Глава 5. Способи нанесення порошкових фарб і вживане обладнання

Порошкові фарби наносять на деталі або електростатичним розпиленням, або їх зануренням у псевдозрідженому шар (з електризацією частинок або без неї), або методом розпилення газополум'яного

Рис. 5.1. Схема нанесення порошкових фарб способом електростатичного розпилення:

1 - забірна труба; 2 - пульт управління; 3 - ежектор; 4 - розпилювач; 5 - заземлена деталь; 6 - живильник; 7 - пориста перегородка

Електростатичне розпорошення найбільш зручно і забезпечує кращий контроль товщини покриття. Воно стало основним методом нанесення покриттів у промисловості. У цій главі наводиться докладний огляд технологій нанесення покриттів способом електростатичного розпилення, дається також опис інших методів.

В установці розпилювання (рис. 5.1) порошок, що знаходиться в спеціальному бункері (живильнику), зазвичай наводиться в псевдоожиженное стан (флюидизируется) за допомогою стисненого повітря. Ежектор забирає порошок з бункера і переносить його до розпилювача. Пульт управління використовується для контролю подачі порошку і повітря, а також для підтримки параметрів розпилення. В розпилювачі порошку повідомляється електричний заряд шляхом іонного бомбардування в електричному полі (метод зарядки коронним розрядом) або тертям (метод трибостатической зарядки).

Існує велика різноманітність типів та конструкцій обладнання, призначеного для нанесення покриттів. У наступному розділі ми більш детально зупинимося на них.

5.1. Пристрій для подачі порошку

Живильники

Найбільш широко поширені живильники з псевдоожижением порошку. Стиснене повітря подається в живильник (рис. 5.2) через пористу перегородку, розташовану в його нижній частині. Проходячи через шар порошку, повітря приводить його у зважене стан.

Зважений шар порошку можна порівняти з закипаючою рідиною. Якщо в рідких фарбах ожижающим агентом служить розчинник або вода, то в порошкових

Цю функцію виконує повітря. З його допомогою порошкова фарба подається до розпилювача. Псевдозрідженому порошок веде себе як рідина, він може перекачуватися насосом майже таким же чином.

Призначення псевдозрідження двояко. По-перше, воно полегшує рівномірне і стійке перенесення порошку з живильника до розпилювача. По-друге, є як би попередньою підготовкою порошку, оскільки при цьому усувається злипання частинок, видаляється поглинена волога і поліпшується текучість матеріалу.

Рис. 5.2. Живильник:

1 - стиснене повітря; 2 - ежектор; 3 - забірна труба; 4 - пориста перегородка

    

 

 

Рис. 5.3. Циліндричний бункер

Основна вимога до роботи живильників з псевдозрідженим порошком - подача чистого сухого повітря. Це загальна вимога до всіх елементів системи нанесення покриттів, але особливо актуально воно по відношенню до апаратів з псевдозрідженим шаром з двох причин. Насамперед, пори в пористої перегородки мають малі розміри й можуть легко засмітитися маслом або іншими домішками, що містяться в подаваному повітрі, що призведе до поганого зрідження. По-друге, той же повітря, перебуваючи у прямому контакті з порошком протягом тривалого часу, може надати несприятливий вплив на якість і стан порошку. Вологий або забруднений частками масла повітря буде забруднювати порошок, результатом чого з'явиться злипання частинок, погіршення його плинності, здатності до сприйняття електричного заряду і розпорошення. Іноді така ситуація може призвести до утворення поверхневих дефектів в покритті, таких, як кратери і плями.

Живильники з псевдозрідженим порошком, використовувані у ручних системах, зазвичай мають циліндричну форму (рис. 5.3), виконуються з нержавіючої сталі.

Рис. 5.4. Пересувна установка розпилювальна

Більш великі ручні установки часто бувають пересувними і для зручності в роботі і обслуговуванні їх установлюють на візки (рис. 5.4).

Вібраційні, механічні встряхивающие або змішуючі пристрої можуть використовуватися в поєднанні з псевдоожижением в якості допоміжних засобів при роботі з важкими або важко піддаються псевдоожижению порошками. Для більш великих установок, що використовуються в автоматичних розпилювальних системах, по конструктивним міркувань або з міркувань стійкості застосовують живильники прямокутної форми. Такі живильники можуть бути обладнані розвантажувальним патрубком для висипання невикористаного порошку, коли потрібна його заміна. Рівень порошку в живильнику контролюють спеціальні датчики.

Вібраційні живильники дають можливість приймати порошок безпосередньо з транспортної упаковки (коробки), в якій він надійшов від постачальника (рис. 5.5). Вібрація підтримує порошок у рухомому стані і перешкоджає утворенню пустот під нижнім кінцем забірної труби. Цей тип систем розпилення порошку часто використовується в тих випадках, коли малі партії деталей покривають порошками, різними за кольором або складу. Порошок подається безпосередньо з коробки. Пластиковий пакет всередині коробки може бути легко закритий знову і поміщений на зберігання для подальшого застосування. При використанні деяких порошків стійкість подачі порошку з коробки живильника може бути такою ж гарною, як і при наявності вдало сконструйованого бункера з псевдозрідженим порошком. Впуск невеликих обсягів ожіжающего повітря через спеціальні приставки на кінці забірної труби ще більше підвищує стійкість подачі порошку. Завдяки простоті і легкості зміни кольору фарби живильники з вібруючими коробками забезпечують більшу гнучкість в дрібносерійному виробництві. Вібраційні живильники широко використовуються для перенесення і великих кількостей порошку. Зазвичай в автоматичних системах нанесення покриттів використовуються живильники великого обсягу, що дозволяють здійснювати змішання вихідного порошку з регенерированным і подавати їх на розпорошення. В якості альтернативи вібрації може використовуватися подача порошку під дією сили тяжіння (гравітаційна подача).

Гравітаційні живильники зазвичай мають конічну форму. Така форма служить "лійкою", за якою порошок надходить в ежектор, розташований біля її основи. Зазвичай в таких живильниках використовується комбінація сили тяжіння з вібрацією, струшуванням або зовнішнім тиском для підтримки рівномірної подачі порошку в ежектор (рис. 5.6).

Гравітаційні живильники зазвичай мають конічну форму. Така форма служить "лійкою", за якою порошок надходить в ежектор, розташований біля її основи. Зазвичай в таких живильниках використовується комбінація сили тяжіння з вібрацією, струшуванням або зовнішнім тиском для підтримки рівномірної подачі порошку в ежектор (рис. 5.6).

При використанні даної конструкції живильника стиснене повітря для псевдозрідження не потрібно. Живильники, що використовують силу тяжіння, тиск або механічне струшування, представляють альтернативний метод подачі для порошків, які важко піддаються псевдоожижению і мають велику питому щільність, або дуже дрібно.

Рис. 5.5.  
Фарбувальна установка з виброзабором порошкової фарби з транспортної упаковки встановленої на віброплатформе

Рис. 5.6. Живильник гравітаційної подачі порошку:

1 - повітря; 2 - вібратор; 3 - ємність для порошку; 4 - повітряно-порошкова суміш, що спрямовується в розпилювач

Рис. 5.7. Шнековий живильник:

1 - порошок з бункера; 2 - шнек; 3 - двигун; 4 -гнучке з'єднання; 5 - до розпилювача; 6 - подача повітря

Використання шнекового живильника (рис. 5.7) може підвищити стійкість подачі порошку до розпилювача. Обертаючись, шнек забезпечує контрольований обсяг порошку, що подається у вихідну вирву, з якої матеріал подається до пристрою нанесення покриття. Оскільки геометрією витків шнека визначається фіксується обсяг, частота обертання шнека може бути використана для калібрування об'ємної подачі порошку до ежектору. Застосування шнека для контролю об'єму порошку, що подається до ежектору і розпилювача, може підвищити точність дозування до ±1 %.

Внаслідок складності очищення шнекові живильники найкращим чином підходять для тих випадків, коли потрібна дуже мала кількість різних кольорів і складів порошкових фарб. Однак підвищена щільність подачі порошку, що досягається з використанням цих пристроїв, дозволяє досягти значної економії порошку.

Ежектори для подачі порошків

Ежектор (насос) призначений для подачі порошку до пристрою розпилювання контрольованим, рівномірним і однорідним потоком. Якість покриттів значною мірою залежить від якості даного потоку, внаслідок чого ежектор є важливим елементом в системі нанесення порошкових фарб. У більшості ежекторів для подачі порошків використовується принцип Вентурі. Стиснене повітря з контрольованою ступенем розрідження засмоктує порошок в трубу і передає його до пристрою для розпилювання (рис. 5.8).

Конструкції ежекторів можуть бути різні, однак в усіх використовується один і той же принцип Вентурі. Струмінь стиснутого повітря продувається крізь маленький отвір в ежекторну камеру (камеру змішування) насоса. Первинний повітря, зазвичай званий інжекційним чи повітрям подачі, проходить крізь камеру змішування всередині корпусу насоса поперек верхньої частини забірної труби, створюючи область зниженого тиску. За рахунок різниці тисків порошок всмоктується в камеру змішування. Як тільки порошок надійде в камеру змішування насоса, та ж сама струмінь повітря винесе його через вихідний отвір трубки Вентурі у з'єднувальний шланг. Такий процес подачі порошку зазвичай використовується для його перенесення у великих кількостях, але не завжди забезпечує стійкий і однорідний потік.

Рис. 5.8. Ежектор:

1 - порошок; 2 - вхідна сопло; 3 - регулятор подачі стисненого повітря; 4 - ежекторна камера; 5 - вихідне сопло; 6 - труба забірна

Для більш точного контролю та регулювання подачі порошку до пристрою для нанесення покриття використовується другий потік повітря, що вводиться в ежектор додатково. Цей другий потік повітря (часто званий розпорошується, несучим або додатковим повітрям) перемішується з потоком порошку і використовується для подальшого розпилення, допомагаючи переміщення порошку по шлангу до розпилювача (рис. 5.9).

Рис. 5.9. Ежектор з двома повітряними потоками:

1 - подача повітря для забору порошку; 2 - подача додаткового (розпилюючої) повітря

Правильне співвідношення витрат первинного і вторинного повітря вкрай важливо для підтримки сталого та рівномірного потоку порошку, направляється до пристрою для його розпилення. Вторинний потік повітря підтримує порошок рівномірно в розпорошеному і зваженому стані при русі по шлангу до розпилювача. При недостатній витраті вторинного повітря частинки порошку можуть випадати з повітряного потоку в місцях викривлення шланга, що призведе до нестійкої подачі порошку в розпилювачі.

Слід прагнути до того, щоб звести до мінімуму загальний витрата повітря в системі подачі порошку. Рекомендується працювати з меншими обсягами транспортуючого повітря, забезпечуючи більш високу ефективність ежектора і зниження зносу частин установки, що знаходяться в контакті з повітряно-порошковою сумішшю.

Крім тиску повітря на швидкість і рівномірність подачі порошку впливає безліч інших факторів. Серед них - довжина і внутрішній діаметр шланга для подачі порошку, маршрут його прокладки, висота розташування розпилювача, рівень порошку в живильнику і діаметр сопла Вентурі. Постачальники обладнання для нанесення покриттів часто пропонують шланги і сопла Вентурі різних діаметрів, що допомагає оптимізувати подачу порошку для будь-яких варіантів застосування.

Щільність порошку на виході з ежектора досить висока і може підтримуватися з точністю ±(5-10) % за умови стійкої подачі порошку і стисненого повітря. Зазвичай використовується по одному ежектору для кожного розпилювача.

Інший метод підвищення рівномірності подачі порошку до розпилювача полягає у використанні датчиків або інших аналогових пристроїв для точного контролю об'єму повітря, що подається до ежектору. Такі пристрої управляються програмованим логічним контролером і майже повністю усувають коливання в подачі порошку, обумовлені змінами тиску повітря в системі подачі. Крім того, ці пристрої можуть легко поєднуватися зі спеціальними установками для нанесення різних порошків і фарбування виробів різної складності. Цей метод контролю потоку повітря і порошку добре підходить для великих автоматичних ліній нанесення покриттів з широким діапазоном властивостей.

Шланг для подачі порошку

Шланг для подачі порошку приєднує ежектор до пристрою для нанесення порошкової фарби, забезпечуючи зв'язок між письменником і розпилювачем. Діаметр шланга визначається конкретним випадком його застосування та обсягом порошку, який повинен через нього пропускатися, відстанню, на яке порошок повинен подаватися, а також типом ежектора і розпилювача. Поставляються шланги внутрішнім діаметром від 8 мм (5/16 дюйма) - для низької швидкості потоку порошково-повітряної суміші - до 18 мм (3/4 дюйма) при високій швидкості потоку і подачі великих кількостей порошку. Важливо, щоб шланг і ежектор забезпечували адекватні обсяг і швидкість повітря для транспортування порошку. Якщо цього не буде, то порошок може випадати з повітряного потоку і осідати в шлангу, що призведе до нерівномірного його виходу з розпилювача. Діаметр шланга повинен бути постійним по всій довжині.

Для виготовлення шлангів, призначених для подачі порошку, в даний час використовується багато матеріалів: поліетилен, електропровідний поліетилен, сополімер етилену з вінілацетатом, пластифікований полівінілхлорид, гума з ізопренового каучуку, гума з натурального каучуку, поліуретан, поліефірні еластомери та багато інших.

При виборі шланга для подачі порошку необхідно приймати до уваги наступні фактори:

• розм'якшення при ударі;
• заряжаемость при терті;
• радіус утворюються петель/затискачів;
• інертність по відношенню до матеріалу порошку;
• зносостійкість;
• можливість очищення.

Кожен з цих факторів впливає на загальну ефективність, експлуатаційні витрати і якість обробки. Правильна установка шлангу настільки ж важлива, як і вибір самого шланга. Шланг повинен добре підтримуватися опорами, будь-які його вигини повинні мати радіус не менше 220 мм, а довжина його повинна бути мінімальною. Маршрут прокладки шланга повинен мати мінімальне число перепадів по висоті і вигинів. На шляху прокладання шлангів слід уникати розміщення будь-якого обладнання, яке могло б перетиснути або пошкодити їх.

5.2. Зарядка порошку і застосовуються розпилювачі

Електростатичне нанесення порошкових фарб ґрунтується на повідомленні частинок сухого порошку електричного заряду. Використовуються два методу зарядки: зарядка коронним розрядом в електричному полі і трібо-статична (фрикційна) зарядка. Обидва методи можуть ефективно використовуватись в технології нанесення порошкових фарб. Однак існують відмінності, які роблять одні випадки застосування більш придатними для зарядки коронним розрядом, а інші - для зарядки тертям. Оскільки від способу заряджання залежить ефективність нанесення порошків, розглянемо докладніше кожний з методів зарядки і відповідне обладнання.

Зарядка коронним розрядом

У системах зарядки коронним розрядом до зарядним електродів розпилювача подається висока напруга, і між розпилювачем і заземленою деталлю створюється сильне електричне поле (рис. 5.10).

У більшості випадків у системах зарядки коронним розрядом використовується негативна полярність зарядного електрода. Напруженість електричного поля досягає максимального значення у кінця зарядного електрода, і при досягненні певного рівня тут відбувається коронний розряд. Коронний розряд являє собою тип холодної плазми, коли в області корони з'являються вільні електрони, які заповнюють простір між розпилювачем і деталлю. Ці електрони приєднуються до молекул повітря, створюючи, таким чином, негативні іони. Якщо електричне поле за межами області коронного розряду має достатню напругу, то іони, в свою чергу, будуть приєднуватися до частинок порошку по мірі його розпилення.

В результаті між розпилювачем і деталлю створюється хмара заряджених частинок порошку і вільних (неприєднаних) іонів. Сукупний заряд частинок порошку і вільних іонів, що складають хмара, називається "просторовим зарядом". Просторовий заряд створює своє власне електричне поле, яке взаємодіє з полем високовольтного електрода і допомагає осадження частинок порошку на заземленную підкладку.

Рис. 5.10 Зарядка в полі коронного розряду.

1 - коронирующий електрод; 2 - заряджені частинки порошку; 3 - вільні іони; 4 - електричне поле високої напруги; 5 - силові лінії

Зарядка коронним розрядом є найбільш широко використовуваною технологією зарядки порошку. Її популярність обумовлена наступними перевагами:

• високою ефективністю зарядки майже всіх порошкових матеріалів, застосовуваних у покриттях;
• високою продуктивністю систем нанесення покриттів з використанням зарядки коронним розрядом;
• відносно низькою чутливістю до вологості навколишнього повітря;
• надійністю обладнання і низькими витратами на технічне обслуговування і ремонт.

Звичайні системи зарядки коронним розрядом мають також свої недоліки, які зумовлені сильним електричним полем між розпилювачем і деталлю. В деяких випадках застосування це сильне поле може утруднити нанесення покриття в кутах і в місцях глибоких виїмок. Крім того, неправильний вибір електростатичних параметрів розпилювача і відстані від розпилювача до деталі може викликати зворотну іонізацію і погіршити якість покриття.

Успіхи в розвитку технології зарядки коронним розрядом дозволяють фахівцям з нанесення покриттів звести до мінімуму багато з перерахованих вище недоліків і значно підвищити якість покриття і обробки в цілому.

Системи зарядки коронним розрядом збережуть, мабуть, свою популярність і в майбутньому. Той факт, що майже всі порошкові матеріали можуть ефективно заряджатися в полі коронного розряду, робить •такі системи кращими для використання. Крім того, висока ефективність зарядки і гнучкість цього методу можуть підвищити продуктивність високошвидкісних виробничих ліній. При зростаючої потреби у швидкій зміні кольору порошкових фарб добре продумана конструкція із застосуванням розпилювачів коронного розряду є найбільш привабливою.

Оскільки в системах зарядки коронним розрядом використовується висока напруга, можуть знадобитися спеціальні вимірювальні прилади для перевірки належного функціонування обладнання та усунення несправностей. Для діагностики обладнання при зарядці коронним розрядом зазвичай служать кіловольтметри, які повинні бути справні і прокалиброваны.

Електростатичне обтікання, або "обволікання", - властивість зарядженого порошку осідати на поверхнях виробів, що не знаходяться безпосередньо в силовому полі. Обтікання є одночасно електростатичним і аеродинамічним явищем (рис. 5.11).

Рис. 5.11. Електростатичне обтікання деталі порошковою фарбою.

1 - аеродинамічна сила; 2 - електростатичне тяжіння

Коли заряджені частинки порошку пролітають біля країв деталі, на них діють аеродинамічні та електростатичні сили. Великі частинки порошку мають велику площу поверхні, і, отже, вони більшою мірою схильні до впливу аеродинамічних сил і сили тяжіння. Якщо швидкість повітряного потоку поблизу деталі висока, то великі частинки порошку будуть мати тенденцію пролітати біля країв, не осідаючи на виробі. Більш дрібні частинки порошку відчувають щодо більш сильне електростатичне тяжіння до заземленої деталі. Крім того, з причини їх менших розмірів вони в меншому ступені піддаються впливу аеродинамічних сил і сили тяжіння. Тому більш ймовірно, що дрібні частинки порошку будуть залишати потік повітря і під дією сил електростатичного тяжіння осідати на задній стороні деталі.

На ефект електростатичного обтікання впливають електростатичний заряд частинок порошку, швидкість повітря, що створюється пристроєм нанесення порошку, розподіл частинок і потік повітря в камері в безпосередній близькості від деталі. Чим більший електростатичний заряд несуть частинки порошку і чим менше швидкість потоку повітря поблизу деталі, тим більш вираженим буде ефект обтікання навколо деталі. На обтікання не впливає метод зарядки, воно спостерігається в системах з зарядкою частинок, як коронним розрядом, так і тертям.

Ефект клітки Фарадея спостерігається в тих випадках, коли порошкову фарбу наносять на деталі з виїмками, кутами, поглибленнями або виступами на поверхні, куди зовнішнє електричне поле створене розпилювачем або просторовим зарядом) не проникає. Силові лінії завжди йдуть до найближчої заземленою точці і, отже, швидше концентруються по краях виїмки і виступаючим дільницях, а не проникають далі всередину. Тому нанесення рівного покриття на деталі складної форми часто ускладнене і в деяких випадках може бути навіть неможливо.

Ефект клітки Фарадея - результат впливу електростатичних і аеродинамічних сил. На рис. 5.12 показано, що при нанесенні покриття на дільниці, в яких діє ефект клітки Фарадея, електричне поле, створюване розпилювачем, в якому використовується коронний розряд, має максимальну напруженість по краях виїмки. Це сильне поле прискорює осідання частинок, утворюючи в цих місцях покриття занадто великої товщини.

Як було зазначено раніше, зовнішнє електричне поле не проникає в поглиблення і, отже, умови для осідання порошку в цих місцях погіршуються. Аеродинамічні умови всередині виїмки також менш сприятливі, ніж при нанесенні покриття на плоску поверхню. Потік повітря, що несе порошок всередину виїмки, часто створює надлишкову турбулентність, що заважає його осадження.

Для успішного нанесення покриття на дільниці, в яких діє ефект клітки Фарадея, повинні виконуватися наступні умови:

• порошок повинен бути добре заряджений;
• швидкість потоку повинна бути достатньою для перенесення порошку всередину поглиблення, але не занадто великий, щоб не заважати його осадженню;
• зовнішнє електричне поле повинно контролюватися для зменшення "підштовхування" частинок порошку до країв клітки Фарадея.

Рис. 5.12. Ефект клітки Фарадея.

Нанесення покриття на деталі складної форми може представляти дуже складну задачу. Проте при правильному виборі обладнання, належної його встановленні і дотриманні необхідних умов нанесення порошку вона може бути успішно вирішена в тих випадках, де діє ефект клітки Фарадея.

У важких випадках, однак, при наявності клітки Фарадея в обладнанні для нанесення покриттів традиційно застосовують зарядку тертям. В розпилювачах з зарядкою тертям не використовується висока напруга і, отже, не створюється сильне електричне поле поблизу поверхні деталі. Зарядка тертям буде розглянуто далі.

Зворотна іонізація є звичайним явищем в технології нанесення порошкових фарб. Простіше кажучи, зворотний іонізація проявляється в тих випадках, коли в шарі порошкового матеріалу на поверхні деталі накопичується занадто великий заряд. Добре позначена зворотна іонізація помітна на деталях з покриттям у формі "зірочок", кратерів або "апельсинової кірки". Такі кратери проходять через всі покриття до самої металевої підкладки. Вони не тільки погіршують якість покриття, але також можуть призвести до порушення його функціональних властивостей.

Зворотна іонізація зазвичай викликається надмірним струмом вільних іонів від зарядних електродів розпилювача. Коли вільні іони потрапляють на покриту порошком поверхню деталі, вони додають свій заряд до заряду, накопиченому в шарі порошку. В деяких точках величина заряду в шарі підвищується настільки, що в його товщі проскакують микроискры. Ці іскри призводять до утворення кратерів і "зірочок" на поверхні покриття.

Крім негативного впливу зворотного іонізації на якість покриття, вона також знижує ефективність процесу нанесення фарб. Наприклад, якщо ми використовуємо розпилювачі з коронним розрядом, повідомляють часток порошку негативний заряд, то розвивається зворотна іонізація призводить до утворення великої кількості позитивних іонів поблизу поверхні деталі. Ці позитивні іони притягуються до негативно заряджених частинок порошку і знижують або нейтралізують їх заряд. Частинки, які віддали свій заряд позитивних іонів, не зможуть осідати на поверхню деталі, що призведе до зниження ефективності роботи розпилювачів і обмеження товщини одержуваних покриттів.

Хоча зворотна іонізація є типовою і найбільш дорогою проблемою, вона може бути подолана шляхом використання спеціального обладнання та удосконалення методів нанесення фарб. Зокрема, такі пристосування, як заземлені противоэлектроды (іонні колектори) і автоматичний контроль струму та напруги на розпилювачі, описані раніше для випадків ефекту клітки Фарадея, можуть бути застосовані і для зменшення зворотного ефекту іонізації. Обидва пристрої знижують струм вільних іонів до деталі і уповільнюють наростання заряду в шарі порошкового матеріалу.

Якщо придбання сучасного обладнання неможливо, то удосконалення методів нанесення фарб може істотно уповільнити процес зворотного іонізації. Так, збільшуючи відстань між розпилювачем і поверхнею деталі, можна зменшити струм розпилювача і уповільнити процес зворотного іонізації. Для досягнення максимальної ефективності операцій з нанесення фарб слід дотримуватися відстань між розпилювачем і деталлю в межах 200-300 мм

Зворотна іонізація проявляється не тільки у випадках зарядки коронним розрядом, але може постерігатися також при застосуванні розпилювачів з зарядкою тертям. Однак відсутність вільних іонів у разі зарядки тертям затримує зворотний іонізацію і робить її помітною лише в разі дуже товстого порошкового шару (зазвичай більше 0,25 мм).

Трибостатическая руханка (зарядка тертям)

Трибоэлектричество було найпершим методом повідомлення електростатичного заряду матеріалів, відомим людству. У цьому випадку електростатичний заряд виробляється тертям одного матеріалу про інший.

Матеріали з різними фізико-хімічними властивостями можуть обмінюватися електронами при безпосередньому контакті один з одним. Деякі матеріали легко віддають електрони, тоді як інші охоче їх застосовують.

Рис. 5.13. Трибоелектричних ряд:

а - заряд полімерів в залежності від діелектричної постійної ; в - заряд по відношенню до тефлону

Тертя поліпшує контакт між матеріалами і полегшує обмін електронами. Розпилювачі з трибостатической зарядкою порошку сконструйовані з таким розрахунком, щоб створити умови для численних зіткнень частинок порошку з заряджає поверхнею усередині розпилювача. В результаті цих численних зіткнень між поверхнею і частинками здійснюється передача електричного заряду.

Різні матеріали можуть бути збудовані в так званий "трибоелектричних ряд" (рис. 5.13), в якому матеріали класифікуються по тому, наскільки легко вони сприймають електрони. Матеріали, які легко віддають електрони (донори), представлені у верхній частині ряду, тоді як матеріали, які найлегше приймають електрони (акцептори), - у нижній частині. Якщо терти один про одного два матеріалу, один з яких є хорошим донором, а інший - хорошим акцептором, то електрони будуть переходити від донора до акцептору. Оскільки донор втрачає електрони, він здобуває позитивний заряд, тоді як акцептор приймає електрони, стаючи при цьому зарядженим негативно. Чим далі один від одного розташовані матеріали в трибостатическом ряду, тим краще вони заряджаються при терті.

Одним з найкращих акцепторів в трибоэлектрическом ряду є політетрафторетилен (тефлон).

В розпилювачах з трибостатической зарядкою важливо збільшити кількість і силу зіткнень між частинками порошку і заряджають поверхнями розпилювача. Одна з основних проблем при розробці розпилювача з трибостатической зарядкою полягає у створенні умов для ефективної передачі заряду при зведенні до мінімуму зношування та налипання частинок на частині розпилювача під дією ударів. Оскільки тефлон забезпечує хорошу зарядку більшості порошкових матеріалів, має відносно високу зносостійкість і стійкий до налипання частинок під дією ударів, його використання в розпилювачах з трибостатической зарядкою є кращим.

Різновиди розпилювачів

Трібостатичний розпилювач. На рис. 5.14 показано конструкція і принцип роботи типового розпилювача з трибозарядкой. Оскільки потік порошку через розпилювач постійний, передача заряду також постійна. При передачі заряду однієї полярності часток порошку, що покидають розпилювач, на зарядної поверхні розпилювача утворюється заряд протилежної полярності, який повинен постійно відводитися від розпилювача. Це вимагає ефективного заземлення для безперервного зняття заряду з розпилювача. Без такого ефективного відведення заряду на землю зарядна поверхня швидко насититься зарядом, і процес зарядки припиниться, або ж накопичився заряд викличе дуговий розряд на найближчий заземлений предмет. Такий дуговий розряд може проходити через повітря вздовж поверхні або може навіть пробити стінку корпусу розпилювача

Рис. 5.14. Трибоелектричних розпилювач:

1 - подача повітря; 2 - подача порошку; 3 - заземлення; 4 - зарядний пристрій; 5 - розпилювальна насадка; б-порошок, що розпорошується

У будь-якому випадку цей ефект небажаний і потенційно небезпечний, тому заземлення розпилювача з трибостатической зарядкою абсолютно необхідно.

Як зазначалося раніше, в розпилювачах з трибостатической зарядкою не використовується електрична напруга для зарядки порошку, і між розпилювачем і деталлю не створюється ні сильного електричного поля, ні іонного струму. Відсутність електричного поля і іонного струму допомагає проникненню порошку на ті ділянки, де діє ефект клітки Фарадея, і забезпечує якісне фарбування. Крім того, завдяки відсутності зарядних електродів є велика свобода в розробці багатоструменеві насадок для розпилювачів з трибостатической зарядкою. Такі насадки (рис. 5.15) можуть мати конфігурацію, відповідну конкретного профілю деталі для розпилення порошку точно в ті місця, де це необхідно. Використання багатоструменеві насадок з трибостатическими розпилювачами - одне з основних переваг технології використання трибостатической зарядки. Ці насадки ділять єдиний потік порошку на численні більш дрібні потоки, перетворюючи розпилювач, по суті, в безліч дрібних розпилювачів. Швидкість порошку, який покидає кожен з "пальців" такої насадки, зазвичай мала; це дозволяє розміщувати розпилювач ближче до деталі для нанесення порошку з більшою точністю і рівномірністю

Трібостатичні системи в порівнянні з системами, що використовують коронний розряд, мають деякі переваги, які полягають в можливості нанесення покриттів на деталі складної форми і в забезпеченні високої якості і рівномірності обробки, але з-за підвищеної чутливості до складу матеріалу порошків і ступінь полідисперсності їх ефективність може бути неоднозначною. В залежності від того, наскільки далеко один від одного розташовані два матеріалу в трибостатическом ряду, в одному і тому ж розпилювачі порошки одного складу будуть заряджатися краще, ніж порошки іншого складу. Найчастіше зміни в результатах нанесення різних фарб можуть бути відчутними.

Чутливість систем з трибостатической зарядкою знову-таки випливає з самої природи цього методу зарядки. Оскільки на ефективність зарядки впливають кількість і сила зіткнень між частинками порошку та зарядними поверхнями розпилювача, більш великі частинки порошку, які вдаряють по цим зарядним поверхонь з більшою силою, заряджаються краще. Крім того, велика площа поверхні цих частинок буде вносити вклад в їх більш ефективну зарядку.

Таким чином, внаслідок відмінностей в ефективності зарядки між частками різних розмірів необхідно звертати увагу не тільки на склад порошків, але також і на розподіл їхніх часток за розмірами. Якщо розкид за розмірами частинок занадто великий, то більш великі частки будуть осідати на деталях більш ефективно, ніж більш дрібні. Це означає, що більш дрібні частинки будуть накопичуватися в системі регенерації.

Рис. 5.15. Насадки трибостатических розпилювачів:

Якщо конфігурація виробу така, що ступінь осадження порошку на ньому при першому проході нижче 50 %, то поступове накопичення дрібних частинок в системі регенерації може призвести до поступового зниження ефективності роботи всієї системи. Для запобігання цього явища бажано використовувати порошкові фарби з вузьким розподілом частинок за розмірами.

Розпилювачі з використанням трибостатической зарядки конструктивно більш надійні, ніж розпилювачі з зарядкою з полі коронного розряду, оскільки вони не мають елементів, що перетворюють висока напруга. За винятком проводу заземлення, ці розпилювачі є повністю механічні, чутливими тільки до природного зносу. Однак всередині розпилювачі з трибостатической зарядкою мають складний пристрій, що забезпечує необхідне тертя для зарядки порошку. Велика кількість трубчастих елементів усередині розпилювача може збільшити час, необхідний для очистки пристрою при переході з кольору на колір. Крім того, поступовий знос внутрішніх елементів таких розпилювачів буде в підсумку впливати на ефективність зарядки.

Загалом, якщо необхідно нанести фарби на деталі надскладної конфігурації, або багато шарів фарби для отримання товстих покриттів, технологія трибостатической зарядки може забезпечити переваги, яких іноді неможливо отримати при використанні системи з коронним розрядом. Якщо в останньому випадку вдається вирішити цю проблему при ручному нанесенні фарб, то при трибостатическом нанесенні той же результат можна отримати на автоматизованих установках.

Відцентровий розпилювач. Використання відцентрового розпилення є іншим варіантом технології нанесення порошкових фарб. Основний елемент застосовуваного розпилювача турбіну, яка обертає укріплену на ній чашу. Порошок подається в головку розподільника і виштовхується відцентровою силою. Електростатичний заряд подається на обертову чашу або на встановлений в ній електрод(и). Електрод може мати форму диска або голки. Між поверхнею електрода і заземленим об'єктом, що підлягає фарбуванню, утворюється електричне поле. Порошок, що викидається з розпилювача, проходить через дане поле і піддається впливу звичайного коронного розряду. Для спрямованого формування факела на зріз чаші подається повітря. Відцентровий розпилювач порошку (рис. 5.16) зазвичай функціонує при значно більш низьких швидкостях обертання, ніж, наприклад, чашкові розпилювачі для нанесення рідких фарб.

Характерною особливістю відцентрового розпилювача є те, що він рівномірно розподіляє викиди порошок на великій площі.

Рис. 5.16 Відцентровий розпилювач.

Разом з тим, із-за обмеженої швидкості викиду порошку він малопридатний для нанесення покриття на деталі, що мають западини на поверхні. Відцентрові розпилювачі більше підходять для нанесення фарб на деталі, що мають велику рівну поверхню, яка вимагає рівномірного покриття. Контрольованими параметрами розпилювачів є: швидкість подачі порошку, частота обертання чаші, сила електричного поля і тиск повітря.

Трибодиск - один з пристроїв для електростатичного нанесення порошкових матеріалів - дозволяє використовувати перевагу петлеобразных конвеєрних систем, економити виробничі площі. Розпилювач являє собою невращающийся диск, розташований вертикально всередині конвеєра (рис. 5.17). Деталі подаються по конвеєру, у той час як диск рухається в напрямку вгору і вниз, наносячи шари порошкового матеріалу на поверхню деталей. Диск формує рівномірну, горизонтальну розпилювальну струмінь (факел) приблизно 0,75 м в діаметрі. Завдяки використанню методу трибостатического заряду система дозволяє автоматично наносити покриття на деталі, що мають складну форму; при цьому досягається хороше обтікання фарбованих виробів порошком.

Системи з трибодиском призначені для нанесення покриттів на установках з обмеженою площею приміщень.

Рис. 5.17 Трибодиск.

Регулювання факела при розпиленні

Порошковий факел, що виходить із розпилювача, можна отримувати різної форми і по-різному направляти на деталь. Форма факела і щільність потоку порошку - важливі аспекти, вони визначають товщину плівки і ступінь проникнення препарату в порожнині, і зазори на поверхні деталі.

Регульованими параметрами розпилення є: форма і розмір факела, швидкість переміщення розпилювача, розподіл часток порошку (рис. 5.18). Засоби, з допомогою яких ці параметри контролюються, різноманітні. Вони засновані на механічному або пневматичному впливі на струмінь порошку (рис. 5.19).

Механічні пристрої являють собою різні розсікача (дефлектори). Розсікач для плоского розпилення - це куполоподібної пристрій з вихідним щілинним отвором (отворами) шириною 2-6 мм. Ніж вже щілинний отвір, тим ширше факел порошку.

Розсікачі для плоского розпилення створюють трикутну форму відбитка по товщині. На рис. 5.20, а показано типова форма, розмір та ефективний розподіл товщини шару порошку, отримані за допомогою рассекателей плоского розпилення з різною шириною щілинного отвору.

Рис. 5.18. Параметри, що впливають на форму відбитка факела.

При плоскому розпиленні досягається висока швидкість руху частинок, що допомагає порошку проникати в поглиблені ділянки поверхні. Однак дуже висока швидкість розпилення веде до здування порошку з деталей і знижує ефективність осадження. Є кілька варіантів рассекателей різної ширини, що робить дану технологію привабливою для різних областей застосування.

Різновид рассекателей плоского розпилення - дефлектор з хрестоподібним (поперечним) розпиленням. Даний тип рассекателей (рис. 5.20, 6) утворює дві взаємно перетинаються структури плоского розпилення, які можуть відрізнятися по ширині і швидкості розпилення. Утворюється структура розпилення аналогічна тій, яка виходить при використанні конічних дефлекторів (див. далі). Однак струмінь є більш спрямованої, з більш високим ступенем проникнення в поглиблені ділянки поверхні. Це робить дефлектор поперечного розпилювання чудовим інструментом для ручного нанесення покриття на деталі складної форми.

Конічний розсікач (дефлектор) є іншим типом пристрою. В залежності від контуру, діаметра і кута конуса конічні дефлектори можуть виробляти відбиток, близький до плоского (рис. 5.20, в). Конічні дефлектори зазвичай використовуються в системах ручного нанесення покриттів. Вони утворюють м'яке порошкове хмара з частинок і можуть бути використані для фарбування поверхонь різного ступеня складності.

Рис. 5.19. Різновид факела розпилювача.

Недолік структури конічного розпилення - невисока швидкість розпилення (якщо тільки вони не використовуються з дуже маленьким діаметром дефлектора). Погане проникнення порошку у зазори і поглиблення часто змушує оператора занадто близько підносити розпилювач до деталі, що може призвести до виникнення надлишкового іонного струму та розвитку зворотного іонізації.

Конічну структуру розпилення можна також отримати, використовуючи додаткову подачу повітря. Формується вихреобразующим дією поверхневих повітряних струменів, порошок закручується, утворюючи повний конус. Такі структури мають відносно низьку швидкість розпилення і обмежену можливість управління. Найбільшими перевагами даних типів розпилювачів є хороша зарядка і дистанційне керування за допомогою регулювання вихрових потоків повітря.

Рис. 5.20. Проекції відбитка факела при використанні рассекателей:

а - плоского; б - поперечного; в - конічного розпилення