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喷涂铝型材金属粉末涂料施工工艺探讨

文字:[大][中][小] 手机页面二维码 2016/1/13     浏览次数:    

  1 前言

  粉末喷涂作为铝型材的表面处理方式之一,由于其4E特性以及表面效果多样化,深受消费者喜爱。随着生活水平提高以及市场多样化需求,金属粉末喷涂型材的使用更加广泛,在喷涂型材中占据的比例越来越高。但是,由于金属粉末种类、规格、金属粉品质、粉末质量各不相同,再加上型材生产厂家所用喷涂设备有一定区别,金属粉末施工效果并不十分理想,其主要问题是表面金属效果与标准之间的差异,批次生产的色差以及施工不稳定。

  2 金属粉末喷涂机理

  众所周知,静电粉末喷涂过程中,粉末涂料流化过后通过气流输送至喷枪,喷枪通过高压静电发生器,在喷头的电极针产生电晕放电,在电极附近产生了密集的负电荷,粉末从枪头喷出时,捕获电荷成为带电粉末,在气流、电场以及自身重力的作用下,飞向接地工件,并吸附在型材表面上。金属粉末静电喷涂与常规粉末静电喷涂原理一致,但是由于金属粉的特殊性,其喷涂机理需要作进一步说明。

  假设喷枪是处于水平状态的管道,粉末颗粒从喷枪中喷出初始阶段受到压缩气传送力、静电力作用,我们可以将其视为多颗粒系统的气力输送状态以及电场力的叠加,根据Barth推导公式,外加电场多颗粒传输系统的动力方程为:

喷涂铝型材金属粉末涂料施工工艺探讨

  其中,ρ指的是输送气体密度,ρP指的是粉末颗粒密度,ε指空隙度,λ*Z指的是碰撞压力损失系数,fL为fanning摩擦系数,c指管道内颗粒速度,νε指的是气体实际速度,Ex指实际电场强度。由上式可以看出,粉末喷出动力状态与空气输送密度ρ(流速)、粉末颗粒密度ρP(粒径)、空隙度ε(粉量)电场强度Ex以及粉末带电量q密切相关,而与碰撞力、摩擦力以及涡流曳力等阻力可以忽略不计。粉末喷出过程中,空气输送密度、空隙度、电场强度属于外界因素,因此,金属粉与普通粉的区别就在于粉末颗粒密度(ρP)、带电量(q)的区别。

  普通粉末经过粉碎、过筛后,其颗粒接近球体形状,而金属粉并非都是球状颗粒,为了获得涂层表面闪光效果,部分铝银粉、铜金粉以及珠光云母粉呈片状颗粒。这类颗粒在喷枪与型材之间的运动过程中,其重力、涡流干扰力影响十分明显,其流动阻力公式为:

  AP表示颗粒在流体流动方向上的投影面积,ξ表示曳力系数,与颗粒运动的雷诺系数有关。片状金属粉在喷枪与型材之间飘忽不定,AP值也始终处于变化过程中,当金属粉末粒径较小的时候,阻力相对减弱。

  其次,铝银粉、铜金粉以及云母粉的密度不一致,其中铝银粉密度较小,铜金粉密度较大,由于重力的作用,如果以干混的方式加入涂料中则喷粉过程中容易分离,处于bonding状态的金属粉则能够与底粉保持一致性。

  另外,铝银粉、铜金粉以及云母粉的导电性差异十分明显,大多数未经过处理的云母粉几乎处于绝缘状态,而铝银粉、铜金粉导电性非常好,因此喷涂过程中的差异也就非常明显。

  3 金属粉末涂料制备

  金属粉末涂料生产包括熔融挤出法、干混法以及bonding技术。熔融挤出法与传统的粉末制备工艺一致,只是在原料中加入了金属颜料,然后高速预分散、熔融挤出、压片破碎、磨粉筛分而制成成品,这种方法工艺虽然简单,金属粉与基粉得到均匀混合,但是生产工艺存在高温基础以及高温剪切,容易造成金属表面氧化、金属干混法是将金属粉加入预先制备好的基粉中,通过高速混合制成成品,这种方法的优点是金属粉末不容易被破坏,喷涂后的金属效果充分发挥,其明显不足是金属粉与基粉的分离现象很明显,尤其在喷涂过程中由于重力、形状、带电量与基粉颗粒不一致,造成型材表面色差、金属效果不一致,同时容易对粉泵、文丘管、喷枪电极针、扁平枪嘴造成磨损。

  bonding技术是在干混法的基础上改进而来的,金属粉与基粉混合均匀后,在惰性气体保护下,将温度均匀稳定的升到树脂软化点,使基粉颗粒与金属粉颗粒相互粘附,甚至部分包裹金属粒片,从而使金属粉与基粉物化性能趋于一致,这就使喷涂过程中,金属粉能够良好的分散在型材表面,达到较好的金属效果。干混法与bonding技术比较,干混的金属粉添加量只能控制在7%以下,而bonding技术可以添加到20%,随着其工艺的成熟,bonding技术的应用将更加广泛。

  为了达到用户要求的表面效果,金属粉的材质、规格、品质都必须通过严谨的挑选。目前,全球颜料工厂较多,提供的金属粉种类各异。较为常见的分为铝银粉、铜金粉以及珠光云母粉。其中铝银粉分为浮型和非浮型,浮型铝银粉容易漂浮到涂层表面,形成一层金属表面,但是耐化学品和耐候性很差;非浮型浮的倾向性相对较弱,但是能够与基粉良好的结合,涂层的理化性能较好,而且能够达到较好的金属效应,非浮型铝粉通常经过表面处理,常见的有TiO2包覆处理,溶胶包覆处理以及有机聚合物处理。

  铜金粉的组成主要是铜或铜锌合金,为了达到较好的铜金效果,铜粉颗粒表面也往往覆盖一层保护膜,而保护膜的厚度影响了其光的反射衍射,导致其表面呈现金色、红色、古铜或者青金颜色。云母粉横断面类似于珍珠的结构,人工云母粉根据这一原理,在云母芯片上包裹一层具有高折射指数的金属氧化物,如,TiO2、Fe2O3等,高折光指数的金属氧化物和低折光指数的云母芯片并行排列,从而产生了可视的彩虹颜色,如果控制金属氧化物的厚度或者配比,云母粉的颜色更加丰富。


根据生产现场实际操作经验,金属粉末喷涂与常规粉末喷涂工艺大致相同,但是为了达到较为理想的金属效果,还需要根据金属粉的种类、金属粉粒径来调整枪距、电压、粉量、雾化气压等工艺参数。

  由于回收粉的循环使用,金属效果出现了梯次波动的现象;而且固化工艺对部分金属粉影响也十分明显。为了研究这些因素的影响,通过正交试验,根据金属粉种类、粒径分布、枪距、电压、粉量、雾化气压、回收粉添加、固化工艺8个因素来对比喷涂样板表面金属效果与标准色板的一致性。

  4.2试验方法

  按照粉末种类分为干混粉及bonding粉,细分为铝银粉、铜金粉、云母粉三大类,分别取样5种,测试粒径分布后,依次调节枪距、电压、雾化气压、粉量、回收粉添加、固化工艺6个因素,每种测试3块试验板,用以与标准板对比试验结果。

  使用低倍镜观察喷涂表面单位面积内金属闪光数目,金属效果一致性即试验板金属闪光数目与标准板的比值,最后目视对比验证数据的准确性,得出一系列影响金效果的工艺因素。

  4.3枪距对金属效果的影响

  取干混铝粉、铜金粉、云母粉分别按照枪距250~400mm进行调节,电压设定为80kv,粉量、雾化气压、不添加回收粉、固化工艺固定不变,得出枪距与金属粉效果的关系。

  喷涂铝型材金属粉末涂料施工工艺探讨

  由图1可以看出,金属粉施工过程中,金属粉效果随枪距越远,效果越差。其中铝粉在枪距处于250mm的时候金属效果与标准板十分接近,效果最佳;而铜金粉由于其更好的带电效果以及自身重力作用下,在枪距较短时,金属效果比标准板更好,但是试验板上出现了反电离现象,因此枪距太近表面综合效果并不理想;而云母粉由于喷涂时被涂层覆盖,闪光效果相对较差。

  4.4电压对金属效果的影响

  取干混铝粉、铜金粉、云母粉分别按照电压40~100kv进行调节,枪距、粉量、雾化气压、不添加回收粉、固化工艺固定不变,得出喷涂电压与金属粉效果的关系。

  喷涂铝型材金属粉末涂料施工工艺探讨

  由于铝粉的导电性较铜金粉、云母粉更好,当电压很低时,铝粉金属效果更明显,达到标准板金属效果所需电压也最低;随着电压的增加,金属效果与标准板的差异越来越小,当电压超过80kv时,铝粉和铜金粉试验板上出现反电离现象,粉末涂层被击穿,表面金属效果反而不理想,因铝粉带电性更好,受到的反电离现象更明显,金属效果亦下降更快;云母粉其导电性很弱加之自身重力影响,金属效果随着电压继续增加而越来越明显,与标准板之间的差异逐渐变小。

  4.5雾化气压对金属效果的影响

  取干混铝粉、铜金粉、云母粉分别按照雾化气压0.05~0.20MPa进行调节,枪距、电压、粉量、不添加回收粉、固化工艺固定不变,得出雾化气压与金属粉效果的关系。

  喷涂铝型材金属粉末涂料施工工艺探讨

  由图3可以看出,保证其他施工参数不变的条件下,当雾化气压在0.05MPa时,金属效果最佳,随着雾化气压的增加,金属效果反而下降。由于受重力(云母粉>铜金粉>铝粉)影响,重力越大,粉末下降速度越快,金属效果越差。

  4.6喷粉量对金属效果的影响

  喷粉量的大小决定了涂层的厚度,在保证其他施工参数不变的条件下,涂层表面效果受型材的断面、挂料的方式和密度、喷涂链速的快慢、设备的导电性影响。金属粉施工和普通粉的区别是,随着喷粉量的增加,粉末中颜料被型材吸附的速度大于树脂,表面金属效果被树脂覆盖,与标准板差异明显;另外,部分粒径小的金属颜。

  4.7回收粉对金属效果的影响

  金属粉施工过程中,回收粉的合理使用至关重要,直接影响到涂层的金属效果,并且关系到生产成本(粉末利用率)。回收粉添加比例不一致,将会引起批次色差、金属粉含量少等质量缺陷,尤其是干混金属粉,颜料在回收系统中易被粉碎,单位重量内颜料比重减少、粒径变小、带电量减弱,加之批次粉末颜料比重可能不一致,涂层金属效果不理想。

  一般情况下,回收粉与新粉的掺加比例为1:(4~6),且尽量边产生边回收使用,不能直接使用的要及时打板确认合格后回收,部分质量差的金属粉由施工方退回生产厂家返工合格后才能使用,对颜色鲜艳的金属粉,回收粉比例应适当降低。

  4.8固化工艺对金属效果的影响

  金属粉的固化工艺与普通粉基本一致,只有高光泽和纹理类例外。涂膜固化时,必须保证型材充分固化,事先设定好固化炉的最高固化温度,掌握固化炉的加热速度,型材表面的升温速度及保持时间,这些参数都直接影响涂膜的金属色彩效果。如高光泽、锤纹、砂纹类金属粉要求固化升温速度快、固化温度高一些,而纹理类金属粉固化温度升温速度快金属纹理会变小变细,升温速度慢则会变大变粗,所以严格稳定的固化工艺是金属粉施工十分必要的。

  5 结束语

  金属粉因含有金属颜料而导致静电喷涂施工时与普通粉有较大差异,涂层质量和工艺稳定性很难保证。金属粉末制备工艺和型材厂家静电喷涂设备不尽相同,其施工参数和金属效果有很大差异;通过对金属粉静电喷涂机理进一步梳理,得出金属粉与普通粉的区别在于粉末颗粒密度(ρP)、带电量(q)的区别;结合施工现场经验和正交试验数据,总结出影响金属粉施工效果的8大因素,为各类金属粉施工提供了依据。


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