时间：2024-07-09 17:12:00 来源：洛阳乐卡新材料科技有限公司
摘要：在阐述粉末静电喷涂技术的原理、特点和发展历史的基础上，对静电喷涂设备的应用现状、研究进展及关键技术进行总结与分析，最后探讨并展望技术应用热点及发展前景。
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。对于涂装业而言，对环保涂料和无公害涂装工艺的需求尤为迫切。
由于粉末涂料几乎不含挥发性有机化合物（VOC），回收利用率高，并且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，成本也低于同等效果的喷漆。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呈增长趋势。本文将总结粉末静电喷涂的原理、特点与发展过程，重点分析静电喷涂设备在不同领域的应用功效和相应技术特点。
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
静电喷枪是实现喷涂作业的重要工具，其通过喷枪将粉末涂料喷涂到工件表面。具体工作原理为：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，喷枪端部被赋予较高电压，喷枪端部针状电极的电晕放电使空气电离。
同时，粉末涂料由供粉系统中的空气动力输送至喷枪喷出，雾化后的粉末在电晕放电区捕获负电荷成为带电微粒，即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形成高压静电场。在气流和电场作用下，粉末涂料按照受力方向飞向待涂工件，受库仑静电引力作用吸附在工件表面；当工件上粉末积聚到一定厚度时，发生静电相斥，粉末便不再堆积。然后经过加热熔融、流平固化形成均匀、光滑、平整的涂层，以满足喷涂要求。
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，由特制树脂、颜填料、固化剂及其他助剂按一定比例混合，再经热挤塑和粉碎过筛等工艺制备而成，总体分为热固型和热塑型两类。
这种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，是名副其实的绿色环保型涂料。粉末静电喷涂具有以下明显优势：
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
粉末涂料的历史最早可追溯到 1938 年，当时欧洲尝试用金属火焰喷镀的方法，将聚乙烯制成塑料粉末用于金属制件涂装。
四十年代中期，又研究了用塑料粉末涂饰物体表面。1952 年，西德 Knapsk Grieshein 公司的盖梅尔研究成功流化床涂装工艺，率先实现涂料的干法涂装，使热塑性粉末的施工工艺实现工业化，但因其工艺局限性较大，在之后的十年中未得到更大发展。1962 年，法国的 Sames 公司研究成功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粉末涂装时代。
尤其是 1966 年，美国颁布《66》法规，开始限制具有挥发性质且污染空气的涂料溶剂，粉末涂料凭借零挥发、无污染的优势迅速崛起。粉末静电喷涂技术广泛应用于大批量工件生产，随之建立起粉末静电喷涂生产流水线，研发出相对完整的成套设备，世界各工业强国也相继引入开发。
相比之下，我国粉末涂料发展起步较晚。1965 年，广州电器科研所成功研制绝缘型环氧粉末涂料，由常州绝缘材料厂生产，在电机转子和变压器铁芯中得到初步试用。
1968 年，上海无线电二十四厂用粉末静电喷涂技术涂装仪器设备外壳获得成功，正式拉开我国粉末静电喷涂技术发展的序幕。我国 “七五” 计划将静电粉末喷涂工艺列为重点研发推广的新技术之一。某省机械研究所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，基本达到八十年代国外粉末静电涂装设备水平。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好，性能稳定。
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，当时在国内处于领先水平。
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，该设备自动化程度高，适用于环氧、聚酯、尼龙和聚乙烯。
目前，国外已出现大量工艺先进、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快速发展，我国已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。
2.2 粉末静电喷涂设备的研发现状
2.2.1 粉末喷涂装置
随着粉末喷涂应用的日益广泛，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。
随着自动化程度不断加深，安装在移动装置上的机械臂用喷枪成为需求所在。黄海华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）集成到一个直枪体上，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，有效避免现有喷枪中易出现的静电泄露、线缆折断、易打火花等安全隐患。
朱先俊等发明的静电喷涂装置，在喷涂房内后侧阵列排布多个喷枪装置，喷枪喷头内设有多个沿周向延伸的螺旋出料口，且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，有效解决市场上现有喷涂设备易产生死角、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。
呼格吉乐等发明一种多色喷涂自动化设备，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，有效解决多颜色喷涂难题。
在铝型材表面处理领域，余保平等发明一种立式双轨喷涂设备，其特点是采用 U 型喷房，两排相对阵列布置喷枪组和 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，使输送链带动工件两次在两排喷枪之间穿行，由升降机带动两排喷枪上下往复运动，实现工件全面的粉末覆盖效果，有效解决该领域当前设备生产率低的问题。
粉末喷涂设备中用于带动喷枪移动的升降机一般通过电机正反转控制喷枪上下移动，设备抖动厉害，喷枪喷涂不均匀，粉料浪费严重。
段举合等针对此问题在链条传动件上设置升降滑块升、降的换向连接机构，并增添配重组件以平衡升降机构重力，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。
杨九林在其基础上进一步改进，增加喷枪数量，喷枪连接在活动管上，活动管可在固定块上拉伸，使喷枪的喷射距离更具可调性。
现阶段国内外制造出大量智能机器人喷涂设备，但这类设备大多需人工辅助操作，且不能完成复杂操作。
韩年珍等发明的一种五轴机器人喷涂设备，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，使产品质量稳定一致。
此外，仇云杰等发明一种 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两部分。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 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产品表面质量，如何更有效方便地控制喷枪启停、运行参数以及避免涂料浪费，是相关研究人员重点研究的方向。
杰弗里等发明使用集中控制板和喷枪映射的喷涂系统，提供从集中控制板控制、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，对气压参数（雾化气压和流化气压）缺少自动控制。
李向阳等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，以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是可回收再利用，过喷粉末回收处理的效果直接影响涂料质量、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不同颜色，最终只能当作废粉处理。
余保平等针对此问题，在喷粉房内设置若干粉末回收管道，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。粉末旋风回收筒将大颗粒粉末通过旋风作用回收至回收粉末储存箱，细微颗粒粉末（废粉）被抽至终端过滤器，终端过滤器将细微粉末截留，干净空气通过抽风机排出厂房外，这种方式节能环保，性能更优越。
此外，过量粉末通过风机吸入直接回收，不免会掺杂空气中的灰尘，导致粉末纯度不够，易使二次加工的质量下降。
席晓峰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存在粉末外溢严重，或因滤芯破裂导致大量粉末喷向室外的问题。
袁仁其等发明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，且基本避免粉末外溢现象，另外取消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，是喷涂系统的关键环节，影响喷涂效率、质量以及整个喷涂系统的正常运行状态。
为提高喷涂效率，现有技术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，连接相应输粉泵和输粉管，最终输送到各喷枪；再辅以喷枪控制器，改变出粉量和粉末雾化状态，实现不同涂膜厚度，满足不同产品需求。根据使用工况和环境不同，仍有研究人员对供粉系统不断改进创新。
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气固混合，将大颗粒粉末充分打散成均匀小颗粒，有效保证粉末喷出质量。
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，郭有忠等设置有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底板、气缸，可使供粉台车与供粉中心脱离，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由气缸伸缩控制粉泵承载装置的移动和定位，维护不当时，气缸内容易进粉，无法正常伸缩工作，供粉中心将瘫痪。
陈红兵取代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动及固定。
2.2.5 喷粉室
喷粉室的选材和结构影响喷涂环境、快速换色以及粉末回收，因此有研究人员在这方面进行研究并给出合理解决方案。
以前的喷粉室一种由金属材料制成，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，柯儒群将顶壁和侧壁换成中间空心的夹层工程塑料，喷粉室底部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，且顶壁与侧壁之间采用圆角过渡，使喷粉室里过喷的粉末不易沉积在转角处。
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环境中喷涂的问题，李长练等提出一种价格低、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、喷涂设备等开发的日渐成熟和完善，粉末静电喷涂技术得到了越来越广泛的应用与发展，在品种、数量、质量、应用以及人们的认知等方面都有了巨大的飞跃。
在金属制品迅速推广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。
MDF 粉末涂装作为新兴的研究领域，已经投入商业生产应用，为市场提供了绿色环保的新型家具产品，这是粉末涂装技术又一次飞跃发展的开端。
一直以来，粉末喷涂在工程机械应用领域的技术相对匮乏且落后，原因在于工程机械零部件尺寸较大、结构复杂，设备投资大、成本较高，粉末涂料品种不全，粉末喷涂的工艺技术存在局限性。
然而，工程机械在工业建设、国防建设和基础建设中具有不可替代的地位并且发挥着重要作用。
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、减轻对生态环境的影响有着重要的推动作用。因此，大力发展工程机械绿色制造技术，粉末涂装在其中的应用成为必然趋势。
粉末喷涂仍然存在较多问题，例如：粉末涂料在有特定需求时不能快速换色；粉末涂料在工件边角上粉不均匀；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。
总体而言，粉末静电喷涂技术及其设备日趋成熟完善，也必然朝着更加先进的自动化、智能化、低能耗、低污染方向发展。
