд самой частицы.

Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока заряд, аккумулированный на частице, в результате притягивания множества ионов не будет достаточным для создания частицей своего электрического поля. Это поле в свою очередь снова изменит линии внешнего поля. В это время линии внешнего поля будут отодвинуты от частицы. Когда это произойдет, ионы из внешнего поля не смогут больше притягиваться к частице, так как они аннулируются своим собственным полем. Другими словами, частица достигла максимального заряда, что зависит от напряженности внешнего поля, размера частицы и материала.

1 «Свободные ионы» - это отрицательные ионы, производимые процессом коронной ионизации, которые не притягиваются частицами порошка и остаются свободными в пространстве между пистолетом и заземленной деталью, двигаясь в сторону ближайшего заземления вдоль силовых линий.

2 Деформация внешнего электрического поля незаряженной частицей вызвана собственным полем поляризации частицы, детальное рассмотрение которого выходит за рамки данного документа.

При электростатической окраске порошковой  краской  мы распыляем порошковую краску  через пространство сильного электрического поля и высокой ионной концентрации. Проходя через него, частицы заряжаются таким образом, как это описано выше. Процесс зарядки порошковых частиц управляется формулой (уравнением) Pauthenier ‘а.

Наибольшим образом зарядка зависит от напряженности поля, размера и формы порошковых частиц, а также количества времени, которое частицы проводят в зарядном пространстве. Тем не менее, следует заметить, что единственная сила, которая продвигает частицу к заземленной подложке, - это электрическая сила, равная заряду частицы, увеличенная напряженностью электрического поля.

Поток воздуха доставляет  порошковую частицу к детали. Однако, если частица не заряжена или если напряженность поля недостаточна, частица будет отскакивать от металлической подложки и либо будет удалена струей воздуха, либо упадет под воздействием сил гравитации. Электрическая сила помогает частице преодолеть силы аэродинамики и гравитации и остается на поверхности частицы до тех пор, пока ее не заменит воздействием другая сила. Эта новая сила – притяжение между заряженной частицей и заземленной металлической поверхностью.

Большинство материалов, применяемых для порошковой окраски, - сильные диэлектрики. Заряженные однократно, они не позволяют зарядке быстро заканчиваться. В действительности, большинство материалов, применяемых для порошковой окраски, сохраняют свою зарядку в течение нескольких часов, даже если небольшие частицы материала располагаются на заземленной металлической поверхности. Если заряженная порошковая частица расположена рядом с металлической поверхностью, она индуцирует заряд равной силы, но противоположной полярности внутри металла. Проще говоря, это происходит, потому что электроны проводимости внутри металла освобождают пространство рядом с местом контакта порошковой частицей и поверхностью металла. Как только электроны уходят, то, что остается – это пространство с дополнительным положительным зарядом, равным по силе отрицательному заряду на порошковой частице. Обычно этот положительный заряд называют «зеркальный заряд».

Как только зеркальный заряд индуцируется внутри металла, два заряда одинаковой силы и разной полярности существуют рядом друг с другом, разделенные поверхностью металла. Два эти заряда не будут притягивать друг друга и будут удерживать порошковую частицу на поверхности металла, но они также создадут новое электрическое поле между собой.

Чем больше частица порошковой краски  на металлической поверхности и чем больше ее заряд, тем сильнее будет электрическое поле между частицей и ее зеркальным отображением. Таким образом, тем сильнее электростатические притяжение между ними . Тот факт, что более крупные частицы дают более сильное притяжение к заземленному металлу, объясняет, почему мы чаще наблюдаем эффект «апельсиновой корки» при более толстых слоях порошкового покрытия.

После того, как первичный слой порошковой краски нанесен на металлическую поверхность, частицы последующих слоев должны индуцировать заряды зеркального отображения уже существующего слоя диэлектрического материала на наносимый. Наличие существующего слоя диэлектрической порошковой краски ослабляет процесс индукции (так как нет прямого контакта частиц порошка с поверхностью металла).

Более слабые заряды более мелких частиц могут быть недостаточными для создания силы притяжения достаточно мощной для того, чтобы удерживать частицы на поверхности уже нанесенного слоя порошковой краски.

Большие по размеру порошковые частицы обычно аккумулируют более сильный заряд, и поэтому сила притяжения между ними и их индуцированным зеркальным отражением также более мощная. В результате бОльшие порошковые частицы предпочтительнее для нанесения наверх существующего незастывшего слоя. Если попытаться посмотреть на поперечное сечение незастывшего слоя порошковой краски, нижняя часть (ближе к металлу) будет иметь частицы порошка в среднем меньшего размера, чем на верхней части.

Если в процессе затвердения материал для порошковой окраски плохо растекается, бОльшие по размеру частицы из верхнего слоя могут не растекаться полностью и останутся на контуре поверхности детали или незастывшего слоя. Это приведет к снижению глянца, негладкой поверхности верхнего слоя и апельсиновой корке из-за недостаточных «текучих» качеств материала для покраски.