基于粉末涂料特性的静电粉末喷涂上粉率影响因素研究

摘要：为研究粉末涂料特性对静电喷涂上粉率的影响，分别采用扫描电镜、X-射线衍射仪、电感耦合等离子体发射光谱仪和激光粒度仪对 3 种不同商用粉末涂料的微观形貌、物相结构、组分(颜基比)、粒径分布进行表征；在相同喷涂工艺下，测试了3种商用粉末涂料的一次上粉率和死角上粉率。

通过对比分析，归纳总结出影响上粉率的主要因素，并探讨高上粉率粉末涂料应具备的特性参数。

结果表明，粉末涂料平均粒径和颜基比是影响一次上粉率的主要因素。然而粉末涂料中超细粉末(≤10 μm)含量是影响死角上粉率的重要因素。

当粉末的35 μm≤Dr(50)≤45 μm，Dr(95)≤75μm，且颜基比接近3∶4时，可获得较高的上粉率。

静电粉末喷涂技术具有工艺简洁、成品率高、能耗低、绿色环保等特点，广泛用于铝合金型材的表面处理[1]。

据2018年中国有色加工协会统计，在需经过表面处理的铝挤压材中，粉末喷涂约1004万t，占65%。因此静电粉末喷涂所使用的粉末涂料需求越来越大，粉末涂料以每年10%以上的速度增长[2]。

对于粉末涂料使用厂家（如铝合金型材厂）除了关注涂层的机械性能、外观等外，最注重的就是生产成本，即单位面积型材的耗粉量(上粉率)，因此粉末涂料上粉率成为生产商及使用商共同关注的问题

目前关于静电粉末喷涂上粉率影响因素的研究也有不少。如刘宏等[2]基于生产过程中的测试数据探讨了影响粉末涂料上粉率的因素，包括粉末粒径、介电常数、喷涂工艺等。

分析了影响静电粉末喷涂一次上粉率的主要因素，包括粉末粒子带电量、喷涂工艺、喷涂工件的接地电阻等。

重点探讨了喷涂过程和喷涂设备对上粉率的影响，包括压缩空气、喷房设计、粉末回收系统、喷枪类型等。

探讨了在静电喷涂中影响死角上粉率的因素，包括粉末带电效应和法拉第笼效应。

同时还提出改善死角区上粉率的具体措施，包括添加超细硫酸钡填料、添加0.1%-0.6%的有机铵盐助剂、以及添加合适粒径氧化铝外混助剂均能有效改善死角上粉率。

以上研究多数是基于生产测试数据来分析影响上粉率因素，主要从喷涂工艺及喷涂设备方面去研究，基于粉末涂料特性去研究的较少，而且没有对粉末涂料特性进行系统的表征和对比分析。

此外，对于粉末涂料上粉率的影响因素只考虑一次上粉率，或者只考虑死角上粉率。

本研究基于粉末涂料特性，首先对3种不同商业粉末涂料的特性进行系统表征和对比分析。

接着测试3种粉末涂料的上粉率(包括一次上次率和死角上粉率)，通过对比分析，归纳总结出影响静电粉末喷涂一次上粉率和死角上粉率的主要因素，并探讨了高上粉率应具备的粉末涂料特性。

1 实验部分

1.1 实验原料

选用A、B两家粉末涂料生产厂家的3种粉末涂料（均为聚酯型）作为实验原料，型号分别为7041(砂纹深灰)、7069(砂纹黑)、9003(高光白)。分别记为A[1]7041、A-7069、A-9003、B-7041、B-7069、B-9003。

1.2 粉末特性表征设备

扫描电镜（JXA-8100）：日本电子；能谱仪（Oxford-X-Max-20）：英国牛津；X-射线衍射仪（Smartlab3）：日本理学；电感耦合等离子体发射光谱仪（Agilent7700S）：美国安捷伦；激光粒度仪（Mastersizer3000）：英国马尔文；铝合金试样（6061矩形铝合金板，12cm×7cm)）：广铝集团有限公司；静电喷涂及回收系统：广州市力恒机电科技有限公司。

1.3 上粉率测试

静电粉末喷涂一次上粉率测试步骤如下：首先将铝合金试板进行喷涂前处理（水洗—脱脂除油—酸洗刻蚀—3次纯水洗—无铬钝化—滴干烘干）；

然后采用精密电子天平称质量（精确到0.0001g），接着将试板悬挂在样品架上进行喷涂及固化处理，静电喷涂工艺及固化参数如表1所示。

最后将固化后的试样再次精确称质量，计算试样喷涂前后单位面积的增质量，取3个试样的单位面积增质量的平均值表征静电粉末喷涂一次上粉率。

为准确测量死角上粉率，设计了一套死角上粉率测试工装，如图1所示。测试工装材料为铝合金，矩形凹槽宽度和深度均为10cm，长度为50cm。测试步骤如下：

首先对铝合金试板前处理，然后采用精密电子天平称质量，接着在槽内均匀等分安装3个平行铝合金试板，槽外两侧平面各安装3个平行铝合金试板。

静电喷涂工艺和固化参数如表1所示。喷涂过程中将测试工装固定在喷涂车间移动链条上，喷枪正垂直于试样表面上下移动喷涂，喷涂喷距保持在150mm。

待试样固化冷却后，取出槽内槽外铝合金试样再次称质量，计算槽内3个铝合金平行试样的单位面积增质量的平均值，计为Mi；

同时计算槽外6个铝合金平行试样的单位面积增质量的平均值，计为Mo。最后将Mi除以Mo，得到静电粉末喷涂死角上粉率S，可由式(1)表示。

式中：0<S<1,当S的值越接近1，表明静电喷涂死角上粉率越好。反之，S的值越接近0，静电喷涂死角上粉率越差。

2 结果与讨论

2.1 粉末涂料特性表征

2.1.1 粉末涂料微观形貌

7041型、7069型、9003型粉末涂料的微观形貌如图2所示，均为背散射电子图。

从图2可看出，不同厂家生产的3种粉末涂料均呈现出大小不一的不规则形状，粉末颗粒颜色大部分是灰色。

采用能谱仪对灰色部分进行成分分析，其主要含元素为C、O、Ti，可推断灰色部分主要为聚酯树脂和颜料(钛白粉TiO2/炭黑)；

同时明显看到每个粉末颗粒表面甚至内部都包裹着大量粗细不均的白色颗粒，对白色颗粒成分分析显示其主要含Ba、S、O元素，因此可推断白色部分主要为填充料BaSO4。

2.1.2 粉末涂料物相结构

7041型、7069型、9003型粉末涂料X-射线衍射谱如图3所示。

从图3可知不同厂家生产的3种粉末涂料衍射图谱均有BaSO4（填充料）和TiO2（钛白粉）的衍射峰，3种粉末涂料中均含有BaSO4相和TiO2相。

由此可知前文对图2的推断是正确的。已知9003粉末涂料为白色，因此9003粉末涂料中TiO2相衍射峰值相对于7041和7069粉末涂料更高，如图3(c)所示。

7041和7069粉末涂料相近于黑色，但7041和7069粉末涂料的衍射图谱中均未出现晶体碳的衍射峰，表明7041和7069粉末涂料中添加的颜料炭黑均为无定形碳。

此外，从图3(a)和(b)可知B-7041和B-7069粉末涂料中出现少量的杂质CaCO3相的衍射峰，可能是B厂家在制备7041和7069粉末涂料过程中混入或者添加的填充料中混有少量杂质。

2.1.3 粉末涂料组分（颜基比）

为了精确测量3种粉末涂料中主要组分含量，采用电感耦合等离子体发射光谱议测量粉末涂料中主要组分的质量分数，同时计算每种粉末涂料的颜基比，如表2所示。

表2中需要说明的是，由于填充料BaSO4为白色，属于体质颜料，故测量的颜基比中的“颜”包括的是颜料和填充料；“基”指的是基料，主要为树脂。

从表2可知，A-7041和A-7069粉末涂料BaSO4填充料含量明显均高于B-7041和B-7069粉末涂料，因此从计算得出的A-7041和A-7069粉末涂料的颜基比均相对于高于B-7041和B-7069粉末涂料。

而A-9003和B-9003粉末涂料的填充料，颜料和树脂含量均相近，因此他们的颜基比差别不大。

对比A厂家生产的3种粉末涂料组分含量，可知A-7069粉末涂料的BaSO4含量最高，达到41.05%，计算得出颜基比也最高，接近于1∶1。

由于A-7041与A-9003粉末涂料中树脂含量相接近，因此两者颜基比相当，接近于3∶4。

对比B厂家生产的3种粉末涂料组分含量，可知B-7041和B[1]7069粉末涂料填充料，颜料和树脂含量均相近，因此B-7041和B-7069颜基比相当，接近于2:5。

由于B[1]9003粉末涂料TiO2和BaSO4含量之和高于B-7041和B-7069粉末涂料，因此B-9003颜基比较高，接近于2∶3。

2.1.4 粉末涂料粒径分布

采用激光粒度仪测量粉末涂料的粒径分布，结果如表3所示。

对比表3中3种粉末涂料平均粒径的Dr(50)可知，A-7041粉末涂料与B-7041粉末涂料的平均粒径相近，约为34μm；而A-7069和A-9003粉末涂料平均粒径均高于相对应的B-7069和B-9003粉末涂料。

对比表3中3种粉末涂料的粒径分布Dr(10)可知，仅有B-7069粉末涂料中的超细粉（≤10μm）含量达到了10%，其余几种粉末涂料超细粉含量均＜10%。

对比A厂家生产的粉末涂料粒径分布情况可知，3种粉末涂料平均粒径相同，不同的是A-7041粉末中粗粉（≥75μm）的含量更高，而A-7069中粉末涂料中超细粉含量更高。

对比B厂家生产的粉末涂料粒径分布情况可知，B-7041粉末涂料的平均粒径明显大于B[1]7069和B-9003粉末涂料，但B-9003粉末涂料的超细粉含量最高，且粗粉含量最低。

2.2 静电粉末喷涂上粉率对比及影响因素探讨

2.2.1 静电粉末喷涂一次上粉率对比

采用单位面积增质量平均值表征静电粉末喷涂一次上粉率，如图4所示。

由图4可知，A-7041、A-7069、A-9003粉末涂料一次上粉率均高于对应的B-7041、B-7069、B-9003粉末涂料。

尤其是A-7069粉末涂料，一次上粉率高出B-7069粉末涂料近40%。从静电粉末喷涂原理可知，粉末涂料主要是通过静电力吸附在试样表面再固化成膜，因此粉末涂料一次上粉率与粉末颗粒的带电量应呈正相关。

由库仑定律可知，粉末颗粒带电量与粉末粒径关系可由式(2)表示[6]。

式(2)式中：Qs—粉末颗粒带电量，C；ε—粉末颗粒介电常数，F/m；d—粉末颗粒粒径，μm；E—外加电场强度，N/C；εo—真空介电常数，εo=(8.9×10-11)F/m。

从式（2）可知，粉末颗粒带电量与粉末颗粒粒径的平方成正相关。由表3可知A-7069和A-9003的平均粒径均高于B-7069和B-9003，可推断粉末涂料平均粒径是影响一次上粉率的主要因素之一。

但表3中A-7041和B-7041的平均粒径相当，但一次上粉率却不相同，表明除了粉末涂料平均粒径因素以外，还有其他因素影响一次上粉率。

对比表3中A-7041和B[1]7041的粒径分布可知，尽管两者平均粒径相同，但A[1]7041中粗粉含量明显高于B-7041。

由式2可知随着粉末颗粒粒径的增大，粉末颗粒带电量增加，但同时粉末颗粒质量也会相应增加，将导致过重的粉末颗粒在未到达工件表面就因为重力过大而掉落，从而降低了一次上粉率。

但实际测得的A-7041的一次上粉率却高于B-7041，这说明还有其他重要因素影响粉末涂料的一次上粉率。

由表2可知，A-7041组分中填充料BaSO4含量明显高于B-7041，造成A-7041颜基比高于B-7041；

同时通过对比B-7041与A-9003的特性发现，两者粒径分布几乎一致，但A-9003颜基比高于B-7041，而图4中A-9003的一次上粉率也高于B-7041，因此可推断粉末涂料颜基比是影响粉末涂料的主要因素。

另外，对比A-7041与A-9003的特性发现，两者颜基比相同，平均粒径也相同，但A-7041中粗粉含量更高，从而导致一次上粉率低于A-9003；

对比A-7069和A-9003的特性，两者粒径分布相当，而且A-7069颜基比高于A-9003，但一次上粉率却低于A-9003，这表明并不是颜基比越高一次上粉率就越好。

综上所述，影响静电粉末喷涂一次上粉率的主要因素为粉末的平均粒径和颜基比，次要因素为粉末涂料中粗粉的含量；

并且静电粉末喷涂一次上粉率与平均粒径及颜基比的关系并非单纯的线性关系，即粉末粒径越大，颜基比越高，一次上粉率不一定越好。

基于本实验数据分析，获得较高一次上粉率粉末涂料的特性应满足平均粒径35μm≤Dr(50)≤45μm，Dr(95)≤75μm，且颜基比接近3∶4。

2.2.2 静电粉末喷涂死角上粉率对比

采用式（1）中公式计算得出静电粉末喷涂死角上粉率，如图5所示。

对比图5中A、B厂家的粉末涂料死角上粉率可知，A-7041与B-7041以及A-9003与B-9003的死角上粉率均相当（S≈0.11）。

但A-7069的死角上粉率高于B-7069粉末涂料约28%，这从图6中A-7069和B-7069的死角区喷涂试样宏观照片也可看出。

而且，采用A-7069喷涂的死角区试样表面颜色更深，说明沉积在其表面的粉末涂料更多，即A-7069的死角上粉率更好。

对比分析B-7041与A-9003的特性，粉末粒径分布几乎一致，A-9003的颜基比高于B-7041，但死角上粉率相同，因此颜基比不是影响静电粉末喷涂死角上粉率的主要因素。

对比A-7041和B-7041，除了颜基比不同，涂料中粗粉含量也不相同，但两者死角上粉率并无差异，因此粉末涂料中粗粉含量也不是影响静电粉末死角上粉率的主要因素。

对比A-9003和B[1]9003，两者颜基比相当，粉末中粗粉含量都相当，唯一的差别是A-9003的平均粒径＞B-9003，但两者的死角上粉率差别并不大，因此粉末涂料的平均粒径也不是影响死角上粉率的主要因素。

对比A-7069与其他粉末涂料的特性可知，除了颜基比、平均粒径及粗粉含量有区别外，最大的区别是A-7069中的超细粉含量明显高于其他粉末涂料。

从表3中可知，A-7069的D(10)=10.1μm，即粉末涂料中超细粉（≤10μm）含量为10%，而其他粉末涂料中超细粉末含量均＞10%。

已知静电喷涂死角区的形成是由法拉第笼效应造成凹槽内部电场强度降低甚至无电场，导致带电粉末颗粒难以沉积[7]。

而超细粉末尽管带电量少，但其质量很轻，在送粉载气作用下，通过扰动的空气气流更容易达到凹槽内部，在弱电场作用下沉积在凹槽底部，从而影响静电粉末喷涂死角上粉率。

在实际生产过程中，在保证静电粉末喷涂一次上粉率较好的情况下，适当增加粉末涂料中超细粉末比例，即Dr(10)≤10μm，可有效改善死角上粉率，减少人工补粉成本。

 3 结语

本研究基于3种商用粉末涂料的特性对比分析，以及3种粉末涂料的一次上粉率和死角上粉率对比测试，重点研究了影响静电粉末喷涂上粉率的主要因素，并提出改善静电粉末涂料上粉率的方法。

研究结果表明，粉末涂料平均粒径和颜基比是影响静电粉末喷涂一次上粉率的主要因素，但静电粉末喷涂一次上粉率与平均粒径及颜基比的关系并非单纯的线性关系。

此外，粉末涂料中超细粉末含量是影响静电粉末喷涂死角上粉率的重要因素。想要获得较高的静电粉末喷涂上粉率，粉末涂料应满足以下特性：35μm≤Dr(50)≤45μm，Dr(95)≤75μm，且颜基比接近3∶4。

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