粉末静电喷涂技术及设备的发展与应用

0 引言

当今全球环境形势日益严峻，推进全球环境保护刻不容缓。对于涂装业来说，更是迫切需求环保涂料和无公害涂装工艺。由于粉末涂料几乎不含VOC，而且回收利用率高，此外，粉末静电喷涂效果在机械强度、附着力、耐腐蚀、耐老化等方面明显优于喷漆工艺，成本也在同效果的喷漆之下[1]。目前，在家用电器、机械仪表、厨具、家具、汽车、建筑材料、园林设施、交通设施、管道防腐等诸多领域，粉末静电涂装技术的应用仍然处于增长趋势[2]。

本文总结了粉末静电喷涂的原理特点和发展过程，重点分析了静电喷涂设备在不同领域的应用功效以及相应的技术特点。

1 粉末静电喷涂的工作原理与特点 1.1 粉末静电喷涂的工作原理

粉末静电喷枪是实现喷涂作业的重要工具，通过使用喷枪将粉末涂料喷涂到工件表面。具体的工作原理是：静电粉末喷枪与高压静电发生器相连，当喷枪电极接通高压静电后，赋予喷枪端部较高电压，由喷枪端部针状电极的电晕放电，使空气发生电离。同时粉末涂料由供粉系统中的空气动力将其输送至喷枪喷出，雾化的粉末在电晕放电区捕获负电荷成为带电微粒，使粉末涂料颗粒带上负电荷。待涂工件接地，喷出的粉末涂料与工件之间产生高压静电场。在气流和电场的作用下粉末涂料按照受力的方向飞至待涂工件，受库伦静电引力的作用吸附在工件表面，当工件上的粉末积聚到一定厚度时，发生静电相斥，粉末便不再堆积。然后再经过加热熔融、流平固化形成均匀、光滑、平整的涂层，来满足喷涂要求[3-5]。

1.2 粉末静电喷涂的特点

粉末涂料是一种粉末状无溶剂的涂料，是由特制树脂、颜填料、固化剂及其他助剂以一定的比例混合，再通过热挤塑和粉碎过筛等工艺制备而成，总的分为热固型和热塑型2类[6]。该涂料几乎不含挥发性有机物VOC，利用率高，固废物少，回收率高，是一种当之无愧的绿

色环保型涂料；粉末静电喷涂的优势也很明显，具体表现如下[7]：

1）高效节能性：一次喷涂即可达到所需要的涂膜厚度，厚度均匀且容易控制，相较于传统的涂装工艺生产率可提高30%~40% ，能耗降低约30%，减少涂装次数，节省工件堆放等待的场地。

2）灵活适应性：大多数粉末涂料都可以采用静电粉末喷涂法进行喷涂，不受工件形状大小的限制；也可以同溶剂型涂料或电泳沉积涂料进行混合型涂装使用。

3）涂膜优越性：粉末涂料树脂的相对分子质量比溶剂型涂料树脂大，这样使得涂膜的物理机械性能和耐化学介质性等性能比溶剂型涂料的好，具体表现为其耐酸、碱、盐腐蚀性要好，附着力高。

4）成品率较高：在未固化前，若工件有需要改善和局部漏喷的地方，可进行二次重喷，直到达到加工要求，成品率远远高于传统的油漆工艺。

5）再利用率高：过喷的粉末可通过设备中的粉末回收系统进行收集并分离，再与新粉混合使用，回收利用率可达98%以上。

6）操作简单化：粉末喷涂工艺简单，只需预处理、粉末喷涂、固化等工序便可完成，简化了传统的多工序喷涂手段，且操作简单方便。

7）使用方便性：粉末涂料在常温下，贮存稳定，不需要像溶剂型涂料那样，随季节调节黏度，也不需要喷涂后放置一段时间，使溶剂挥发后再进行烘干。只需加热烘烤熔融固化，即可形成平整光亮的永久性涂膜，达到装饰和防腐蚀的目的。

2 粉末静电喷涂应用的发展历程及研发现状 2.1 国内外研发史

粉末涂料最早要追溯到1938年，欧洲尝试研究用金属火焰喷镀的方法，将聚乙烯作成塑料粉末用于金属制件的涂装。四十年代中期又研究了用塑料粉末涂饰物体表面[8]。1952年西德Knapsk Grieshein公司的盖梅尔研究成功流化床涂装工艺，首先实现了涂料的干法涂装，使热塑性粉末的施工工艺实现了工业化，但因其工艺局限性大，在之后的十年中并没有得到更大的发展。1963年法国的Sames公司[9]研究成功了粉末静电喷涂技术和相应的喷涂设备，并于1968年在欧洲正

式用于工业生产。自此，粉末涂料才真正进入了粉末涂装时代。尤其是到了1966年，美国颁布了《66》法规，开始对具有挥发性质且污染空气的涂料溶剂予以限制，而粉末涂料凭借其零挥发、无污染的优势迅速崛起[10]。粉末静电喷涂技术广泛地应用于大批量的工件生产，随之建立起粉末静电喷涂生产流水线和研发出相对完整的成套设备，世界上各工业强国也都相继引入开发[11]。

相比于世界各工业强国，我国的粉末涂料发展起步较晚。1965年广州电器科研所成功研制了绝缘型环氧粉末涂料，并由常州绝缘材料厂生产，在电机转子和变压器铁芯中得到了初步试用。1968上海无线电二十四厂用粉末静电喷涂技术涂装仪器设备的外壳获得成功，由此正式拉开了我国粉末静电喷涂技术发展的序幕。我国的“七五”计划将静电粉末喷涂工艺作为重点研发推广的新技术之一[12]。某省机械研究所通过借鉴国外八十年代先进的粉末内循环静电涂装设备，采用国产化元、配件研制生产的ZJ系列粉末静电涂装设备，基本上达到八十年代国外粉末静电涂装设备的水平[13]。1982年，成都电器厂自主生产的JF-SC-Ⅱ型粉末静电喷涂设备成套性较好，性能稳定[14]。1985年，北京静电设备厂和北京农机科学研究院共同研制的SJFP-2型手提式静电粉末喷涂设备在北京通过部级鉴定，当时在国内达到领先水平[15]。1990年，浙江大学无线电厂研发生产的全自动密封循环回收静电粉末喷涂设备被列入国家重点新产品项目，设备的自动化程度高，适用于环氧、聚脂、尼龙和聚乙烯[16]。

目前，国外已经出现了大量工艺先进、自动化程度高的大型生产线。随着关键技术的突破和国民经济的快速发展，我国一跃成为全球最大的粉末涂料生产国和使用国。实现粉末静电喷涂的自动化、智能化、系列化是必然的发展趋势[17-19]。

2.2 粉末静电喷涂设备的研发现状 2.2.1 粉末喷涂装置

随着粉末喷涂越来越广泛的应用，该领域的研究人员针对不同的应用场合和加工条件研制出多种类的静电喷涂设备。

喷枪是实现粉末喷涂的重要工具，早年间我国自行研制的SJFP-2

手提式喷枪将过去庞大的高压静电发生器微型化后封装在喷粉枪内，采用低压输入，高压输出的方式，主要为人工操作[15]。随着自动化程度的不断加深，安装在移动装置上的机械臂用喷枪成为形式所需，黄海华[20]发明的一种机械臂用粉末静电喷枪，将静电发生器、喷嘴、雾化装置(电极座、导电卷)集合到一个直枪体上，外部连接管路只需接入供粉管，电源线(低压)，控制线(低压)即可使用，提高了整体性能，降低成本，有效避免了现有喷枪中容易出现的静电泄露、线缆折断、易打火花等安全隐患。朱先俊等[21]发明的静电喷涂装置中，在喷涂房的内后侧阵列排布多个喷枪装置，喷枪喷头内设置有多个沿其周向延生的螺旋出料口，且在喷枪体上设有控制喷头轴向转动和上下移动的电机，通过控制喷涂房外的操作台，可实现对产品点对点喷涂，有效解决了市场上现有喷涂设备容易产生死角，涂膜不均等问题。

粉末静电喷涂设备主要应用于流水线生产方式，合理的喷涂设备是提高生产效率和保证产品质量的关键所在。呼格吉乐等[22]发明了一种多色喷涂自动化的设备，流水线上的工件输送到喷粉桶内进行喷涂，喷粉桶内壁上设置多个喷枪，通过流水线上的颜色识别器与喷枪体上的微处理器相互作用，控制喷枪喷涂相应颜色，有效解决了多颜色喷涂的难题。在铝型材表面处理领域中，余保平等[23]发明了一种立式双轨喷涂设备，其特点是采用U型喷房，两排布置相对阵列的喷枪组和M型分布的输送链，通过在U型喷房外设置工件自动转向装置，使输送链带动带工件两次在两排喷枪之间穿行而过，由升降机带动的两排喷枪作上下往复运动，达到工件全面的粉末覆盖效果，有效解决了该领域当前设备生产率低的难题。

粉末喷涂设备中用于带动喷枪移动的升降机一般是通过电机正反转来控制喷枪上下移动，设备抖动比较厉害，喷枪喷涂不均匀，粉料浪费严重。段举合等[24]针对该问题在链条传动件上设置了升降滑块升、降的换向连接机构，增添了配重组件，用于平衡升降机构的重力，有效减少电机负荷。此外升降机底座配备调节机构，可调节升降机与工件的相对位置。杨九林[25]又在其基础上进一步改进，增加了喷枪的数量，喷枪连接在活动管上，活动管可以在固定块上拉伸，使得喷枪的

喷射距离更具可调性。

现阶段国内外制造出了大量的智能机器人喷涂设备。但是，这类的设备大多需要人工辅助操作，且不能完成较为复杂的操作。韩年珍等[26]的发明提供了一种五轴机器人喷涂设备，该喷涂设备包括五轴机器人、工作台、快接头、喷涂装置及控制系统，自动喷枪由快接头与五轴机器人的一级头部联接，喷涂装置、五轴机器人分别与控制系统电气连接。能够实现智能化操作，节约人工成本，产品质量稳定一致。此外仇云杰等[27]发明了一种5自由度混联喷涂机器人，包括基础串联运动单元和末端并联喷涂作业单元2个部分。基础串联运动单元具有3个转动自由度和1个移动自由度；末端并联喷涂作业单元具有由2个移动自由度，该装置具有易于制造，方便控制，容易实现模块化等特点。能有效满足涂装生产线对喷涂机器人大柔性化、高灵活度和自动化水平高的需求。

2.2.2 喷枪控制系统

喷枪喷涂的工作状态决定了产品表面的质量，如何更加有效方便地控制喷枪启停、运行参数以及避免涂料浪费，也是相关研究人员重点研究的方向。

杰弗里等[28]发明了使用集中控制板和喷枪映射的喷涂系统，提供从一集中控制板控制、组织和观察多个静电喷枪工作参数的系统和方法，有效解决了多喷枪操作控制难的问题。

现有的多喷枪喷涂系统不能控制单喷枪的分别启停，且只能对电参数（静电电压和静电电流）进行自动控制，而对气压参数（雾化气压和流化气压）缺少自动控制。李向阳等[29]发明一种多喷枪静电粉末喷涂控制系统，可通过网络技术实现每支喷枪工作参数独立配置，通过直接I/O控制技术实现高速启停时序独立控制，适应不同喷涂图案的均匀喷粉。

2.2.3 粉末喷涂回收装置

粉末喷涂的优点之一就是可以回收再利用，过喷粉末回收处理的效果直接影响着涂料的质量和再利用率以及环境问题。

现有铝型材喷涂设备中回收的粉末可能夹杂着不同颜色，最终只

能当做废粉处理。余保平等[30]针对该问题，在喷粉房内设置若干个粉末回收管道，并设置与各粉末回收管道连接的粉末旋风回收筒、回收粉末储存箱，粉末旋风回收筒外接终端过滤器，粉末旋风回收筒将颗粒较大的粉末，通过旋风作用，回收至回收粉末储存箱中，颗粒细微的粉末（废粉）被抽至终端过滤器，终端过滤器将细微粉末劫留，干净的空气通过抽风机排出厂房外，节能环保，性能更加优越。此外过量粉末通过风机吸入，直接回收，不免会掺杂着空气中的灰尘，导致粉末纯度不够，容易使二次加工的质量下降。席晓峰[31]发明一种粉体循环回收装置，利用粉末溶解结晶，提取结晶保证粉末纯度。

目前市面上的粉末回收装置粉末外溢严重，或因滤芯的破裂导致大量粉末喷向室外。袁仁其等[32]发明了一种喷漆室粉末回收装置，可通过调整风机参数以及设置动压均流板和排风过滤板结构，提高粉末回收效率，且基本上避免了粉末外溢的现象，另外取消了排向室外的排风风管，彻底杜绝对外界环境的影响。

2.2.4 供粉系统

供粉系统起着粉末供给和输送的作用，是喷涂系统中至关重要的环节，影响着喷涂的效率、质量以及整个喷涂系统的正常运行状态。

为了提高喷涂效率，现有技术中大多采用多喷枪喷涂设备，故供粉系统通常在供粉桶上端并列设置多个出料孔，并连接相应的输粉泵和输粉管，最终输送到各喷枪，再辅以喷枪控制器，改变出粉量和粉末的雾化状态，实现不同的涂膜厚度，满足不同产品的需要。根据使用工况和环境的不同，仍有研究人员对供粉系统不断进行改进和创新。

针对现有技术中粉末均匀度无法保证的问题。黄立明等[33]发明的设备包括涂装机、压缩空气系统和喷涂物料储罐，涂装机内设有喷头机构，压缩空气系统连接喷头机构，喷涂物料储罐用物料输送机构连接喷头机构，还包括气固混合器。能够将进入涂装机的粉末事先进行充分的气固混合，将大颗粒粉末充分打散成均匀的小颗粒，有效保证了粉末喷出的质量。

传统粉末喷涂设备的供粉系统固定在设备内部，空间相对封闭，使得供粉系统的粉房不易更换和清洗，会积累大量残留粉末，容易导

致供粉系统堵塞。对此郭有忠等[34]设置空腔的供粉中心本体以及供粉台车，利用连杆铰接方式配备相应的底板，气缸，可完成供粉台车与供粉中心的脱离，便于清理维护。此外，供粉台车上表面并列设置多个出料口与粉泵相接，可供多支喷枪充分喷涂。

现有的供粉中心一般是由气缸伸缩控制粉泵承载装置的移动和定位，维护不当，气缸内容易进粉，无法正常伸缩工作，供粉中心将瘫痪。陈红兵[35]取代了原有的气缸伸缩方式，将粉泵承载机构安装于移动板上，通过销孔连接在自上而下的两根平行定位轴上，定位轴通过固定座安装在带有限位孔的固定立柱上，手动推动粉泵承载装置沿定位轴上下移及固定。

2.2.5 喷粉室

喷粉室的选材和结构影响着喷涂环境、快速换色以及粉末回收，故有研究人员在该方面也进行了研究并给出合理的解决方案。

之前的喷粉室一种是由金属材料制成的，粉末吸附严重；另一种全部由工程塑料制造，强度差，喷涂室易损坏。针对以上不足，柯儒群[36]将顶壁和侧壁换成中间空心的夹层工程塑料，喷粉室的底部是由两侧绝缘的倾斜部和中间金属材料制成的底壁组合而成，且在顶壁与侧壁之间采用圆角过渡，使喷粉室里面过喷的粉末不容易沉积在转角处。

针对中小企业无力承担大型喷涂流水线设备而只能在工房内敞开的环境中喷涂的问题，李长练等[37]提出一种价格低、占地面积小、具有完全防止粉末扩散和粉末回收功能的静电粉末喷室。喷涂室上设有粉末首次和粉末二次回收装置，粉末首次回收装置设在喷涂室的侧面；粉末二次回收装置的风道通过空气过滤管道与粉末二次回收室联接。

3 应用前景及研究方向

随着原材料、生产设备、检测仪器、喷涂设备等的开发日渐成熟和完善，粉末静电喷涂技术得到越来越广的应用和发展，无论在品种、数量、质量、应用和人们的认识上都有大的飞跃[38]。

在金属制品快速推广应用粉末涂装技术的同时，人们也开始关注这项新技术在中（高）密度纤维人造板（MDF）等热敏性制品上的应

用[39]。MDF粉末涂装作为新兴的研究领域，已经开始投入商业生产应用，为市场提供了绿色环保的新型家具产品，是粉末涂装技术又一次飞跃发展的开始[40-41]。一直以来，粉末喷涂在工程机械应用领域的技术比较匮乏且落后，其原因是工程机械零部件尺寸较大、结构复杂；设备投资大，成本代价较高；粉末涂料品种不全；粉末喷涂的工艺技术局限性大[42-43]。但工程机械在工业建设、国防建设、基础建设中有着不可替代的地位和发挥着重要的作用，作为制造业的重要组成部分，其制造方式的进步对发展绿色循环经济，降低资源能源消耗、减少“三废”排放，降低对生态环境的影响起着重要的推动作用。因此大力发展工程机械绿色制造技术，粉末涂装对其的应用成为必然趋势[44-45]。

粉末喷涂依然存在着较多的问题，诸如：粉末涂料在有特定需求的时候不能迅速换色；粉末涂料在工件的边角上粉不均匀；粉末涂料难以获得超薄膜层；粉末涂料所需固化温度高，耗能大；在个别中小企业的粉末涂料施工现场，粉尘浓度过高时可能存在粉尘着火爆炸的危险等[46]。

总体来说，粉末静电喷涂技术及其设备日趋完善成熟，也必然向着更加先进的自动化、智能化、低能耗、低污染迈进。