靜電吸附微觀過程分析

1、靜電吸附微觀過程分析 1前言 靜電技術(shù)在粉末噴涂過程中占有核心基礎(chǔ)和支配性的地位，因此，深入了解粉末噴涂過程中的靜電現(xiàn)象，對靜電粉末噴涂設(shè)備的使用者和噴涂設(shè)備的制造者都是十分重要的。在粉末噴涂技術(shù)的發(fā)展過程中，人們一直在為解決這樣幾個問題而努力著：怎樣獲得均勻和優(yōu)質(zhì)的涂膜；如何獲得盡可能大的一次上粉率；如何克服法拉第效應而使具有復雜幾何表面形狀的工件得到有效的涂蓋；怎樣對工件實施復噴；怎樣實現(xiàn)達到像汽車本身面漆要求的粉末薄涂。值得高興的是，隨著多年來的技術(shù)發(fā)展，先進的靜電粉末噴涂設(shè)備制造商已經(jīng)提供出新的設(shè)備，其性能已基本足以解決上述絕大多數(shù)問題，而解決這些問題重要基礎(chǔ)之一正是這些先進的制造商準

2、確地掌握了粉末噴涂過程中的各種靜電現(xiàn)象，并總結(jié)出一套有效指導改進靜電噴涂設(shè)備的靜電理論。 對涂裝設(shè)備的使用者來說，先進的靜電噴涂設(shè)備越來越復雜，正確掌握其性能特點，并知道這些性能的用途與價值，從而作出正確的投資決定是很重要的。當然，要做到這一點，同樣需要深入了解靜電現(xiàn)象與過程。 基于上述的考慮，我們將在本章節(jié)中對粉末噴涂過程中的帶電過程與靜電現(xiàn)象進行比較詳細的分析與闡述。同時，對與靜電場直接相關(guān)的法拉第屏蔽問題和如何克服法拉第屏蔽效應以及提高涂膜質(zhì)量的辦法進行了探討。 2電暈放電中的粉末帶電與吸附過程 2.1 粉粒在靜電噴涂過程中的受力分析 在靜電粉末噴涂過程中，粉粒經(jīng)由噴槍頭部的噴嘴噴出，從

3、直觀表面上看，似乎是由氣流把粉粒推到工件表面并沉積在其表面上，但實際上把粉粒推到接地工件上的作用力不僅只是氣流，而且還有由噴槍頭部所帶的靜電高壓與工件之間建立起來的靜電場以及帶電粉末云團自身所產(chǎn)生的靜電場這些力的作用，如果對此有什么懷疑的話，則可簡單地切斷建立高壓靜電場的高壓電源或?qū)⒏邏弘娫吹碾妷赫{(diào)得很小，就會立即看到此時得粉粒不是彈離工件，就是被氣流帶走，或是受重力作用而跌落，電場力與氣動力共同作用使粉粒沿一定的運動軌跡到達工件表面并使粉粒到達工件表面上后形成一種新的電荷鏡像力，把帶電粉粒與接地工件表面牢牢地粘附在一起。從實質(zhì)上講，氣流把粉粒輸送到離工件很近或工件表面上，但把這些粉粒保持在工

4、件表面上卻靠的是電場力。 2.2 靜電場的建立與電暈放電過程 靜電粉末噴涂過程中的靜電場通常是由高壓靜電發(fā)生器輸出幾萬伏至十幾萬伏級的直流高壓到噴槍槍頭尖端電極與工件之間而形成的（一般噴槍接負極，工件接地為正），如圖1所示。 按靜電學規(guī)定，用電力線來描述電場，電力線越密的地方，表示此處的電場強度越強，同時，靜電學理論指出，尖端處的電場強度最大，并且一個尖端電極與一個有一定幾何面積的工件之間的電場一定是非均勻性電場，當電場強度大到一定程度時，就會產(chǎn)生下述的電暈放電現(xiàn)象（電離空氣分子的電場強度E約為3×106NC-1）。 在空氣中總會存在著一些自由電子或離子，如果有一個自由電子通過強電場

5、，它將會受電場力所加速而沿電力線運動，并撞向空氣分子。見圖1，如果E足夠大，而這個電子沿電力線運動時又獲得了足夠的動能，它對空氣分子的撞擊力便會很大，足以把空氣分子分裂而形成兩個電子和一個帶正電荷的離子（空氣分子的剩余部分）。分裂出來的兩個電子又瞬間受電場加速，它們也沿著電力線運動并分裂新的分子，從而產(chǎn)生更多的離子和電子。這一過程稱作自激的電暈放電，這一離子化自激過程一旦開始后，噴槍頭部與接地工件之間的空間里便充滿數(shù)以百萬計的帶正電荷的離子和帶負電的自由電子，或稱自由離子。 帶正電荷的離子也受電場加速并沿電力線運動。不過，由于離子是帶正電荷的，故它們的運動方向相反，朝向噴槍的負電極，當電場足夠

6、強，這些帶正電荷的離子有可能還要在運動途中分裂分子，或許會直接撞擊噴槍的負電極，從而使金屬表面的離子得到分裂。 帶負電的自由離子則是形成粉末帶電的直接原因，它被通過電場粉粒所捕獲，形成粉末帶電。 2.3 粉末帶電 通過電場里的未帶電的粉粒會改變外電場的形狀。如圖2所示，電力線在粉粒表面以90度角進入并穿越，以90度角穿出。從圖2中可看出粉粒周圍的電力線形狀發(fā)生了變化，如果電場中存在自由離子的話，這些離子便會沿變化了的電力線方向運動，并被粉粒所捕獲，使粉粒帶上了電。 這一帶電過程將繼續(xù)下去，直至粉粒捕獲了多個離子，使粉粒積聚的電荷越來越多，并產(chǎn)生了粉粒本身的云團電場，這一電場又再次改變外電場的形

7、狀，不過不同的是，這次外電力線是被從粉粒出推開，見圖3。出現(xiàn)這一情況后，來自外電場的自由離子便無法再到達粉粒處，因為粉粒本身的電場會排斥它們。換言之，這時粉粒已在給定的外電場強度，粉粒粒徑和材料的條件下達到了最大電荷量。 電力線是被從粉粒出推開 在靜電粉末噴涂過程中，從槍口噴出的粉末要通過一個強電場和自由離子密集區(qū)，在通過這樣的區(qū)域時，粉粒就如上所述地帶上了電。那么粉粒帶電的多少以及帶電的規(guī)律又受什么因素的制約呢？Pauthenier波德尼爾通過試驗和研究回答了這個問題。著名的Pauthenier方程如下： 著名的Pauthenier方程 從2.1式可知帶電過程主要受下列幾個因素的影響： a）

8、粉粒的粒徑r b）電場強度E c）粉粒在充電區(qū)逗留的時間t 通過實驗，Pauthenier還發(fā)現(xiàn)在粉粒噴出槍口后的前4毫秒時間內(nèi)，可使粉粒帶上最高可能帶電量的65%。通常情況下，粉粒在噴出槍口的一瞬間速度往往低于5m/s，故可知在距噴槍極針20mm的范圍內(nèi)，粉?；就瓿闪舜蟛糠謳щ娙蝿?，4毫秒之后充電效率就基本穩(wěn)定在充電曲線的平坦段上，這是由于槍尖處的電場強度遠大于槍尖其他部分的電場強度所造成的。帶電能力與r的平方成正比，這表明粉粒帶電強烈地受到粉粒自身的幾何尺寸的影響，這也是超細粉末（<20m）不易帶電的原因。而這又恰恰是靜電粉末薄涂技術(shù)中需很好解決的重要問題之一。 2.4 粉末涂層的

9、形成 粉粒在噴涂到工件前的受力情況如圖4所示，在把粉粒推到距工件幾個厘米之前，氣動力與電場力要克服重力和氣動力豎直方向分力的阻礙，當帶電粉粒與接地工件距離幾個厘米時，馬上會在工件表面感生出如圖5所示的數(shù)值相等但極性相反的電荷（稱之為“鏡像電荷”）。帶電粉粒與鏡像電荷之間馬上就會產(chǎn)生一種相互吸引的力，使粉粒被牢牢地粘在了工件表面上。由于大多數(shù)粉末所用的材料都是強電介質(zhì)，它們帶上電荷后，都不會讓電荷很快“漏掉”。試驗證明，粉末涂料帶電后吸附在金屬表面上，至少能維持約7個小時之久，即使是粒徑小的粉末也不例外。 如果沒有足夠強的電場或粉粒未能很好地帶上電，則即使粉粒在氣動力的幫助下到達了工件表面，也會

10、彈離工件，或受重力影響而跌落。粉粒電荷與由它感生而出的鏡像電荷在金屬表面上相互緊靠在一起，這些成對的電荷不僅異性相吸而使粉粒被吸附在工件表面上，而且還會在金屬表面建立起另外一個重要的電場，這個電場是保持這種吸附力的重要原因，但同時又是造成下面即將闡述的逆向離子化的重要原因。 根據(jù)庫侖定律：(庫侖定律：是電磁場理論的基本定律之一。真空中兩個靜止的點電荷之間的作用力與這兩個電荷所帶電量的乘積成正比，和它們距離的平方成反比，作用力的方向沿著這兩個點電荷的連線，同名電荷相斥，異名電荷相吸。公式：F=k*(q1*q2)/r2 。) 可知帶有較大電荷量的qf的大粒徑粉粒感生出同值的鏡像電荷之間有較大的吸附

11、力。因此，較大的粉粒對金屬工件有較強的吸附力。 與金屬工件表面直接接觸的第一層粉末與金屬表面的吸附力最強，這是由于鏡像電荷與粉末電荷之間的距離最近，因此，續(xù)后涂層中的粉粒必須越過已有的粉末層來感生自己的鏡像電荷，而此時距離較遠（L較大，其庫侖吸附力較小），因此，帶有較少電荷的小粒徑粉粒所產(chǎn)生的吸引力小，可能不足以把粉粒保持于已有的涂膜之上。事實上。由于大粉粒與其感應的鏡像電荷之間有較大的吸引力，故造成了較大粉粒（相對小粉粒）更有能力沉積到已有的、未固化的涂膜上。通過適當?shù)氖侄?，我們能夠觀察到未固化的粉末涂層的截面，就會看到涂層的底部（靠近金屬表面處）粉粒的平均直徑比頂部粉粒要小。 如果粉末涂料

12、在固化過程中流平得不好，組成涂膜外層的大粉粒未能完全流平，就會保持著未固化時涂層的表面形狀，產(chǎn)生因流平性不足而導致光澤度低、不平整以及桔皮等后果。3.反電離化問題 31反電離化現(xiàn)象 這里所述的反向離子化在一些文章中也被稱作未靜電排斥或微電池效應或逆向離子化現(xiàn)象，這是一個在粉末靜電噴涂過程中十分重要的一個靜電現(xiàn)象，充分認識和深入了解這一現(xiàn)象的本質(zhì)，才有可能克服由此而帶來的問題。 第2節(jié)敘述了粉粒沉積到接地工件表面的過程，如果繼續(xù)在同一表面上噴涂帶電的粉末，最終就會導致反電離化的現(xiàn)象。 隨著粉粒在金屬工件表面的堆積，粉末涂層內(nèi)的電場強度便會增大，實際上，每一粒沉附到金屬工件表面上的粉末都會產(chǎn)生下列

13、連貫的作用： 增大涂層內(nèi)的累積電荷量同值增大金屬工件里的累積的鏡像電荷增強了涂層內(nèi)的電場強度 當這一電場強度增大到足以把夾在粉粒之間的空氣實施電離時，便開始了這里稱之為反電離的過程。此時，存在于涂層內(nèi)空氣中的游離電子在電場中加速運動。撞擊并分裂分子，同時產(chǎn)生大量電子和帶正電荷的離子，由于極性相反的電荷相互吸引，故帶負電的電子奔向相對電子為正的接地，而帶正電的離子則力圖從涂層中逃出而奔向負極的噴槍，這樣的激烈運動過程將直接導致似乎是從工件里面發(fā)出并穿越涂層的流光現(xiàn)象。產(chǎn)生流光后，如果通過專門的放大觀察裝置來進行觀察，則可看到粉末涂層表面有許多光點，如果反電離現(xiàn)象越強（當外電場很強），則光點越多和

14、越亮。 流光產(chǎn)生的過程實際上與在噴槍槍尖的電暈放電的離子化過程與實質(zhì)都是相同的，一個是槍尖周圍的電場強度足夠大時產(chǎn)生正向電離化過程，而反電離過程則是由于涂層內(nèi)的帶電粉粒堆積造成層內(nèi)電場過強時而產(chǎn)生的。這個過程可用圖6a）、b）、c）形象地表示出來。 3.2反電離對涂裝品質(zhì)和涂裝效率的影響 反電離現(xiàn)象對涂裝品質(zhì)和涂裝效率直接帶來如下4個影響： 涂層表面產(chǎn)生桔皮或表現(xiàn)不平整等現(xiàn)象，涂裝品質(zhì)下降； 明顯降低上粉率，限制涂層厚度的增加； 加劇法拉第效應； 給工件復噴帶來困難。 反電離現(xiàn)象是造成涂層表面產(chǎn)生桔皮和表面不平整的另一個常見原因，涂層內(nèi)由反電離現(xiàn)象產(chǎn)生帶正電的離子，當離開涂層后，它們便會把流光

15、軌跡附近的粉粒的電荷進行中和，帶正電的離子沿著流光的軌跡活躍地作定向運動時也與空氣分子相接觸，從而產(chǎn)生所謂的“電風”，電風會撕裂那些從粉末涂層逸出的正離子所中和了的粉粒，從而產(chǎn)生出微小的凹坑，這些呈現(xiàn)星形狀的微坑可在未固化的粉膜表面見到。如果在固化過程中，粉末涂層流平得不好，由反電離造成的微坑得不到填平時，在固化了的粉末涂層表面便出現(xiàn)了光澤度低、不平整的凹坑以及桔皮等后果。 當帶正電的離子在尋求從粉末涂層逸離的出路時，它們會受到那些不斷到達接地工件表面的帶負電的粉粒所吸引，帶正電的離子與帶負電的粉粒相碰，其結(jié)果是粉粒失去電荷，從而也就失去了沉積在工件表面上的能力。隨著反電離過程的繼續(xù)進行，由于

16、接地工件前面存在帶正電的離子越來越多，撲向工件表面的粉粒的負電荷被中和的也越多，故吸附力明顯下降（即粉粒紛紛跌落），顯著地限制了粉層的連續(xù)增厚的能力。這就是說，反電離現(xiàn)象開始后粉末的上粉率會急劇下降，這說明，反電離現(xiàn)象正是粉末靜電噴涂工藝中的所謂的“自限制”特性的驅(qū)動源。 在第2節(jié)中曾分析到噴槍尖端在電暈放電時，會使噴槍與工件間的空間里充滿著數(shù)以萬計的自由離子，這些自由離子沿著電力線方向被吸引向接地工件，只要工件表面尚未被電介質(zhì)粉末層所覆蓋，自由離子便會容易地抵達金屬表面和流向接地處。但是，如果金屬表面已經(jīng)有一層粉末涂層，這一涂層就會使金屬表面部分絕緣，從而限制自由離子的電荷流入接地處的能力。

17、粉末涂層越厚，自由離子的電荷越不易流入接地處。當電荷越來越不易流入接地處時，涂層上便積累越來越多的電荷，導致的反電離化迅速發(fā)展，明顯降低粉末上粉率。惡化涂層表觀質(zhì)量與均勻性。 試驗研究表明，電暈式噴槍反電離現(xiàn)象發(fā)展得非常迅速，通常是約在噴涂1秒鐘之內(nèi)，就會在工件表面上出現(xiàn)反電離現(xiàn)象，所以用電暈式噴槍進行粉末噴涂（一般厚度為5080m）時，工件涂層表現(xiàn)質(zhì)量是很難達到高要求的，在后面所述的內(nèi)容中，我們可以看到摩擦帶電噴槍的反電離現(xiàn)象較電暈式噴槍要小得多，在噴涂1020S內(nèi)才會發(fā)生反電離現(xiàn)象，所以用電暈式噴槍很難實現(xiàn)厚涂層噴涂，而且表觀質(zhì)量也不能與摩擦噴槍相比較。 在電暈式噴槍中，為了要把反電離現(xiàn)象

18、降到一定的限度，至少必須考慮做如下幾件事： 電暈放電的所施加的電壓要適當，避免過于強烈的電場產(chǎn)生過多的自由離子和致使粉粒帶上過多的電量； 粉末涂料的電阻率要合適； 考慮采用吸收自由離子的裝置3.3.靜電噴涂過程中的法拉第籠效應 對靜電噴涂過程中法拉第籠效應最直接、最方便的理解就是涂料在靜電噴涂過程中很難（噴入到具有深凹狀工件復雜的表面幾何形狀）的深凹處。靜電噴涂過程中的法拉第籠效應與電磁波不能到達一個幾近封閉的或封閉的金屬框架內(nèi)是十分相似的，如果你在一個封閉的金屬框架內(nèi)放置一個無線電收音機，將會發(fā)現(xiàn)無線電收音機收不到任何無線電信號，這就如同靜電噴涂過程中電力線不能進入深凹的工件內(nèi)是一樣的。從前

19、幾節(jié)中我們已知粉末粒子要是受到電場力的作用，電力線的方向是電場力的方向。如果電力線不能進入被噴工件深凹處，則粉末粒子進入工件深凹處也就缺少了一個重要的推動力。下面我們對靜電噴涂過程中的法拉第籠效應給出較為詳細的分析與理解。 根據(jù)前述，我們知道在噴槍與工件之間存在著一個由帶負電粉粒與帶負電的自由粒子組成的云團，在這樣一個云團勢必會產(chǎn)生一定的電場，就像雷雨的云團與地面之間會產(chǎn)生電場一樣（它會導致雷鳴電閃）。帶電粉粒與自由離子所形成的云團與接地工件之間也產(chǎn)生電場，通常稱之為空間電荷電場，如圖7所示。因此，在常規(guī)電暈放電系統(tǒng)中，緊鄰工件表面的電場是由噴槍充電電極所產(chǎn)生的電場和空間電荷云團的電場所組成。

20、這兩個電場的結(jié)合與氣動力一起促使粉末沉積到接地工件上，達成高上粉率的效果。 當高速度的輸送帶輸送并涂裝大平面的工件時，由常規(guī)電暈放電系統(tǒng)產(chǎn)生的強電場的良性效應最為明顯。但是，在某些噴涂場合，電暈放電系統(tǒng)的強電場也會有負面的效應。其中一個重要的負面效應就是在噴涂具有深凹部位及溝槽的工件時的法拉第籠效應，如圖8所示。 圖6 逆向離子化的過程 當工件表面有深凹或溝槽時，電力線會集中到具有最低電場阻力之處（即這些凹陷部位的邊緣處），而這些邊緣處場強的增加，直接導致粉末粒子朝這些邊緣處運動，因此，這些地方的粉末沉積明顯加強，而涂層也增厚得很快，遺憾的是，伴隨這一現(xiàn)象的有兩個負面的效應。其一，由于粉粒被電場強力地推向法拉第籠的邊緣，因而只有很少的粉粒有機會進入凹陷部位。其二，由電暈放電產(chǎn)生的自由粒子會沿電力線走向工件的邊緣處，使已有的涂層迅速被多余的電荷所飽和，以致使反向離子化十分迅速和強烈。 前文已經(jīng)講到，粉粒是通過輸粉的氣動力和電場力的輸運被涂到工件上，這過程中的電場力必須要有足夠強的電場才能做到。圖7表明，無論是噴槍電極產(chǎn)生的電場，還是噴槍與工件間粉粒與自由離子形成的“云團”的電場都不能深入到深凹處內(nèi)（法拉第籠內(nèi)），因此，能幫助深入