Трибоэлектрическая зарядка. Подробно

Причины возникновения заряда при контакте и последующем разделении твердых тел (также называемые трибоэлектрическим эффектом, контактной электризацией или электризацией при трении) могут быть самыми разными (например, разрушение адсорбированных слоев электролита, разница температур, пьезоэлектрический эффект и т. д.). Однако в большинстве случаев достаточно тесного контакта между двумя веществами, а само трение лишь увеличивает интенсивность и количество точек контакта.

В зоне непосредственного контакта атомы двух веществ настолько сближаются, что нарушенные на границах раздела атомные силовые поля перекрываются и носители заряда пересекаются, не успевая вернуться обратно при последующем механическом разделении поверхностей. В результате разделенные поверхности электрически заряжаются с противоположной полярностью. Трибоэлектрический заряд всегда биполярный, то есть отрицательному заряду на поверхности одного тела противостоит такой же по величине положительный заряд на поверхности другого.
Трибоэлектрическая зарядка (электризация при трении) происходит в три этапа.

Первый этап — тесный контакт между частицами порошка и стенками пистолета, во время которого происходит перенос электронов от одного контактного партнера к другому в зависимости от того, какой из них обладает большим сродством поверхностных молекул к электронам. За тесным контактом следует разделение, которое должно происходить настолько быстро, чтобы восстановление исходного распределения зарядов было невозможным. Таким образом, после процесса разделения нарушается равновесие, и частицы порошка заряжаются положительно за счет оттока электронов при контакте, например, с тефлоном.

В трибораспылителях порошки проходят через изолирующий канал, который обычно имеет форму кольцевого зазора или спирали, непосредственно перед головкой распылителя, где происходит электрический заряд. Сочетание материалов «порошок/стенки канала» определяет полярность и уровень заряда. Оба материала должны находиться как можно дальше друг от друга в ряду электропроводимости.

При определении уровня и полярности трибоэлектрического заряда высокополимерных материалов решающее значение имеют сродство к электрону элементов или функциональных групп, связанных с углеродной цепью, и их стереоматическое расположение в макромолекуле. Склонность к отрицательному заряду почти всегда возрастает с увеличением работы выхода электрона (полиметилметакрилат, полиэтилен, поливинилхлорид, политетрафторэтилен), в то время как материалы с наименьшей работой выхода (полиамиды, оксиды полиэтилена) легче отдают электрон и становятся положительно заряженными.

Тефлон

ПТФЭ используется в качестве контактного материала, так как он находится в отрицательной части ряда электризации. Он обеспечивает высокий положительный заряд в эпоксидных, полиамидных, поливинилхлоридных и полиэтиленовых порошках. Кроме того, этот материал обладает очень хорошими антиадгезионными свойствами, что предотвращает образование отложений на стенках.

Для усиления контакта частиц порошка со стенками проточного канала были предусмотрены различные конструктивные решения, такие как увеличение турбулентности за счет профилирования поверхности, установка проточных устройств, подача дополнительного воздуха, использование очень длинных загрузочных трубок и/или параллельное расположение множества каналов с небольшим поперечным сечением, создание спиралевидного движения частиц вдоль стенок трубки за счет тангенциальной подачи воздуха, а также использование изогнутых загрузочных трубок. Эти варианты технической реализации устройства в основном представляют собой различные, частично запатентованные решения.

Поскольку трибоэлектрическая зарядка связана с межфазными процессами, незначительные «примеси» оказывают существенное влияние на результат. Это недостаток, который ограничивает применение трибозарядки в технологических процессах, но в то же время дает возможность сделать «трибозаряжаемыми» полимеры, которые не склонны к трибоэлектрической зарядке.
за счет незначительной примеси добавок или для компенсации различий в поведении при зарядке, обусловленных разной степенью пигментации.

«Холодное смешивание» оксида алюминия с частицами размером в нанометровом диапазоне, которые практически обволакивают частицы порошка, обеспечивает достаточную, а иногда и очень высокую трибоэлектрическую заряжаемость, но сопряжено с другими технологическими проблемами, такими как засорение фильтров, изменение способности к зарядке и гранулометрического состава в контуре подачи порошка, а также нестабильность смеси при улавливании избыточного распыления.

С технической точки зрения проблема использования полиэфиров, которые трудно
зарядить трибоэлектрическим способом, была решена путем разработки так называемых
«внутренне модифицированных» марок, в которых, например, в смолу добавляют амины или другие соединения. Эпоксидные, полиуретановые и полиамидные порошки, как правило, всегда подходят для процесса трибоэлектрической зарядки.

Трибоэлектрическая зарядка — это механическое разделение зарядов. В результате на одном из контактирующих поверхностей всегда образуется равное количество положительных зарядов, а на другой — отрицательных. Это означает, что столько же положительного заряда, сколько вынесено из распылителя заряженным порошком, остается на контактной поверхности распылителя в виде отрицательного заряда и может быть выборочно разряжено в виде тока утечки .