静电吸附微观过程分析资料.docx

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静电吸附微观过程分析资料

静电吸附微观过程分析

1．前言

静电技术在粉末喷涂过程中占有核心基础和支配性的地位，因此，深入了解粉末喷涂过程中的静电现象，对静电粉末喷涂设备的使用者和喷涂设备的制造者都是十分重要的。

在粉末喷涂技术的发展过程中，人们一直在为解决这样几个问题而努力着：

①怎样获得均匀和优质的涂膜；②如何获得尽可能大的一次上粉率；③如何克服法拉第效应而使具有复杂几何表面形状的工件得到有效的涂盖；④怎样对工件实施复喷；⑤怎样实现达到像汽车本身面漆要求的粉末薄涂。

值得高兴的是，随着多年来的技术发展，先进的静电粉末喷涂设备制造商已经提供出新的设备，其性能已基本足以解决上述绝大多数问题，而解决这些问题重要基础之一正是这些先进的制造商准确地掌握了粉末喷涂过程中的各种静电现象，并总结出一套有效指导改进静电喷涂设备的静电理论。

对涂装设备的使用者来说，先进的静电喷涂设备越来越复杂，正确掌握其性能特点，并知道这些性能的用途与价值，从而作出正确的投资决定是很重要的。

当然，要做到这一点，同样需要深入了解静电现象与过程。

基于上述的考虑，我们将在本章节中对粉末喷涂过程中的带电过程与静电现象进行比较详细的分析与阐述。

同时，对与静电场直接相关的法拉第屏蔽问题和如何克服法拉第屏蔽效应以及提高涂膜质量的办法进行了探讨。

2．电晕放电中的粉末带电与吸附过程

2.1粉粒在静电喷涂过程中的受力分析

在静电粉末喷涂过程中，粉粒经由喷枪头部的喷嘴喷出，从直观表面上看，似乎是由气流把粉粒推到工件表面并沉积在其表面上，但实际上把粉粒推到接地工件上的作用力不仅只是气流，而且还有由喷枪头部所带的静电高压与工件之间建立起来的静电场以及带电粉末云团自身所产生的静电场这些力的作用，如果对此有什么怀疑的话，则可简单地切断建立高压静电场的高压电源或将高压电源的电压调得很小，就会立即看到此时得粉粒不是弹离工件，就是被气流带走，或是受重力作用而跌落，电场力与气动力共同作用使粉粒沿一定的运动轨迹到达工件表面并使粉粒到达工件表面上后形成一种新的电荷镜像力，把带电粉粒与接地工件表面牢牢地粘附在一起。

从实质上讲，气流把粉粒输送到离工件很近或工件表面上，但把这些粉粒保持在工件表面上却靠的是电场力。

2.2静电场的建立与电晕放电过程

静电粉末喷涂过程中的静电场通常是由高压静电发生器输出几万伏至十几万伏级的直流高压到喷枪枪头尖端电极与工件之间而形成的（一般喷枪接负极，工件接地为正），如图1所示。

按静电学规定，用电力线来描述电场，电力线越密的地方，表示此处的电场强度越强，同时，静电学理论指出，尖端处的电场强度最大，并且一个尖端电极与一个有一定几何面积的工件之间的电场一定是非均匀性电场，当电场强度大到一定程度时，就会产生下述的电晕放电现象（电离空气分子的电场强度E约为3×106N•C-1）。

在空气中总会存在着一些自由电子或离子，如果有一个自由电子通过强电场，它将会受电场力所加速而沿电力线运动，并撞向空气分子。

见图1，如果E足够大，而这个电子沿电力线运动时又获得了足够的动能，它对空气分子的撞击力便会很大，足以把空气分子分裂而形成两个电子和一个带正电荷的离子（空气分子的剩余部分）。

分裂出来的两个电子又瞬间受电场加速，它们也沿着电力线运动并分裂新的分子，从而产生更多的离子和电子。

这一过程称作自激的电晕放电，这一离子化自激过程一旦开始后，喷枪头部与接地工件之间的空间里便充满数以百万计的带正电荷的离子和带负电的自由电子，或称自由离子。

带正电荷的离子也受电场加速并沿电力线运动。

不过，由于离子是带正电荷的，故它们的运动方向相反，朝向喷枪的负电极，当电场足够强，这些带正电荷的离子有可能还要在运动途中分裂分子，或许会直接撞击喷枪的负电极，从而使金属表面的离子得到分裂。

带负电的自由离子则是形成粉末带电的直接原因，它被通过电场粉粒所捕获，形成粉末带电。

2.3粉末带电

通过电场里的未带电的粉粒会改变外电场的形状。

如图2所示，电力线在粉粒表面以90度角进入并穿越，以90度角穿出。

从图2中可看出粉粒周围的电力线形状发生了变化，如果电场中存在自由离子的话，这些离子便会沿变化了的电力线方向运动，并被粉粒所捕获，使粉粒带上了电。

这一带电过程将继续下去，直至粉粒捕获了多个离子，使粉粒积聚的电荷越来越多，并产生了粉粒本身的云团电场，这一电场又再次改变外电场的形状，不过不同的是，这次外电力线是被从粉粒出推开，见图3。

出现这一情况后，来自外电场的自由离子便无法再到达粉粒处，因为粉粒本身的电场会排斥它们。

换言之，这时粉粒已在给定的外电场强度，粉粒粒径和材料的条件下达到了最大电荷量。

电力线是被从粉粒出推开

在静电粉末喷涂过程中，从枪口喷出的粉末要通过一个强电场和自由离子密集区，在通过这样的区域时，粉粒就如上所述地带上了电。

那么粉粒带电的多少以及带电的规律又受什么因素的制约呢？

Pauthenier波德尼尔通过试验和研究回答了这个问题。

著名的Pauthenier方程如下：

著名的Pauthenier方程

从2.1式可知带电过程主要受下列几个因素的影响：

a）粉粒的粒径r

b）电场强度E

c）粉粒在充电区逗留的时间t

通过实验，Pauthenier还发现在粉粒喷出枪口后的前4毫秒时间内，可使粉粒带上最高可能带电量的65%。

通常情况下，粉粒在喷出枪口的一瞬间速度往往低于5m/s，故可知在距喷枪极针20mm的范围内，粉粒基本完成了大部分带电任务，4毫秒之后充电效率就基本稳定在充电曲线的平坦段上，这是由于枪尖处的电场强度远大于枪尖其他部分的电场强度所造成的。

带电能力与r的平方成正比，这表明粉粒带电强烈地受到粉粒自身的几何尺寸的影响，这也是超细粉末（<20μm）不易带电的原因。

而这又恰恰是静电粉末薄涂技术中需很好解决的重要问题之一。

2.4粉末涂层的形成

粉粒在喷涂到工件前的受力情况如图4所示，在把粉粒推到距工件几个厘米之前，气动力与电场力要克服重力和气动力竖直方向分力的阻碍，当带电粉粒与接地工件距离几个厘米时，马上会在工件表面感生出如图5所示的数值相等但极性相反的电荷（称之为“镜像电荷”）。

带电粉粒与镜像电荷之间马上就会产生一种相互吸引的力，使粉粒被牢牢地‘粘’在了工件表面上。

由于大多数粉末所用的材料都是强电介质，它们带上电荷后，都不会让电荷很快“漏掉”。

试验证明，粉末涂料带电后吸附在金属表面上，至少能维持约7个小时之久，即使是粒径小的粉末也不例外。

如果没有足够强的电场或粉粒未能很好地带上电，则即使粉粒在气动力的帮助下到达了工件表面，也会弹离工件，或受重力影响而跌落。

粉粒电荷与由它感生而出的镜像电荷在金属表面上相互紧靠在一起，这些成对的电荷不仅异性相吸而使粉粒被吸附在工件表面上，而且还会在金属表面建立起另外一个重要的电场，这个电场是保持这种吸附力的重要原因，但同时又是造成下面即将阐述的逆向离子化的重要原因。

根据库仑定律：

（库仑定律：

是电磁场理论的基本定律之一。

真空中两个静止的点电荷之间的作用力与这两个电荷所带电量的乘积成正比，和它们距离的平方成反比，作用力的方向沿着这两个点电荷的连线，同名电荷相斥，异名电荷相吸。

公式：

F=k*（q1*q2）/r^2。

）

可知带有较大电荷量的qf的大粒径粉粒感生出同值的镜像电荷之间有较大的吸附力。

因此，较大的粉粒对金属工件有较强的吸附力。

与金属工件表面直接接触的第一层粉末与金属表面的吸附力最强，这是由于镜像电荷与粉末电荷之间的距离最近，因此，续后涂层中的粉粒必须越过已有的粉末层来感生自己的镜像电荷，而此时距离较远（L较大，其库仑吸附力较小），因此，带有较少电荷的小粒径粉粒所产生的吸引力小，可能不足以把粉粒保持于已有的涂膜之上。

事实上。

由于大粉粒与其感应的镜像电荷之间有较大的吸引力，故造成了较大粉粒（相对小粉粒）更有能力沉积到已有的、未固化的涂膜上。

通过适当的手段，我们能够观察到未固化的粉末涂层的截面，就会看到涂层的底部（靠近金属表面处）粉粒的平均直径比顶部粉粒要小。

如果粉末涂料在固化过程中流平得不好，组成涂膜外层的大粉粒未能完全流平，就会保持着未固化时涂层的表面形状，产生因流平性不足而导致光泽度低、不平整以及桔皮等后果。

3.反电离化问题

3．1反电离化现象

这里所述的反向离子化在一些文章中也被称作未‘静电排斥’或‘微电池效应’或‘逆向离子化现象’，这是一个在粉末静电喷涂过程中十分重要的一个静电现象，充分认识和深入了解这一现象的本质，才有可能克服由此而带来的问题。

第2节叙述了粉粒沉积到接地工件表面的过程，如果继续在同一表面上喷涂带电的粉末，最终就会导致反电离化的现象。

随着粉粒在金属工件表面的堆积，粉末涂层内的电场强度便会增大，实际上，每一粒沉附到金属工件表面上的粉末都会产生下列连贯的作用：

增大涂层内的累积电荷量→同值增大金属工件里的累积的镜像电荷→增强了涂层内的电场强度

当这一电场强度增大到足以把夹在粉粒之间的空气实施电离时，便开始了这里称之为反电离的过程。

此时，存在于涂层内空气中的游离电子在电场中加速运动。

撞击并分裂分子，同时产生大量电子和带正电荷的离子，由于极性相反的电荷相互吸引，故带负电的电子奔向相对电子为正的接地，而带正电的离子则力图从涂层中逃出而奔向负极的喷枪，这样的激烈运动过程将直接导致似乎是从工件里面发出并穿越涂层的流光现象。

产生流光后，如果通过专门的放大观察装置来进行观察，则可看到粉末涂层表面有许多光点，如果反电离现象越强（当外电场很强），则光点越多和越亮。

流光产生的过程实际上与在喷枪枪尖的电晕放电的离子化过程与实质都是相同的，一个是枪尖周围的电场强度足够大时产生正向电离化过程，而反电离过程则是由于涂层内的带电粉粒堆积造成层内电场过强时而产生的。

这个过程可用图6a）、b）、c）形象地表示出来。

3.2反电离对涂装品质和涂装效率的影响

反电离现象对涂装品质和涂装效率直接带来如下4个影响：

①涂层表面产生桔皮或表现不平整等现象，涂装品质下降；

②明显降低上粉率，限制涂层厚度的增加；

③加剧法拉第效应；

④给工件复喷带来困难。

反电离现象是造成涂层表面产生桔皮和表面不平整的另一个常见原因，涂层内由反电离现象产生带正电的离子，当离开涂层后，它们便会把流光轨迹附近的粉粒的电荷进行中和，带正电的离子沿着流光的轨迹活跃地作定向运动时也与空气分子相接触，从而产生所谓的“电风”，电风会撕裂那些从粉末涂层逸出的正离子所中和了的粉粒，从而产生出微小的凹坑，这些呈现星形状的微坑可在未固化的粉膜表面见到。

如果在固化过程中，粉末涂层流平得不好，由反电离造成的微坑得不到填平时，在固化了的粉末涂层表面便出现了光泽度低、不平整的凹坑以及桔皮等后果。

当带正电的离子在寻求从粉末涂层逸离的出路时，它们会受到那些不断到达接地工件表面的带负电的粉粒所吸引，带正电的离子与带负电的粉粒相碰，其结果是粉粒失去电荷，从而也就失去了沉积在工件表面上的能力。

随着反电离过程的继续进行，由于接地工件前面存在带正电的离子越来越多，扑向工件表面的粉粒的负电荷被中和的也越多，故吸附力明显下降（即粉粒纷纷跌落），显著地限制了粉层的连续增厚的能力。

这就是说，反电离现象开始后粉末的上粉率会急剧下降，这说明，反电离现象正是粉末静电喷涂工艺中的所谓的“自限制”特性的驱动源。

在第2节中曾分析到喷枪尖端在电晕放电时，会使喷枪与工件间的空间里充满着数以万计的自由离子，这些自由离子沿着电力线方向被吸引向接地工件，只要工件表面尚未被电介质粉末层所覆盖，自由离子便会容易地抵达金属表面和流向接地处。

但是，如果金属表面已经有一层粉末涂层，这一涂层就会使金属表面部分绝缘，从而限制自由离子的电荷流入接地处的能力。

粉末涂层越厚，自由离子的电荷越不易流入接地处。

当电荷越来越不易流入接地处时，涂层上便积累越来越多的电荷，导致的反电离化迅速发展，明显降低粉末上粉率。

恶化涂层表观质量与均匀性。

试验研究表明，电晕式喷枪反电离现象发展得非常迅速，通常是约在喷涂1秒钟之内，就会在工件表面上出现反电离现象，所以用电晕式喷枪进行粉末喷涂（一般厚度为50~80μm）时，工件涂层表现质量是很难达到高要求的，在后面所述的内容中，我们可以看到摩擦带电喷枪的反电离现象较电晕式喷枪要小得多，在喷涂10~20S内才会发生反电离现象，所以用电晕式喷枪很难实现厚涂层喷涂，而且表观质量也不能与摩擦喷枪相比较。

在电晕式喷枪中，为了要把反电离现象降到一定的限度，至少必须考虑做如下几件事：

电晕放电的所施加的电压要适当，避免过于强烈的电场产生过多的自由离子和致使粉粒带上过多的电量；

粉末涂料的电阻率要合适；

考虑采用吸收自由离子的装置

3.3.静电喷涂过程中的法拉第笼效应

对静电喷涂过程中法拉第笼效应最直接、最方便的理解就是涂料在静电喷涂过程中很难（喷入到具有深凹状工件复杂的表面几何形状）的深凹处。

静电喷涂过程中的法拉第笼效应与电磁波不能到达一个几近封闭的或封闭的金属框架内是十分相似的，如果你在一个封闭的金属框架内放置一个无线电收音机，将会发现无线电收音机收不到任何无线电信号，这就如同静电喷涂过程中电力线不能进入深凹的工件内是一样的。

从前几节中我们已知粉末粒子要是受到电场力的作用，电力线的方向是电场力的方向。

如果电力线不能进入被喷工件深凹处，则粉末粒子进入工件深凹处也就缺少了一个重要的推动力。

下面我们对静电喷涂过程中的法拉第笼效应给出较为详细的分析与理解。

根据前述，我们知道在喷枪与工件之间存在着一个由带负电粉粒与带负电的自由粒子组成的云团，在这样一个云团势必会产生一定的电场，就像雷雨的云团与地面之间会产生电场一样（它会导致雷鸣电闪）。

带电粉粒与自由离子所形成的云团与接地工件之间也产生电场，通常称之为空间电荷电场，如图7所示。

因此，在常规电晕放电系统中，紧邻工件表面的电场是由喷枪充电电极所产生的电场和空间电荷云团的电场所组成。

这两个电场的结合与气动力一起促使粉末沉积到接地工件上，达成高上粉率的效果。

当高速度的输送带输送并涂装大平面的工件时，由常规电晕放电系统产生的强电场的良性效应最为明显。

但是，在某些喷涂场合，电晕放电系统的强电场也会有负面的效应。

其中一个重要的负面效应就是在喷涂具有深凹部位及沟槽的工件时的法拉第笼效应，如图8所示。

图6逆向离子化的过程

当工件表面有深凹或沟槽时，电力线会集中到具有最低电场阻力之处（即这些凹陷部位的边缘处），而这些边缘处场强的增加，直接导致粉末粒子朝这些边缘处运动，因此，这些地方的粉末沉积明显加强，而涂层也增厚得很快，遗憾的是，伴随这一现象的有两个负面的效应。

其一，由于粉粒被电场强力地推向法拉第笼的边缘，因而只有很少的粉粒有机会进入凹陷部位。

其二，由电晕放电产生的自由粒子会沿电力线走向工件的边缘处，使已有的涂层迅速被多余的电荷所饱和，以致使反向离子化十分迅速和强烈。

前文已经讲到，粉粒是通过输粉的气动力和电场力的输运被涂到工件上，这过程中的电场力必须要有足够强的电场才能做到。

图7表明，无论是喷枪电极产生的电场，还是喷枪与工件间粉粒与自由离子形成的“云团”的电场都不能深入到深凹处内（法拉第笼内），因此，能帮助深入喷到深凹部位里面的唯一可能助力就是在深凹部位里由气流传送的粉粒“云团”所产生的电场，如图9所示。

如果深凹或沟槽很窄，其边缘迅速发展的逆向离子化将会产生带正电荷的离子，而力图穿过沟槽边缘沉积到沟槽底部的粉粒子就会被这些离子降低带电量。

因此，由气流推动到槽底部的粉粒与自由离子所形成的云团电场就无法产生出足够强的电力来克服空气紊流并使粉末吸附在工件表面。

以上的叙述集中反映出了这样一个令人堪忧的问题，电场的构形以及电力线在深凹部位之边缘处集中的现象并不是唯一的难题，如果这是唯一难题的话，则可通过用足够长的时间来喷凹陷部位便可解决问题了。

因为从逻辑上去推断，当边缘处涂上厚厚的粉末层，其它粉粒便不能再在该处沉积时，唯一的去处就只能是进入深凹的底部。

然而令人遗憾的是，由于（或部分地由于）反向电离化的缘故，真实情况并非如此。

无数实践例子说明，这种情况是由于凹陷的几何形状及空气紊流的问题，更经常的是由于反向电离化所致。

3.4.反向电离化对工件复喷的影响

工件复喷是要在已固化的粉末涂层上再喷第二道涂层，但这样做并不容易。

其难点是由电晕放电产生的自由离子在喷枪与工件之间有着快速的运动，并且运动速度又远远高于粉粒的运动，当自由离子很迅速地运动到工件表面时，会快速地增加在已固化的粉层前的电荷。

其原因是固化的涂层比未固化的涂层具有更大的介电常数，即有更好的绝缘性。

因此，由自由离子带到已涂装工件表面的电荷无法泄漏到接地回路中去。

这样，这些自由离子就很容易地、很快速地增加涂层上的电荷，从而导致反向电离。

如前所述。

逆向离子化一开始，上粉率便会剧烈下降。

这就是复喷工件往往会遇到困难的原因。