粉末涂料的涂装工艺

粉末涂料涂装技术的发展，起始于本世纪40年代，随着世界聚乙烯树脂产量的迅速增长，人们研究获得一种没有针孔缺陷的涂膜。这种涂膜的防腐性能大大优于传统的喷漆工艺。对于流传数千年的液体涂装技术来说，这确实是一场富有挑战性的技术革命。聚乙烯树旨是热塑性树脂，当树脂的温度高于熔点时，呈现出具有流动性的液态相。当温度低于熔点时，树脂又转变为固态相。人们根据这个特点，设计了一种新颖的粉末涂装工艺方法。它与传统的液体涂装工艺区别在于，不需要将成膜物质溶解于溶剂中进行涂装施工，而是将成膜物质直接涂装于工件表面。因此它获得的涂膜没有针孔缺陷，又省却了仅仅为了施工需要而使用的大量溶剂，同时还节省了能源和改善了环境。

粉末热涂装工艺

最早出现的粉末涂装方法是滚涂法。它是将聚乙烯树脂加工成粉末状态的涂料，对需要涂敷粉末的金属零件进行预热，使其温度高于聚乙烯树脂的熔点10～20℃，然而将热态的金属零件在盛有聚乙烯粉末的容器内反复滚动，使粉末不断地熔粘于零件的整个表面。这种工艺方法非常原始，得到的涂膜厚度很不均匀，外观也粗糙不平，不适用于工业化生产，只能应用于个别化工产品的零件防腐涂装。但不管怎样，它毕竟是粉末涂装技术发展进程中走出的第一步，具有一定的历史意义。

粉末滚动涂装工艺的特点是首先必须使被涂件的温度高于粉末涂料的熔点。被涂件获得的热量要保证能熔粘足够的粉末涂料。另一方面要求粉末涂料在受热后，必须具有一定的流动性，使粉末涂料能够熔融流平成连续的涂膜。这就是大家所熟悉的热涂装工艺的基本原理。

人们根据热涂装原理，研究成功聚乙烯火焰喷涂法。它拉开了粉末涂装的序幕。当时除了火焰喷涂法外，还采用散布法。这是一种将树脂粉末均匀地撒在加热工件表面，使粉末熔融形成涂膜的施工方法。瀑布法类同于散布法，只是它的粉末浓度比散布法要高得多，因而能够方便地得到较厚的涂膜。

为了使散布法能自动进行涂装，1952年原联邦德国Gemmer公司提出了流化床法，此法乃通过空气或惰性气体作用使粉末在专门容器内流动浮游，并且有液态特征。预热工件浸沉于流化床中，流态化的粉末就会均匀地熔融附着于工件表面，通过加热使其熔融流平，从而得到光滑连续的涂膜。当时应用的树脂主要是聚乙烯、聚氯乙烯和尼龙等热塑性树脂粉末。50年代后热固性环氧粉末涂料的问世，使粉末涂料的应用进入了一个重要的发展阶段。粉末涂料技术开始迅速地步入了工业化生产的领域。

上面介绍了滚涂法、火焰喷涂法、瀑布法和流化床法。按照各种工艺方法的特点，相继设计制造了各类涂装设备和生活流水线，使热熔涂装技术在电机电器、管道及丝网产品等领域中取得了令人瞩目的成就。这些工艺方法的基点是必须把工件预热到相当高的温度，因此主要应用于金属零件的涂装。

粉末涂装工艺的分类

粉末热熔涂装施工的操作必须在高温下进行，这给正确控制涂膜的厚度和保证批量生产中涂膜的质量带来了困难。热熔涂装的涂膜如果出现弊病，返修工作比较麻烦，工人在高温下操作的劳动强度大，而且工作环境恶劣。

为了克服这些缺点，开始研究在常温下将粉末涂料均匀涂布到工作表面，再通过加热使附着于工作表面的粉层熔融流平成光滑连续的涂膜。这种施工方法也可以称之为粉末的冷涂装工艺。60年代法国Sames公司发明的粉末静电涂装技术，为粉末冷涂装工艺开拓了广泛的应用领域。根据粉末静电吸附原理和不同的施工方式，国内外已成功地制造了各种静电涂装专用设备。由于这项技术在国内的发展历史比较短，有些资料对某些工艺方法的名称和内容的介绍说法不一。这给不熟悉这项新技术的读者来讲，容易产生错觉或误解。

同一种工艺方法由于出现不同名称而误认为是不同的工艺方法。例如流化床工艺方法有人称它为沸腾工艺，又称为流动被膜工艺，在电机行业中又习惯称之为熔槽绝缘工艺。又譬如，当前静电涂装技术原理正处于深入研究阶段，各家学说颇多。因而在介绍一种新颖静电涂装方法和装备时，常会误述为在一种新的静电涂装原理指导下获得的新涂装方法。像静电云雾室涂装法的原理，同静电喷涂法的静电流化床法的静电涂装原理完全一样，它的特点只是粉末的雾化状态类似于云雾。这种云雾可以在一个容器中形成，也可以在局部空间区域内形成。我们可以通过静电喷涂的方法得到它，也可以采用静电流化床或其它方法来制造云雾状态的粉末空间。因此，这种涂装方法虽然有其自身的工艺特色，但并不是一种新的静电涂装原理的产物。

为了使读者对当前已有的一些粉末涂装工艺方法有一个较为系统的了解，按照它们的涂装原理和工艺特点进行了排列归类。

上面列出的是粉末涂装工艺发展过程中曾经研究过的一些工艺方法。原则上可以划分为热熔涂装工艺和冷涂装工艺两大类。每一类工艺的涂装原理都是相同的，除了冷涂装工艺中的喷涂冷涂法属于例外。它是对被涂件需涂粉末的部位喷（刷）胶液，然后热熔融流平成膜。总之，不管用什么方法，只要能使粉末涂料均匀地涂布于被涂件的表面，经过加热熔融流平成膜，这种工艺方法就可归类于粉末涂装工艺。如果工件需要预热来熔融粉末的，则属于热涂装工艺范围。工作能够在常温下进行涂装技术，再进行热熔平成膜的就属于冷涂装工艺范围。当前广泛应用的冷涂装工艺主要是粉末静电涂装技术。通过上面介绍，再遇到新的工艺方法和涂装设备问世时，读者就可以按其涂装原理和工艺特点自行归类了。

涂装的表面预处理

为了获得优良的涂膜和优异的产品质量，在涂装前对被涂工作表面进行的准备工作称为涂装前表面处理，简称前处理。前处理工作主要包括以下三个方面：

一、从被涂工作表面去除各种污垢，如除油（也称脱脂）、除锈以保证涂膜的理化性能和产品的质量。常见的污垢有：金属的腐蚀产物（如铁锈、氧化皮）、焊渣、灰尘、碱渍、油污、旧涂膜等。在涂装前如果不除尽这些污垢，则不仅影响涂膜的附着力、耐腐蚀性能、耐潮湿性能、产品外观、而且锈蚀会在涂膜内部继续蔓延，严重时涂膜会成片脱落。

二、对经过清洗的工件的表面进行种化学处理，以提高涂膜的耐腐蚀性和涂膜与工件表面的附着力。如对钢铁件进行磷化处理、对铝件进行氧化处理。

三、采用机械的办法消除工件的机械加工缺陷，调整工件表面的粗糙度，以提高产品的外观质量和附着力。如平整工件表面的凸凹不平和毛刺、用喷涂砂方法增加表面的粗糙度。

除油

除油剂

常用的除油剂有碱类除油剂和表面活性除油剂。

一、碱类除油剂

它是以碱的化学作用为主的一种清洗方法，由于价格低廉、使用简便，故目前仍广泛使用。

（一）碱液除油的机理

主要基于皂化、溶解和机械等作用。其次是乳化、分散等用。在用碱液除油清洗动植物油脂和矿物油污时，两者的洗净机理不一样。

在洗净动植物油脂时使用像苛性钠那样碱性强的清洁剂，当碱性保持在易皂化的一定浓度以上时，能使油污成为脂肪酸钠皂和甘油，溶解分散在洗液中。图片

不过，中性油脂的皂化在弱碱性的水溶液和低温下不能进行。当动植物油污中含有游离脂肪酸时能直接被弱碱中和成脂肪酸钠皂。

R－COOH ＋ NaOH ——> R－COONa ＋ H

2

O

上述两例生成的脂肪酸钠皂（即肥皂）不仅自身具有水溶性，而且也是表面活性剂

的作用，能使不活性的油污被乳化，分散。

上述反应不仅产生于动植物油脂，当矿物油脂中存在羧酸基团和硫酸根时，也能产生同样的现象。其过程如图12-1所示。

由于中性矿物油脂与碱不能起皂化反应，因而不能期待上述效果。所以在清洗中性矿物油污时，强碱应与硅酸盐、多聚磷酸盐那样的胶体性碱清洗并用，靠强碱促使油污从被清洗物上解离，随后解离的油污靠胶体安定地分散。表12-1例举了碱类水溶液浓度与pH值的关系

表12-1清洗用碱类水溶液不同浓度的pH值

碱类

温度

碱液浓度，%

0.25

0.5

1.0

2.0

4.0

苛性钠

25℃

12.54

12.78

13.04

13.32

13.56

碳酸钠（苏打）

25℃

11.01

11.12

11.21

11.28

11.34

45℃

11.62

10.77

10.88

10.95

11.01

碳酸氢钠

25℃

8.61

8.59

8.56

8.55

8.51

45℃

9.65

8.63

8.55

8.51

8.43

60℃

8.7

8.71

8.66

8.59

8.53

磷酸三钠

25℃

11.49

11.71

11.90

12.08

12.29

45℃

10.70

10.95

11.17

11.34

11.53

60℃

12.52

12.78

13.04

13.32

13.56

表12-2所示的是各种金属耐碱性的极限值（pH），高于此pH值时，金属就易受浸蚀。从表中可知钢铁具有极好的耐碱性，但也有超出表中所示耐蚀性极限值之外的，例如硅酸钠能在锌等表面形成耐蚀膜。

表12-2 各种金属耐碱性的极限值（pH）

金属

极限值（pH）

金属

极限值（pH）

锌

10

黄铜

11.5

铝

10

硅铁

13.0

锡

11

铜铁

无极限

（二）除油剂中碱的种类和性质

1、氢氧化钠，又叫苛性钠，属强碱性化合物。它在清洗时主要起化学作用与酸性污垢或动植物油脂反应，生成水溶性盐或皂化后被除去。它和碱性盐不同，不是通过水解作用提供碱度（OH-）而是直接电离的：NaOH ——> Na

+

＋OH

-

对于有色金属具有较强烈的腐蚀作用，如对铝、锌能生成水溶性铝盐和锌盐，而被浸蚀，因此常不用于有色金属的清洗。

氢氧化钠有强的杀菌作用，价格便宜，可是对人的皮肤等有强烈的腐蚀作用，因此操作时应十分注意。

2、碳酸氢钠，又叫苏打，是一种价格低廉的碱。它在水解时生成OH-1，提供碱度。

Na2CO3 ——> 2Na+＋CO2-3

2Na+＋CO2-3＋2H2O ——> 2Na+＋2OH-＋H2CO3

H2CO3 ——>H2O＋CO2

因此，碳酸钠具有缓冲作用，不象强碱那样地浸蚀某些有色金属。

碳酸氢钠碱性比碳酸钠更弱，它对于油脂已无皂化能力，碳酸钠在硬水中能生成难溶于水的碳酸钙，而碳酸氢钠能与钙离子反应生成可溶性的酸式钙盐，所以对硬水有一定的软化力。

3、偏硅酸钠Na2O·3SiO2·5H2O，正硅酸钠2Na2O·SiO2·5H2O和水玻璃Na2O·nSiO2·nH2O等硅酸盐，硅酸盐在水解时提供碱度。

Na2SiO3 ——> 2Na+＋SiO2-3

2Na+＋SiO2-3＋2H2O ——> 2Na+＋2OH-＋H2SiO3

水解时生成的硅酸不溶于水，而以胶体状悬浮在槽液中，对固体污垢有分散作用，能避免污垢在工件上的沉积。

正硅酸钠在它们之中碱性最强，按近苛性钠的碱性，使用时要注意它对有色金属、人的皮肤等都有较强的浸蚀作用。因其所含硅酸易成胶体，对污物的分散，保持能力优越，所以在钢铁等的清洗时常与苛性钠并用。

偏硅酸钠比前者的pH值稍低，对皮肤的作用较弱，另外对污物的分散性优良。其最大的特点是对有色金属（特别是铝、锌、锡等）的碱腐蚀性的抑制力较正硅酸钠强，因而铝、锡、锌制件用的碱性清洗剂几乎都含有它。水玻璃的pH值更低，常应用于有色金属的清洗和作为肥皂的配合助剂。

硅酸盐的一般特性是碱液的湿润、浸透性优良，保持污物的分散性和耐硬水性好，对金属有一定的防腐蚀效果，可是要注意在强酸存在的情况下，水解生成的游离硅酸能在被清洗物表面沉积，形成一层不溶于水的薄膜，水洗时不易洗掉，能影响涂层的质量。

4、磷酸盐作为碱清洗剂用的仅局限于磷酸三钠，焦磷酸四钠和三聚磷酸钠三种。

磷酸盐在水解时生成离解度很小的磷酸，从而获得了碱度。

Na3PO4 ——> 3Na+＋PO3-4

3Na+＋PO3-4＋3H2O ——>3Na+＋3OH-＋H3PO4

磷酸盐具有较显著的分散作用，可将颗粒状污垢分散成近似胶体粒子的小颗粒。焦磷酸四钠（Na2P2O7）还具有表面活性作用，其表面活性能力略逊于硅酸盐，而比简单的磷酸盐为强，它常用以代替硅酸盐，用于不能使用硅酸盐的清洗剂中。磷酸盐的另一个重要性质是可作为多价螯合剂使用，它与硬水中的钙、镁离子相结合，成为不溶于水的钙盐或镁盐而被除去。在这方面，复磷酸盐的多价螯合作用也大大优于简单的磷酸盐，用得最普遍的复磷酸盐是三聚磷酸钠（Na5P3O10），被大量制造应用于日用洗涤剂中，其价格较低廉。复磷酸盐不稳定，依据湿度、时间及pH值等条件的不同，常水解生成为焦磷酸四钠或磷酸三钠等较简单的磷酸盐。

磷酸盐的共同特性是能抑制金属的腐蚀。由于磷酸盐的碱度（pH值）不大，而且在碱类中的价格也比较贵，所以很少作为金属清洗剂的主剂，而常与价格便宜的强碱并用。

各种碱类的洗净性比较列于表12-3中。

表12-3碱类的洗净性比较

碱类

pH值

（1%）

浸透力

分散力

乳化力

洗净力

水洗性

偏硅酸钠

12.10

2

1

2

1

2

磷酸三钠

11.95

3

1

1

1

2

三聚磷酸钠

9.6

3

2

－

2

3

苛性钠

13.0

4

2

2

2

4

碳酸钠

11.20

4

3

2

1

4

注：1为优；2为良好；3为尚可；4为不好。

油污分散后的水洗性也是主要的洗净性之一，因苛性钠对洁净金属表面的吸着力很强，所以人其水洗性较差，各种碱的水洗性如图12-2所示。

二、表面活性剂清洗除油剂

以表面活性剂为主作为除油剂，利用其表面张力低，浸透湿润性好、乳化力强等特性来洗净金属表面油污的方法，称为表面活性剂除油法。

（一）表面活性剂的除油机理

表面活性剂是一种能显著降低表面（界力）张力并具有吸附性能的物质。从结构看，所有表面活性剂都是由极性的亲水基和非极性的亲油基两部分组成的。亲水基使分子引入水，而亲油基使分子离开水引入油，因此它们是两亲分子。所以表面活性剂具有亲水、亲油的性质，能起乳化、分散、增溶等作用。就清洗剂而言，乳化作用是主要考虑因素。两种互不混溶的液体在表面活性剂的作用下，一种以微粒形式分散于另一种液体中的混合液叫乳化液，这种表面活性剂叫乳化剂，乳化剂所起的主要功能叫乳化功能。在除油过程中形成水包油（O/W）型的乳化液，为了形象的理解这种过程，可用图12-3所示来说明。

— 清洗前的工作状态。存在空气与工件、空气与油污、油污与工件、油污与油污四种界面。

— 处在清洗液（清洗剂的水溶液）中，用清洗液置换空气的状况。这是一个润湿过程，黑点表示亲水基，白点表示亲油基。

— 清洗液浸入油污与工件，油污与油污的界面后，则仅存在工件与清洗液、清洗液与油污的两种界面，这是一个乳化分散过程，油污被表面活性剂包围而形成乳化液滴分散到清洗液中。

— 用清水洗去工件表面的清洗液。

— 工件在空气中干燥。

（二）表面活性剂除油的特点

1、在同样条件下清洗能力较碱液清洗强，去油质量好，可使清洗液的PH值接近中性或弱碱性（PH=9～11），适用于有色金属的清洗。

2、它能与其他表面工序合并，如组成除油-除锈-磷化“三合一”工艺，在一定条件下可实现简化工艺的目的。

3、在采用了生物降解的表面活性剂之后，有利于表面处理工序的污水处理。

表面....