粉末涂料的涂装工艺.docx

1、粉末涂料的涂装工艺粉末涂料的涂装工艺第二讲 粉末涂料的涂装工艺1 概述1.1 粉末涂料涂装发展史粉末涂料是一种固体份100%的、以粉末涂料形态进行涂装形成涂膜的涂料。它与一般溶剂型涂料和水性涂料不同，不是使用溶剂或水作为分散介质，而是借助空气作为分散介质。40年代随着石化工业行业的迅速发展，聚乙烯、聚氯乙烯、聚酰胺等热塑性树脂产量快速增长，人们开始研究将树脂熔融涂敷于金属表面，因此相继出现了辊涂、散布和火焰喷涂等工艺方法。1952年联邦德国的Gemmer发明了流化床涂敷法，粉末借助空气动力在专门的容器内流动游浮，具备了液体特性，从而连续自动地在预热工件表面熔融涂敷上一层致密光滑的涂层。当时应用

2、的树脂主要是热塑性树脂。热固性环氧树脂问世后，流化床涂敷工艺开始进入实质性发展阶段，在电气绝缘和化工防腐领域中获得了工业化应用。1964年shell公司开创了现今粉末涂料行业广泛使用的熔融挤压法粉末涂料生产技术。使粉末涂料的生产实现连续化，走上了工业化生产道路。1962年法国Sames公司研究成功粉末静电喷涂装置，首次实现了粉末在预热工件表面的静电涂装，它为粉末涂装技术的快速推广应用奠定了基础。表1反映了世界粉末涂料应用增长的状况。其增长率约为整个涂料行业增长率的2倍。表1 世界热固性粉末涂料增长状况年份1980198219841986198819891990199119921993产量/kt

3、8095129160211232262289313360年增长率/%/1613141388年份199419951996199719981999200020012006产量/kt4274885576176647077987931100年增长率/%111111127513/我国最早研究粉末涂装技术的单位是广州电器科学研究所。该所于1965年首先研制成功环氧绝缘粉末和流化床涂敷电机铁芯工艺和设备，并在常州绝缘材料厂建立环氧绝缘粉末生产线。70年代中期到80年代初是我国粉末涂装技术研发的高峰期。各部委所属企事业单位都取得了丰硕科技成果，为迎接我国第一次粉末涂装技术应用的高潮作好了准备。化工部涂料工业研

4、究所开发了粉末涂料流平剂和装饰型环氧粉末涂料；电子工业部738厂、航空工业部345厂在国内率先建立了粉末静电喷涂流水生产线，对电子产品和洗衣机的壳体实施粉末静电涂装的规模生产。航空工业部贵阳电机厂与国际同步研制成功静电流化床用于电机铁芯的静电粉末绝缘涂敷并投入批量生产。改革开放加速了我国粉末涂料行业的发展，粉末涂料产量直线上升，迅速占领了洗衣机、电冰箱、空调机、微波炉、电风扇等市场。表2为我国历年来热固性粉末涂料产量的估计值。表2 中国历年来热固性粉末涂料产量估计值年份198319841985198619871988198919901991产量/kt0.30.61.22.5512101215增

5、长率/%/100100109100140/27年份199219931994199519961997199819992000产量/kt202633406095118150270增长率/%33302721505824278090年代国内已经形成以下品种的粉末涂料：装饰型环氧粉末涂料、绝缘型环氧粉末涂料、防腐型环氧酚醛粉末涂料、环氧丙烯酸型粉末涂料、环氧美术型粉末涂料、聚酯环氧装饰型粉末涂料、聚酯/TGIC粉末涂料、聚氨酯粉末涂料、半光/无光粉末涂料、其它功能性粉末涂料（包括阻燃型、导电型、耐热型等）。国内粉末涂料的市场开发，最初以家用电器产品为主要对象，逐步推广应用到机械设备、仪器仪表、医疗器械、

6、电子元器件、建筑行业、汽车零部件、邮电通讯、航空航天、船舶、轻工、自行车、摩托车、金属家具、办公用品、道路建设等各个领域。目前粉末涂料在石油、天燃气及船舶管道内外壁的涂装也取得了广泛应用，金属制品的涂装技术已趋于成熟，并且制定了相应的涂装标准。上水管道采用无毒粉末涂料也正在开发应用。木材和塑料制品采用低温固化粉末涂料和UV光固化粉末涂料涂装的技术开发取得了长足进展。钢筋钢材的粉末涂装也提到了日程上。随着应用领域的开拓，需要开发的粉末涂料品种有：重防腐型粉末涂料、低温固化涂末涂料、快固节能型粉末涂料、UV光固化粉末涂料、聚氨酯粉末涂料、丙烯酸粉末涂料、专用塘瓷型粉末涂料、耐高温粉末涂料、薄涂层粉

7、末涂料等。1.2 粉末涂装工艺的分类为了使读者对当前已有的一些粉末涂装工艺方法有一个较为系统的了解，按照它们的涂装原理和工艺特点进行如下排列归类：上面列出的是粉末涂装工艺发展过程中曾经研究过的一些工艺方法。原则上可以划分成热熔涂装工艺和冷涂装工艺两大类。每一类工艺的涂装原理都是相同的。冷涂装工艺中的喷胶冷涂法例外，它是对被涂工件需要涂装粉末的部位喷（刷）胶液，然后喷粉进行热熔流平成膜的。总之不管用什么方法，只要能使粉末涂料均匀地涂布于被涂工件表面，经过加热熔融流平成膜，这种工艺方法就可归类于粉末涂装工艺。如果工件需要预热以熔融粉末涂料则属于热涂装工艺范围。工件能够在常温下进行粉末涂装，再进行热

8、熔流平成膜的工艺属于冷涂装工艺范围，当前应用最为广泛的冷涂装工艺主要是粉末静电喷涂工艺。通过上面的介绍，如果遇到新出现的工艺方法和涂装设备问世时，读者就可以按其涂装原理和工艺特点自行归类了。1.3 涂装前的表面处理粉末涂装对被涂工件的表面预处理要求与工件涂装液体涂料相同，即赋予涂层三方面的作用。（1）提高涂层对底材表面的附着力。底材表面有油脂、污垢、锈蚀产物、氧化皮及旧涂膜，如果直接涂装粉末涂料会造成涂层对基材的附着力很弱，涂膜容易整块剥落或产生各种外观缺陷。有时将各类污垢和锈蚀物清理干净以后涂层附着力仍不理想，要想进一步提高涂膜附着力，一般可采取打磨粗化、化学覆膜（磷化、氧化）等方法处理。（

9、2）提高涂膜对金属基体的防腐保护能力，钢铁生锈以后，锈蚀产物中含有很不稳定的铁酸（-FeOOH），它在涂膜下部仍会促使锈蚀扩展和蔓延，使涂膜迅速破坏而丧失保护功能。所以在施工涂膜前彻底除锈可大大提高涂膜的防护性。表3以油漆涂膜为例可看到各种除锈方法对涂膜防护性的影响。 表3 各种除锈方法对涂膜防护性能的影响除锈方法样板锈蚀情况/%除锈方法样板锈蚀情况/%未除锈60酸洗除锈15手工除锈20喷砂除锈个别锈点 注：样板涂两道底漆，两道面漆，经2年天然曝晒试验得到的结果。 如果在洁净的钢铁表面进行磷化处理，形成磷酸锌盐化学转化膜，则涂膜的防护性能会大幅度提高。（3）提高底材表面平整度。这是对于铸件表面

10、来讲很重要，必须彻底清除型砂、焊渣及锈蚀物，否则将影响涂膜外观。粉末涂料涂装中金属工件的表预面处理方法包括除油、除锈、磷化、氧化、表面调理和钝化封闭等。表面调理和钝化封闭仅与磷化有关。对于塑料、木材类非金属材质则有特殊的表面预处理方法。表面预处理的质量等级应与涂膜品质相一致，表面预处理质量太低，涂膜品质将达不到预期要求。如果定得太高就会影响到表面预处理的技术经济性。底材材质与各处理剂和处理方法的配套选择参见表4。 表4 底材材质、预处理剂和处理方法的配套性材质喷砂喷丸酸洗除锈水性清洗剂（喷/浸）表面调理（喷/浸）磷化封闭与氧化其他铸件浸Ni盐锰盐、锌盐、铁盐浸钢铁浸弱碱/中碱钛胶各类磷化剂喷/

11、浸Cr（）-PO4系，浸铝合金弱碱/中碱偏硅酸钠碱活化含HF、H2CrO4de的磷化剂浸铬盐钝化，浸镀锌板弱碱钛胶含F-锌盐磷化剂喷/喷-浸Cr()- Cr()-PO4塑料中性/弱碱中温专用表面活性剂铬酸氧化，浸除去脱模剂1.4 粉末涂料涂装的特点粉末涂料涂装技术作为省资源、节能、低公害和高生产效率的新型涂料而获得各国高度重视，但它毕竟才发展了数十年，存在不足之处是难免的。随着科技的发展，这项新技术必将更趋完美。下面将其与溶剂型涂料作优缺点对比（见表5）。表5 粉末涂料与溶剂型涂料的涂装特点比较项目粉末涂料涂装溶剂型涂料涂装一次涂装涂膜厚度/m505001030薄涂难易厚涂易难涂装线自动化易难

12、过喷涂料的回收利用可以不可以涂膜性能好一般溶剂带来的大气污染没有有溶剂带来的火灾危险没有有溶剂带来的毒性没有有粉尘污染有，但少没有粉尘爆炸问题有，但不大没有涂装劳动生产效率高一般专用涂装设备需要不需要专业生产操作技术不需要需要涂料调色和换色麻烦简单溶剂（能源）浪费没有有涂料运输方便程度方便不方便涂料的贮存比较方便不方便表6 我国各种粉末涂料的比例品种所占比例/%品种所占比例/%环氧1015聚酯/TGIC1015环氧聚酯75聚氨酯5表7 钢门涂装工艺技术经济比较对比项目粉末喷涂氨基烘漆常规喷漆设备投资（万元）304050主要工序449材料利用率95%40%50%30%40%劳动保护无毒二次污染有

13、毒劳动强度轻中高安全性能安全易燃危险自动化程度高高极低每班工人8924占用场地/230350200生产周期/h 6643耗电量/度件-10.750.90.21工人工资/元件-10.330.331原辅料费用/元件-113.515.217.5每件门成本/元件-113.9515.6718.52 表8 钢门涂膜质量对比检验项目粉末涂料氨基烘漆常规油漆测试方法附着力/级123GB1720-79柔韧性/YY123GB1731-79冲击强度/cm504540GB1732-79光泽/%9810085GB1743-79硬度4H2H2HBJ2168-82耐化学品性（90d）GB1763-7925%H2SO4无变化

14、锈蚀落点严重锈蚀25%NaOH无变化布满锈点起泡起皱我国各种粉末涂料所占比例见表6。表7和表8列出了钢门采用不同工艺涂装的技术经济性比较和涂膜质量对比。2 粉末涂料的涂装工艺技术2.1 流化床涂装在粉末涂装中流化床涂装工艺的工业化生产较早。表9为流化床涂装工艺的应用领域。表9 流化床涂装产品的应用范围应用领域产品实例涂料品种特点交通道路公路、桥梁、铁路、海港、轮船、防护栏、路标、信号牌、广告牌、客车扶手、货架、自行车、摩托车筐聚乙烯、聚氯乙烯、氯乙烯改性EVA防腐、美观、耐用建筑街道、园林、公寓、民电、工厂用安全隔离网、围栏、铝门窗、阳台栏杆及门窗玻璃护网、运动场围网围栏、混凝土钢筋、钢管桩聚

15、乙烯、氯乙烯、尼龙、改性聚酯耐腐蚀、美观、密封性好、寿命长电气通讯空调机、电冰箱、洗衣机的部件、商品陈列架、电风扇、仪器仪表、电控柜、配电盘、电线管聚乙烯、环氧、聚氯乙烯绝缘、装饰、耐低温管道供排水管、石油天然气及燃气管道、食品工业输送管、栏杆、管接手、异型管聚乙烯、环氧、聚氯乙烯耐腐蚀、卫生、美观养殖动物园隔离网、草原围网、鸡笼、鸟笼、水产养殖、网箱聚乙烯、聚氯乙烯、改性EVA耐腐蚀、美观、卫生家庭办公厨房、卫生间挂具、鞋架、衣架、脸盆架、衣帽钩、蔬菜水果和肉类盛装筐、文件文具筐、书架、货架、拉圾筐各种涂料美观、 手感好 卫生、耐用其他灯具、挂面杆架、钩鱼杆、暧所护网各种涂料美观、耐用2.1

16、.1 涂装原理流化床的工作原理是将让均匀分布的空气流通过粉末层，使粉末微粒翻动呈流态化。气流和粉末建立平衡后保持一定的界面高度。将需涂敷的工件预热后放入粉末流化床中浸涂，得到均匀的涂层，最后加热固化（流平）成膜。流化床是固体流态学的第二阶段，也是比较复杂和难以控制的阶段，固体流态化过程分为三个阶段：固定床阶段、流化床阶段、气流输送阶段。从理性上认识这三个阶段的特点和相互关系，对于掌握流化床涂装技术是很重要的。（1）固定床阶段当流体速度很小时，固体粉末颗粒静止不动，流体从粉末颗粒间隙穿过，当流体速度逐渐增大时，固体颗粒位置略有调整，即颗粒间排列方式发生变化，趋向松动的倾向，此时固体颗粒仍保持相互

17、接触，床内粉层高度H与粉末层体积没有变化，这个阶段用图10中的ab段表示。此阶段床内粉层高度并不随流体速度的增大而增加。但是P却随流体速度的增大而增加，图中W为流体速度，Wkp为临界速度，Wmax为极限速度。（2）流化床阶段在固定床的基础上，继续增大流速W，床层开始膨胀和松动，床层高度开始增加，每个粉末颗粒均被流体托浮起来，离开原来的位置作一定程度的位移，即进入流化床阶段。随着流体速度的继续增大，粉末运动加剧且做上下翻滚，如同液体加热达到沸点时的沸腾状态。这个阶段用图10中的bc段表示。此时床内粉层膨胀，高度随流体速度的增大而增加，但床内压强并不增大。因此在一个较大范围内变动流速而不影响流体所

18、需的单位功率。这是流化床的特征之一。图1的b点就是固定床与流化床的分界点，称为“临界点”，此时的速度称为“临界速度”。（3）气流输送阶段流体速度继续增加到某一极限速度时，固体粉末颗粒被流体从流化床中吹送出来，这个阶段称为气动输送阶段。从图1中c点开始即为此阶段。C点处的速度称为流化床的极限速度。因此在掌握流化床涂装技术时，应当将流体速度保持在临界速度Wkp和极限速度Wmax之间。图1 H、P与W的关系曲线2.1.2 流化床的均匀性流化床内粉末流化状态的均匀性是保证涂膜均匀性的关键因素，当气体流速不太大时，床层比较平稳，若加大流速（即增加流化数）W（W=W/Wkp），床层内粉粒运动加剧，就会出现

19、气泡，气泡随着流化数W的增加由小变大。出现大气泡时粉粒被强烈地搅拌到界面上方，再增大W时，大气泡就可能占据流化床整个截面，这时床层将被割成几段，产生“气截”、“腾涌”等现象，如图2a所示。大气泡猛烈冲击粉粒，当气泡破裂时，粉粒被抛得很高，然后落入床层内。气截现象将引起压强的剧烈波动，并恶化气流与固体粉粒的接触，使压强比正常情况要大。引起流化床床层不均匀的另一原因是沟流现象（见图2b）。粉末粒度不均匀，细小颗粒容易产生内聚而形成孔渠。气流从孔渠中流过的现象称为“沟流”或“气沟”。沟流现象会使床层趋于不均匀，压强降波动比较大。首先是由孔渠中的小颗粒转入流化，继而两旁粉粒开始运动，远离孔渠的粉粒则可

20、能仍维持在固定床状态。截面较大的流化床中粉末流态化不均匀主要是由“大气泡”和“沟流”现象引起的。要均匀控制流化床是比较困难的，流化数必须经过大量试验才能找出最佳值。流化数的确定以能够进行流化床涂敷操作为标准。没有必要苛求绝对均匀。刚开启流化床时，气量给得小一些，随后逐渐增加气量，达到相对均匀就可进行涂装操作了。流化床内粉末的悬浮率最高可达30%50%。2.1.3 流化床主要设备流化床是涂装操作的关键设备。它主要由气室、微孔透气隔板和流化槽三部分组成。图12是较为常见的流化床结构。其特点为：（1）气室部分采用环形的铜管出风，并在两块多孔的均压板之间夹一层羊毛毡，使上升气流更均匀。（2）流化槽的槽

21、壁具有1:10的锥度，有利于粉末的均匀流动。为了提高流化槽的空间利用率，流化槽亦可做成矩形或椭园形。（3）流化槽可用钢板、铝合金板、聚氯乙烯板或有机玻璃板等材料制作。流化槽底部振动装置机构可使槽内粉末流化更均匀，并并减少粉尘飞扬，称为振动式流化床（如图3所示）。微孔透气隔板是保障流化床达到均匀流化状态的主要元件，微孔板有微孔陶瓷板、聚乙烯或聚四氟乙烯微孔板。采用环氧粉末和石英砂粘合制作的微孔板机械性能优良。微孔板每平方米的透气量一般为60100m3/h左右，气孔尺寸在1.685m范围内。2.1.4 涂装工艺工件采用流化床工艺涂装所获得的涂膜厚度与以下一些因素有关：被涂工件的材质、工件的热容量、

22、基材的直径或厚度、工件加热温度、工件加热时间、浸粉时间以及粉末涂料的性能（见图4）。流化床涂装的工艺流程如下：（1）工件预热工件预热温度一般比粉末涂料熔化温度高3060。预热温度过高会导致粉末树脂裂解，涂膜产生气泡、焦化、过厚或流挂等现象；预热温度过低会造成涂膜流平不好、不平整，达不到涂膜厚度要求等弊病，热容量大的工件预热温度要偏低一些，热容量小的工件预热温度要偏高一些。预热后的工件在浸涂时与粉末之间发生热量传递。热量从工件传递给粉末，使粉末温度上升至熔融温度从而粘附在工件表面达到初步流平。该过程传递的热量可用下式计算：H= mCpT式中：m粘附于工件上的粉末质量Cp粉末的比热T粉末与工件的温

23、差 （2）流化床浸涂预热后的工件迅速浸入流化槽中，粉末熔融粘附于工件表面，工件沉浸于粉层中应保持运动状态，如转动或水平/垂直方向的移动，这有利于工件的均匀涂装。图5是高密度聚乙烯粉末涂料浸涂时间与涂膜厚度的关系曲线。对于要求涂膜特别厚的工件而言，可以进行多次涂敷，多次涂敷既能保证工件达到所需厚度，又能避免涂层产生气泡，消除针孔等缺陷。造成涂膜不均匀的因素有： 粉末流化是由于向上的气流造成的。与液体有本质的不同，因此只要局部气流受阻，就会出现局部粉末流化状态不好，造成工件上部表面粉末堆积，下部表面涂膜却很薄或不连续，阻挡面积越大这种现象越严重，因此应尽量使工件最小截面垂直浸入床内粉层。 工件下部

24、总是先浸入粉层中而又是最后离开粉层，所以工件涂装后总存在着上下部位涂膜厚度的差异。一般采取工件鄱转180涂装以消除涂层的不均匀性。 粉末流化不均匀，使槽内各部位的粉末密度不同，也会造成涂膜的不均匀。因而选择透气均匀的微孔板和采用振动式流化床涂装是非常重要的。图5 高密度聚乙烯的积粉时间与涂层厚度的关系（3）加热固化（塑化）加热固化工序对热固性粉末来讲使树脂获得充分交联聚合；对热塑性粉末而言则进一步流平成膜。图15反映了固化时间对涂膜性能的影响。图6 固化时间对涂层性能的影响适用于流化床涂敷的粉末涂料粒径以100200m较好，该粒度范围的粉末重量应占粉末总重量的70%80%。2.1.5 应用实例

25、流化床浸涂钢丝的生产工艺过程如图7所示。图7 钢丝粉末流动浸塑示意图（1）钢丝表面预处理预处理包括酸洗、磷化和水洗等工序，磷化效果的好坏对涂膜与钢丝之间的附着力影响很大（见表10）。表10 不同表面状态对涂膜性能的影响钢丝表面状态耐环境开裂应力/h机械性能粘结特性耐冲压（一次，加重500kg）耐滚压次数（6.5，加重50kg）粘结强度MPa腐蚀扩展mm钝化处理183不裂大于12037.22.123不裂76283.9磷化处理143不裂大于100033.32.31不裂49264.2镀锌89不裂2914.911.11不裂417.412.6镀铜43不裂168.29.34不裂26.27.5表10的试验条

26、件为： 涂装用聚乙烯粉末涂料的熔融指数为0.6g/10min。 耐环境应力开裂试验是将涂塑钢丝紧密缠绕10圈，芯径为钢丝直径8倍的弹簧，将试样浸入纯海鸥洗涤剂中保温25，观弹簧圈上涂膜出现开裂的起始时间。 耐冲击试验中的冲头曲面半径为300mm。自由下落的高度为100mm。 耐滚压试验的速度为1530mm/s，行和为600mm，一个往复计为一次。 涂膜粘结强度试验是将100mm的涂塑钢丝一端留下长15m的涂膜，其余涂膜剥去，并清除干净，在拉力机上测定把留下的涂膜拨出所需的抽力，再除以涂膜与钢丝的粘结面积。 涂膜腐蚀扩展试验是将涂塑钢丝试样的中间部位切开10mm的环形切口，并把涂膜清除干净，然后

27、弯成U形，将其投入1%的 Na2SO4溶液中，以试样为阴极，在试样和溶液间施加100V的直流电压，并使通过试样的电流恒定为10mA，在室温下试验100h，检查试样切口处涂膜与钢丝间腐蚀扩展的最大距离。从表10可见钢丝经磷化、钝化处理后涂塑，形成的涂膜粘结力最好，镀锌钢丝的涂膜粘结力次之、镀铜钢丝最差。（2）钢丝预热预先加热钢丝使其温度高于涂料熔点，并储存足够热量，以保证粉末涂料的熔融粘附量，钢丝的表面温度按下列经验公式计算：To=mTk式中：To涂塑前钢丝进入流化床时的表面温度；Tk粉末涂料的熔融温度； m钢丝进入流化床前的降温系数，m值取1.171.24。 预热炉气温由下式求得：Tc=CTo

28、式中：Tc钢丝预热炉气温； To涂塑前钢丝进入流化床时的表面温度；C钢丝规格系数，一般取2.012.46。(3) 钢丝浸塑预热好的钢丝进入流化床中，流化床内粉末的流动状态应调整到最佳状态并控制好钢丝的线速度，钢丝沉浸于粉层中的时间越长其涂膜越厚。涂膜厚度与钢丝温度和速度等因素的关系可用下式计算： (T1T2)tS=C M式中：S钢丝表面的涂膜厚度，mm；C钢丝规格及速度系数，取2.012.46；T1钢丝进入流化床的温度，；T2钢丝从流化床出来的温度，；t钢丝与流化床中粉末接触的时间，min；流化床中粉末的流化状态，g/cm3M流化床透气板的透气率，m3/2；（4）固（塑）化钢丝经流化床浸涂后涂膜尚不能完全熔融流平固化，还需进入烘道进行固（塑）化。塑化温度应低于粉末涂料的分解点，温度过高会造成树脂裂解、发黄，过低则塑化流平不充分。不同粉末涂料的塑化温度不同，常用热塑性粉末涂料的塑化温度见表11。表11 常用粉末涂料的涂塑条件涂料预热温度（）塑化温度（）冷却条件聚乙烯270290220300风冷或水冷聚氯乙烯240280200250风冷或水冷聚丙烯260370200310风冷或水冷聚酰胺（