8.3. Электростатическое распыление

По значению и распространению в промышленности электростатическое распыление занимает одно из ведущих мест. Этот способ экономичен, обеспечивает хорошее качество покрытий, возможность автоматизации процесса и высокую производительность. Путем воздействия электрического поля на аэродинамичные частицы достигается практически полное осаждение распыляемого лакокрасочного материала на изделия (потери не 10%).

В электрическом поле можно окрашивать изделия I и II групп сложности, изготовленные из различных материалов, с применением стационарных и ручных установок. Особенно приемлем этот способ при окрашивании мелких изделий не очень сложной формы: деталей приборов, авто-, вело- и мотодеталей, электротехнических изделий, фурнитуры, бытовой техники, мебели, обуви и др. Его используют и при окрашивании средне- и крупногабаритных изделий, таких как кузова и кабины автомобилей, железнодорожные и трамвайные вагоны, автобусы. Хорошие результаты получены как при массовом, серийном производстве, так и при окрашивании единичных изделий. При применении стационарных установок существенно улучшаются санитарно-гигиенические условия труда, и повышается общая культура производства.

Недостатки: сложность и повышенная стоимость окрасочной аппаратуры, некоторые ограничения в использовании лакокрасочных материалов.

Основы способа. Сущность электростатического способа заключается в распылении лакокрасочного материала с одновременным сообщением образующимся аэрозольным частицам электрического заряда, благодаря чему они равномерно осаждаются на противоположно заряженном изделии.

При электростатическом нанесении приемлем любой способ образования аэрозолей, однако наиболее распространены механическое (центробежное), пневматическое и гидравлическое (безвоздушное) распыление. Возникновение заряда на частицах связано с наложением постоянного электрического поля высокого напряжения (50-140кВ), при этом изделие, как правило, заземляется.

Существует несколько способов зарядки аэрозольных частиц, определяющих различный подход к аппаратурному оформлению процессов. Практическое использование нашли два из них: ионный и контактный.

Ионная зарядка. Ионная зарядка (зарядка ионной адсорбцией) широко используется во многих аппаратах электронно-ионной технологии благодаря высокой эффективности и простоте процесса. Источником ионов обычно является коронный разряд, возникающий в пространстве между двумя электродами, например, между электродной сеткой, соединенной с источником высокого напряжения, и заземленным изделием. Одним из важных свойств коронного разряда является его способность сообщать заряд аэрозолю, находящемуся на некотором расстоянии от электрода.

Заряд возникает в результате адсорбции частицами аэрозоля ионов, возникающих при ионизации воздуха. Адсорбция происходит до тех пор, пока силы отталкивания между ионами, осевшими на частице, и силы притяжения ионов частицей не уравняются. Адсорбция ионов вызывает направленное движение аэрозольных частиц (капель) по силовым линиям поля в сторону окрашиваемого изделия (рис. 8.4).

Рис. 8.4. Схема ионной зарядки частиц:

1 – коронирующий электрод; 2 – молекулы газа; 3 – частица краски;

4 – изделие

М

(8.5)

аксимальный заряд q_макс, который приобретает капля лакокрасочного материала, может быть вычислен по уравнению Потенье:

где   диэлектрическая проницаемость лакокрасочного материала;

Е – напряженность поля в данной точке;

r  радиус капли.

При этом напряженность поля для точечного заряда Q равна:

(8.6)

где  диэлектрическая проницаемость среды (воздуха);

l  расстояние от заряда до заземленного предмета.

Контактная зарядка. Контактная зарядка (или зарядка путем электростатической индукции) происходит в результате контакта лакокрасочного материала с острой кромкой распылителя, восполняющего одновременно роль коронирующего электрода. Для лучшей зарядки материала обычно выбирают электрод вытянутой формы, образующий кромку в виде острия. Чем меньше радиус распылителя, тем больше напряженность электрического поля в этом месте и легче возникает коронный заряд, вызывающий распыление и зарядку материала. Коронный разряд образуется на острие кромки электрода, если напряженность поля достигает 3 МВ/м. При этом электрические заряды интенсивно стекают в воздух, вызывая его ионизацию в прилегающем к электроду пространстве.

При подключении высокого напряжения к коронирующему электроду на острие его кромки создается поверхностный заряд большой плотности. Если на такую кромку подать тонкий слой лакокрасочного материала, то он будет заряжаться и под влиянием сил электрического поля вытягиваться и стекать с поверхности в направлении заземленного изделия (рис. 8.5).

Рис. 8.5. Схема электростатического распыления и контактной зарядки частиц:

1 – коронирующий электрод; 2 – слой лакокрасочного материала;

3 – изделие

Образуются направленный движущийся аэрозоль заряженных частиц (капель) лакокрасочного материала.

Заряд капли аэрозоля, полученный при контактной зарядке, определяется из уравнения:

(8.7)

где U – напряжение, подаваемое на электрод;

U_к - напряжение тока, составляющее появлению тока коронного разряда;

- радиус закругления кромки распылителя;

l - расстояние от распылителя до изделия;

А – расчетная постоянная;

 диэлектрическая проницаемость лакокрасочного материала;

 удельное объемное электрическое сопротивление лакокрасочного материала.

Как следует из формулы (8.7), заряд возрастает с повышением приложенного напряжения и уменьшается при увеличении l, , , . Заряд растет так же пропорционально квадрату радиуса капли. Однако масса капли, определяющая кинетическую устойчивость аэрозоля, увеличивается еще быстрее – пропорционально кубу радиуса.

Поэтому высокая степень диспергирования лакокрасочного материала благоприятно сказывается на распылении.

При контактной зарядке лакокрасочного материала заряд аэрозольных частиц в 10–30 раз больше, чем при ионной, поэтому промышленные электроокрасочные установки работают преимущественно с использованием контактного способа зарядки.

Зарядка капель способствует не только их дроблению и направленному движению, но и образованию частиц. В отличие от пневматического при электростатическом распылении факел образуется в результате взаимного отталкивания одноименно заряженных капель. Угол между образующими факела являются функцией напряженности поля Е, радиуса r и заряда Q капли:

Большой угол факела не всегда желателен, т.к. возрастают потери лакокрасочного материала за счет уноса вентиляцией. Поэтому на практике используют различные способы фокусирования материалов с учетом габарита и формы покрываемых изделий.

Заряженные частицы, образующиеся при распылении в электрическом поле, двигаются к поверхности окрашиваемого изделия по определенной траектории. Она формируется под влиянием действующих на частицу сил:

(8.8)

где F_q  сила тяжести;

F_k  сила, обусловленная действием электрического поля, F_k = E_{q max};

F_E  сила, обусловленная неравномерным распределением напряженности электрического поля;

F_c - сила взаимодействия частицы с другими, близко находящимися частицами.

Противодействующей движению является сила, обусловленная сопротивлением воздуха перемещению частицы. Скорость движения падает пропорционально логарифму радиуса частицы. Так, при максимальной напряженности поля 0,5 МВ/м скорость перемещения частицы радиусом 100 мкм не превышает 1 м/с. Крупные частицы с большой массой, получившие небольшой заряд, при движении могут отклониться настолько, что выпадут из-под влияния электрического поля и будут унесены вентиляцией, не достигнув поверхности изделия.

Разрядка частиц завершает цикл процессов, связанных с переносом вещества в поле коронного разряда, и является одновременно процессом астабилизации дисперсии. Наряду с переходом капель в нейтральное состояние (в результате стекания зарядов на заземленное изделие) происходит их слияние; вязкость образующейся жидкой пленки непрерывно увеличивается вследствие испарения растворителя, соответственно изменяются и электрические параметры слоя.

П ри прямом контакте капель с поверхностью скорость их разрядки определяется собственной проводимостью материала: чем больше (или чем меньше ), тем быстрее и полнее происходит стекание зарядов. Таким образом, удельное объемное сопротивление на разных стадиях нанесения лакокрасочных материалов играет двоякую роль: с его ростом облегчается зарядка аэрозольных частиц и одновременно затрудняется их разрядка.

Если краска осаждается на уже осевший слой лакокрасочного материала или на предварительно окрашенную (загрунтованную) поверхность, то определяющее влияние на разрядку оказывает сопротивление этого слоя. При большом сопротивлении происходит накопление зарядов на поверхности, осаждения лакокрасочного материала при этом заключается или полностью прекращается.

Поэтому на практике в зависимости от электрического сопротивления пленки наносят 1–3 слоя лакокрасочных материалов. Часто предусматривается нанесение сдвоенных слоев: последующий слой наносят на предыдущий, имеющий относительно низкое значение .

Нанесение лакокрасочных материалов в автоматизированных установках. Положительные качества электростатического распыления наиболее полно проявляются при использовании стационарных установок, работающих в автоматическом режиме.

Рис. 8.6. Принципиальная схема стационарной электроокрасочной установки: