З початку 70'х років минулого століття технологія порошкової електростатичного забарвлення є однією з найбільш бистроразвівающіх- ся і широко застосовуваних технологій фарбування металів в світі.
Існують два методу зарядки порошкових фарб - Трібостатіческій (трибо-зарядка) і зарядка в поле коронного розряду (коронна зарядка). На різних стадіях розвитку порошкової технології, то один, то інший метод знаходив велику популярність в різних регіонах світу. Суперечки про те, який метод краще, тривають і сьогодні. Однак найчастіше аргументи, що наводяться на захист переваг того чи іншого методу, не є науково-обґрунтованими і часто визначаються комерційними інтересами виробника або продавця обладнання.
Багато характерні риси обох методів зарядки випливають безпосередньо з фізики процесу набуття заряду частинками порошку. Тому варто почати з короткого опису процесу.
Трібостатіческій зарядка
У перекладі з грецької, трибо означає «терти». Чи означає це, що, кажучи про трибо-зарядці, ми маємо на увазі зарядку тертям?
Ми часто спостерігаємо трибо-зарядку в повсякденному житті - статична електризація синтетичного одягу, розряд при торканні до дверної ручки після ходіння по килиму, грозовий розряд блискавки - всі ці випадки є характерними прикладами трибо-заряду. І хоча ми добре знайомі з результатами трибо-заряд- ки, вчені до цих пір не можуть дійти згоди про тонких деталях того, як цей заряд купується. Найбільш широко прийнятне пояснення трибо-за- рядки можна коротко описати таким чином:
Різні матеріали мають різні значення енергії, необхідної для видалення одного електрона з рівня орбіти атома ( «робоча функція»).
Якщо з'єднати матеріалами з різними робочими функціями, електрони з матеріалу, що вимагає меншої енергії, перетечуть в матеріал, що вимагає більшої енергії.
В результаті переходу електронів з одного матеріалу в інший, матеріал, який втрачає електрони, стає положи- тельно-зарядженим, а відроджуються електрони - негативно зарядженим.
Здатність матеріалів приймати або віддавати заряд при контакті відображена в Трібостатіческій серії, приклад якої наведено в Ілюстрації 1.
Якщо прийняти вищенаведену теорію, то при чому тут тертя? Адже досить було б просто прикласти один матеріал до іншого і отримати заряд. І це дійсно так. Але.
По-перше, тертя підвищує площу поверхні контакту між двома матеріалами - наприклад, частинками порошкової фарби і зарядними поверхнями усередині напилювачі.
По-друге, в повсякденному житті практично не існує ідеально чистих поверхонь - завжди присутні забруднення з навколишнього середовища, тонкі плівки вологи і т.д. Тертя дозволяє проникнути через «бар'єр» поверхневих забруднень і отримати прямий контакт між заряджати матеріалами.
По-третє, за рахунок тертя відбувається перенос одного матеріалу на інший, що також сприяє процесу зарядки.
Фактори, що впливають на ефективність трибо-зарядки.
Для підвищення ефективності три- бо-зарядки порошкових покриттів важливо наступне:
Оптимальний підбір пари контактуючих матеріалів.
Найбільш широко поширеним матеріалом, застосовуваним в якості зарядної поверхні всередині трибо-на- пилітелей, є Фторопласт (PTFE), або Тефлон. Згідно Трібостатіческій серії, фторопласт є одним з найбільш електронегатівних матеріалів - отримує електрони при контакті з багатьма іншими матеріалами, знаходячи негативний заряд. Відповідно, багато матеріалів, що контактують з фторопластом, віддають електрони і знаходять позитивний заряд.
Логічно зробити висновок, що, в залежності від їх електропозитивний (електронегативності), різні за складом порошкові фарби будуть заряджатися в різному ступені при напиленні через один і той же напилювачі. Наприклад, епоксідосодержащіе порошкові матеріали створюють хорошу пару і з готовністю віддають електрони при контакті з фторопластом. У той же час поліуретанові фарби будуть менш ефективно заряджатися при контакті з фторопластовим заряджаючими поверхнями.
Чи можна отримати хороший трибо-за- ряд на тих порошках, які погано заряджаються всередині фторопластових напи- Літел? Можна, наприклад, використовуючи Нейлон як зарядної поверхні. Нейлон - яскраво виражений електропозитивний матеріал, який з легкістю віддасть електрони іншим матеріалам. Проте, нейлон не знаходить широкого застосування в якості трибо-заряджає матеріалу в порошкової індустрії. Справа в тому, що нейлон жорстокий і більшість порошкових мат ріалів будуть схильні до ударної полімеризації при терті / наголосу про нейлонові поверхні. Результуюче покриття ударно полімерізірованного порошку на заряджаючих поверхнях значно знижує ефективність зарядки або призводить до забивання каналу розпилювача.
Розмір частинок порошкової фарби.
Оскільки зарядка часток порошку залежить від того, наскільки ефективно ми можемо створити тертя (зіткнення) між частинками порошку і зарядними поверхнями розпилювача, логічно зробити висновок, що більш великі частки порошку зарядяться краще, ніж дрібні. Це пояснюється не тільки тим, що великі частки мають велику інерцію, а й більшою площею їх поверхні. Тому для оптимізації ефективності трибо-зарядки не тільки матеріал (хімічний склад) використовуваного порошку повинен бути відповідним, але і розподіл часток порошку по дисперсності не повинно містити підвищеного обсягу «дрібниці».
Рівень забруднень на поверхні контактуючих матеріалів.
Найбільш типовим «забрудненням» є волога з атмосферного або стисненого повітря. Наприклад, взимку, в морозну погоду, при низькій вологості повітря ми набагато більш імовірно випробуємо розряд при дотику до дверної ручки після ходьби по килиму або вилазячи з машини. Так само і в процесі зарядки порошкового матеріалу всередині трибо-напилювачі - чим нижче вологість стислого повітря, використовуваного для транспортування порошку, тим вище ефективність зарядки.
Таким чином, для ефективної трибо-зарядки важливо мати хорошу систему підготовки і осушення стисненого повітря - систему, що дає повітря, повністю вільний від масел і з точкою роси (-10 ° С) і нижче. Конструкція зарядної системи всередині напилювачі. Найбільш елементарним трибо-напилювачі є фторопластовая трубка, скручена в спіраль (Ілюстрація 2). Ефективність зарядки в такій трубці обмежена тим, що тільки невелика площа внутрішньої поверхні трубки відчуває інтенсивне зіткнення з порошковим матеріалом. При протіканні порошково-повітряної суміші через спіраль (або будь-який вигнутий канал) відцентрові сили відокремлять порошок від повітря, і найбільша щільність потоку порошку буде у зовнішнього радіуса трубки. На додаток, тільки ті частинки порошку, які знаходяться в безпосередньому контакті зі стінками зарядної трубки, отримають заряд, інші можуть залишитися незарядженими (або слабкозаряджені), якщо не створити турбулентності і перемішування потоку порошку. Таким чином, для ефективної трибо-зарядки порошку розпилювач повинен: мати дизайн, що приводить до множинних контактів між частинками порошку і заряджаючими поверхнями; сприяти турбулентному перемішуванню порошку при проходженні через розпилювач, даючи можливість якомога більшій кількості частинок порошку стикнутися з заряджаючими поверхнями;
При зарядці порошку в поле коронного розряду, високонеоднородное електричне поле створюється між зарядним лектродом розпилювача і заземленим забарвлюваним виробом.
Коронний розряд наповнює простір між зарядним електродом і виробом величезною кількістю іонів (заряджених молекул повітря). В процесі напилення деякі іони приєднуються до частинкам порошку, тим самим заряджаючи їх. На жаль, багато іони залишаються «вільними» - не приєднаними до частинкам порошку. Дотримуючись лініях електричного поля, вільні іони летять до заземленого виробу зі швидкостями, у багато разів перевищують швидкості частинок порошку (див. Ілюстрацію 5). Якщо поверхню виробу не має діелектричного покриття, заряд, принесений на виріб вільними іонами, стікає на землю, не надаючи негативного впливу на процес. Однак, як тільки порошкове покриття формується на поверхні виробу, здатність вільних іонів стікати на землю стає обмеженою, і вони починають підвищувати кумулятивний заряд на шарі покриття, що наноситься. Накопичення заряду на шарі покриття веде до розвитку «зворотного іонізації» - електричних розрядів всередині шару покриття, що наноситься, які призводять до погіршення якості покриття і значного зниження ефективності депозиции порошкових частинок. Якщо офарблює виріб уже має шар діелектричного (оплавленого) покриття (як трапляється при перефарбування або багатошаровому покритті), вільні іони заряджають поверхню виробу і відштовхують підлітають заряджені частинки порошку, обмежуючи можливість нанесення нового шару покриття. Однією з відмінних рис систем коронного розряду є вплив зовнішнього електричного поля (поля коронного розряду) на проникнення частинок порошку в важкодоступні ділянки поверхні деталі - ефект клітки Фарадея. Як видно з Ілюстрації 6, комбінація полів коронного розряду і об'ємного заряду створюють поле високої інтенсивності в районі виступів або країв заглиблень. Це інтенсивне поле сприяє більш інтенсивному осадженню часток зарядженого порошку в цих ділянках окрашиваемого вироби і може певною мірою перешкоджати проникненню частинок порошку всередину поглиблень. При відсутності контролю над струмом зарядки і числом вільних іонів зворотна іонізація може розвиватися на виступаючих ділянках вироби значно раніше, ніж покриття на поглиблених поверхнях встигає сформуватися, ефективно перешкоджаючи його формування.
Побічні явища, пов'язані з силою поля в зоні осадження порошку, зворотної іонізацією і накопиченням заряду на поверхні окрашиваемого вироби, є дуже небажаними при оптимізації процесу порошкового фарбування. Традиційно, створення надлишкового числа вільних іонів було одним з основних недоліків процесу коронної зарядки порошкових фарб.
Процес осадження зарядженого порошку
Іноді доводиться чути, що системи з трибо-зарядкою не створюють електричного поля між розпилювачем і напилюваним виробом. В силу цього, покриваність заглиблень і інших важко-доступних ділянок вироби нібито виявляється значно краще при використанні трибо-розпилювачів.
Такі твердження не зовсім правильні. Всякий раз, коли є заряд, є і електричне поле. У системах коронного розряду (Мал. 5 і 6), є два джерела електричного поля - зарядний електрод розпилювача це кумулятивний заряд хмари заряджених частинок порошку і вільних іонів. Електричне поле в зоні осадження порошку (поблизу поверхні деталі) є результатом взаємодії (не сума) цих двох полів.
У системах з трибо-зарядкою (Ілюстрація. 8) електричне поле поблизу поверхні напилюваного вироби також існує і (в залежності від ступеня заряду порошку) може бути досить значним.
Проте, відсутність «зовнішнього» поля, як при коронному розряді, певним чином полегшує нанесення покриття на внутрішні поверхні виробів складної форми.
Важливою відмінністю трибо-систем є відсутність вільних іонів (заряджених молекул повітря) в системах трибо-напилення. Відсутність вільних іонів знижує інтенсивність поля об'ємного заряду і значно уповільнює розвиток зворотного іонізації на поверхні напилюваного вироби. В силу останнього, якість (гладкість, відсутність шагрені) поверхні покриттів, що наносяться трибо-методом, іноді перевершує якість покриттів, що досягаються традиційними системами коронного розряду. Відсутність вільних іонів також робить трибо-системи ідеальним в тих випадках, коли потрібно нанесення декількох шарів порошкового покриття. Наприклад, Ілюстрація 9 показує процес фарбування геометрично нескладних для порошкового покриття виробів - велосипедних рам. Але ілюзія «нескладності» зникає, коли ми дізнаємося, що це процес нанесення спочатку «колірного», а потім прозорого порошкового
покриття на рами велосипеда Schwinn. Обидва наносяться поверх вже наявних на поверхні шарів електрофорезу і грунтового покриття. При використанні систем коронної зарядки вільні іони привели б до швидкої зарядки діелектричної поверхні вже нанесених покриттів і формування рівномірного і гладкого шару лаку було б важко.
Ще одним важливим відмінністю між системами трібо- і коронного заряду є, найчастіше, аеродинаміка процесу напилення. Можливість використання з трибо-системами набагато більшого асортименту насадок часто дозволяє досягти високої рівномірності факела напилення і надає більше віз
можностей оптимізації аеродинаміки в зоні осадження покриття. Корисно відзначити, що оптимізація нанесення покриття на важкодоступні ділянки виробів часто в набагато більшому ступені залежить від аеродинаміки процесу нанесення, ніж від електростатики.
Ілюстрація 10 показує нанесення покриття на жалюзних розподільник повітряного потоку-деталь, спроектовану для ефективного пропускання через себе повітря і яка є одним з найскладніших виробів для порошкового фарбування. Якщо факел напилення має надлишкову швидкість, частки порошкової фарби пролетять через отвори вироби без найменшого шансу осадження. Трібо-розпилювач, оснащений належної насадкою, створює дуже м'який і рівномірний факел напилення, необхідний для високоефективного і повного прокрас.
Варто відзначити ще й той факт, що правильно спроектована насадка трібораспилітеля може значно покращувати ефективність зарядки порошку.
Як видно з вище наведеного аналізу, обидва методи зарядки частинок застосовуються в індустрії порошкового фарбування мають свій переваги і недоліки. Ілюстрація 11 підсумовує їх.
Зауважте, що серед критеріїв порівняння двох методів зарядки відсутній критерій «Ефективність нанесення». Справа в тому, що ефективність залежить від дизайну обладнання і від того, як це обладнання використовується споживачем.
За останні 5-7 років розвитку індустрії нанесення порошкових покриттів, можна з упевненістю сказати, що коронні системи зарядки домінують ринок за кількістю використовуваних в світі розпилювачів.
Основними причинами для цього є:
- ефективність зарядки найширшого асортименту фарб;
- низька чутливість до вологості навколишнього і стисненого повітря;
- можливість швидкої зміни кольору;
- розробка нових методів контролю процесу які мінімізують традиційні недоліки систем коронного розряду.
Незважаючи на більш широку популярність ситем коронної зарядки, аплікації в яких трибо володіє значними перевагами продовжують і будуть існувати. Щодо низькі вартість, легкість дизайну і виробництва елементарних трибо-распиліте- лей також сприяє їх популярності в ринках, що розвиваються. Проте слід зазначити, що при виборі методу зарядки порошкових фарб, який найближче відповідає вашим вимогам не слід керуватися низькою вартістю, тому що при економії інвестицій в обладнання споживач, як правило, платить набагато більше за підвищену споживанні порошку.