靜電粉末噴涂設備的發展歷程

文/金浩

近年來，政府大力推進環保事業，靜電粉末噴涂技術作為噴涂領域的綠色技術，符合VOC節能減排等環保政策的要求，越來越多的受到了客戶的青睞。本文結合當前的行業狀況，對靜電粉末噴涂設備的前身，現狀和趨勢進行闡述，期望幫助讀者加深對靜電粉末噴涂技術的了解，從而能夠充分應用該技術為國家環保政策的落實，“中國制造2025”的推進添磚加瓦。

一、靜電粉末噴涂原理

1、靜電粉末噴涂

對于我們采用的靜電噴涂的方式而言：工件需要接地，即零電位，不帶電荷；粉末由靜電噴槍進行充電。從圖1可以看出，粉末被噴槍噴出并在噴槍出口區域被充電，同時被施工的工件必須在接地的狀態下。霧化的粉末顆粒在空氣動力、重力和電場力的共同作用下，異性相吸，朝工件飛去，并因為帶有負電荷而吸附在工件的表面。

圖1 靜電粉末噴涂示意圖

圖2 超級電暈環

2、超級電暈環

粉末充電的過程之后，我們可以采取一些措施來影響噴涂結果，使其往我們希望達到的噴涂品質靠攏。超級電暈環（圖2）就是這樣的一個重要部件，作用于影響噴涂效果的因素。除了一些基本的組成：工件、輸送鏈、噴槍、控制器，我們還在工件上連接了一個電流表，同時將另一個電流表連接到了超級電暈環裝置上，如圖3所示。

圖4中的紅色線條描述了在粉末噴涂進行的過程中，自由電子因為有超級電暈環的存在而被帶走，有效規避了其對工件噴涂效果的影響。標注的藍色小點則是被接地中和的自由電子。

圖3 超級電暈環工作原理圖(a)

圖4 超級電暈環工作原理圖(b)

通過測量分析，我們可以看出使用和不使用超級電暈環的區別。在同樣的施工條件下，超級電暈帶走了大量的自由電子。測得的電流值明顯的表現出了差異，甚至達到了10倍之多。原本應該會停留在工件表面的這些過多的電子占據了空間，造成邊框，橘皮等不良效應。超級電暈環的應用意義在于將大量的自由電子帶走，消除橘皮、邊緣過厚等常見的粉末噴涂瑕疵，幫助我們獲得更均勻的涂層效果。當然超級電暈環的使用也會存在一些不適用的場合，這就需要工程師幫助客戶調節來獲得最佳的噴涂結果。

靜電噴涂中還有一個普遍存在的現象，稱之為法拉第效應，即對于一個金屬籠，靜電場是無法穿透的。現實中如果存在小于90°夾角的工件，法拉第效應很大程度上就會影響該工件的上粉率。

屏蔽場會把帶電的粉末顆粒擋在外面，那么這個時候超級電暈環就能彰顯它的效力，從而大大減少飛向工件的自由電子，這意味著法拉第屏蔽的場強也相應地降低了。粉末顆粒得以進入到我們稱之為死角的位置從而取得較滿意的噴涂效果（圖5）。

圖5 法拉第效應

二、靜電粉末噴涂設備

1、噴槍

靜電粉末噴槍是靜電粉末涂裝設備中的重要組成部分，也是粉末涂裝的關鍵設備。回顧整個靜電粉末噴槍發展歷史，1967年，瑞士金馬公司研發出世界第一把靜電粉末噴槍（圖6）。當時，高壓發生器為外置式，體型比較龐大，操作性和靈活性也相對較差。1973年，瑞士金馬公司革命性地將高壓靜電發生器集成到了噴槍的內部（圖7）。

圖6 第一把金馬噴槍

這一突破性的研發，成為了靜電粉末噴涂設備發展歷史上重要的里程碑，沿用至今。

圖7 第一把內置高壓塊的金馬噴槍

前文所提到的法拉第屏蔽效應，會很大影響到復雜工件噴涂的上粉率。但是精準電流充電技術能夠通過高精度的閉環控制十分精確的設置到10μA以下，并且以0.5μA為單位進行調整，電流甚至能控制到1μA以下。該技術能夠有效地針對不同形狀的工件，設定最精確的參數，達到最高的一次性上粉率，并且還能夠有效地克服法拉第屏蔽效應，解決死角位的噴涂，同樣也保證了粉末噴涂的均勻性。

噴槍控制器方面發展至今，也取得了許多技術性的突破。20世紀90年代末，所有靜電噴槍的控制器都采用旋鈕式的控制技術，操作界面非常復雜，并且沒有程序儲存功能。隨著研發的進步，如今控制器都采用數字化的參數控制，屏幕界面采用液晶顯示器，操作方便，并且擁有255組程序儲存功能和自動檢測代碼報錯功能。

數字化閥門控制技術（圖8），其原理是通過數字化步進馬達控制針閥的進退，精準的控制壓縮空氣量的大小，達到最精確的粉末輸出量和最好的噴涂效果。

圖8 數字化閥門控制

2、粉泵

粉泵，與粉末發射器共同應用于噴涂設備。粉泵的主要作用是從大旋風/后過濾系統中回收過噴粉末，并將廢粉重新輸送回新粉添加裝置。第一代粉泵（圖9）的設計與脈沖相關，為了減少脈沖，第一代粉泵配備了2倍延遲工作腔室。目的是保持短時間穩定的出粉率，混合粉末會流經整個粉管的內徑。這種先進的設計理念已經取代了傳統的以重力為工作原理的密相粉泵技術。其優勢為容易自動清理、雙向傳輸、大粉量傳輸。

圖9 第一代粉泵

圖10 最新一代的粉泵采用的是雙腔式擠壓閥技術

最新一代的粉泵采用的是雙腔式擠壓閥技術（圖10），數字化控制，含有自動清理模式、雙向傳輸。粉末輸送能力3.5kg/min至5kg/min，最遠傳輸距離可達25m。同時設計緊湊，便于操作且維修保養十分簡便。其自動清潔模式能適用于快速換色系統，包括金屬粉末和搪瓷粉末。

在粉末傳輸方面，粉末發射器的設計也有了很大的變化。最新設計的135°角粉末發射器能夠更好地提高粉末噴涂時的霧化效果，減少粉末輸送的阻力，降低文丘里管的磨損，提高其使用壽命。

從靜電粉末噴涂最初研發至今，一直有個核心問題:“如何將粉末持續不斷且恒定地傳輸到噴槍?”粉末發射器也在不斷被改進。普通的粉末發射器提供了良好的、持續不斷的分流，粉量易于調節，易于清理，維護成本也較低。其不足之處也顯而易見:粉末傳輸能力受粉管長度影響較大，出粉量大小受文丘里管磨損的影響等。為此，瑞士金馬公司首先將密相閥技術應用到了粉末發射器上，研發了真正意義上的粉泵，用于將粉末傳輸至噴槍。

直排雙腔室的內部結構，利用少量的壓縮空氣結合擠壓閥技術，達到持續穩定的出粉量。大大減少了壓縮空氣的使用量，并提高粉末傳輸效率、延伸傳輸距離。其技術原理為：第一步，先關閉副腔的擠壓閥，使得主腔室變成真空狀態，配合少量的輸送空氣將粉末傳輸到主腔室內。第二步，關閉主腔室的擠壓閥，打開副腔室的擠壓閥，讓粉末傳輸至噴槍。完成整個過程只需0.33秒，也就意味著1秒鐘內，能夠完成3次粉末傳輸的步驟。

密相閥技術的運用，使得粉末傳輸至噴槍的優勢更加明顯：傳輸頻率高、出粉量持續穩定、壓縮空氣消耗少、粉霧柔和，同時配合使用的粉管長達30米。

圖11 粉末發射器與粉泵的易損件使用時間對比

易損件的使用壽命一直都是最終用戶關心的重點之一，如圖11所示，粉末發射器與粉泵的易損件使用時間對比，可以很明顯的看到：粉泵易損件的使用壽命遠超于粉末發射器。同時我們還能看到一個至關重要的方面：表格縱向表示易損件的損壞程度，橫向表示操作時間。由此可以看到，即使在使用750小時后，粉泵的易損件磨損程度仍然遠小于粉末發射器。眾所周知，粉末發射器的易損件為文丘里管，文丘里管的磨損程度直接影響到粉末輸出能力。恒定的粉末輸出量對工件表面的噴涂均勻性起著至關重要的作用。也就是說，粉泵技術能夠保持更穩定的粉末輸出量，達到更好的噴涂效果。

3、供粉中心

供粉中心集粉末回收裝置、自動粉篩和粉末流化功能于一體，主要負責將粉末輸送到噴槍同時通過抽吸管路，自動進行反吹清理和一系列電氣自動化控制。

在粉末涂裝發展的早期階段，粉桶是抽吸粉末和粉末噴涂前進行流化的主要部件。隨著粉末涂裝行業的發展，為滿足大規模涂裝的需求，國內開始在粉桶上增加電磁振蕩或攪拌裝置，但仍然無法有效解決粉末抽吸過程中由于粉末堵塞產生的不出粉等問題。此外，粉末的流化效果不佳或者回收粉末與新粉混合配比不佳都會直接影響噴涂效率和噴涂效果。

特別是近年來，粉末噴涂作業中“多色噴涂”成為了主流，而傳統的粉桶換色需要的清理時間長、換色難度大且換色過程中產生的粉末浪費以及粉末外溢等環境污染問題，引發了噴涂行業對噴涂效率、粉末成本以及環境污染問題的思考。

作為一種新型的智能供粉中心，需要將粉末連續、均勻、可定量地輸送到噴槍，自動實現新粉與回收粉末之間的混合配比并投入循環使用，且整個過程中粉末振動以及流化需要密閉并且安靜，以防止粉末外溢污染和噪聲污染（工作過程噪聲應小于75dB，換色過程噪聲應小于95dB）。

供粉中心需要能夠適應粉袋或采用原包裝粉箱，以便保持流化均勻。供粉中心的智能化發展將體現在能夠識別粉末可用量和具備自動控制新粉添加功能，并具備脈沖式反吹裝置，以確保噴槍與管路的自動清理更為便利和迅捷，尤其是在粉末換色過程中兼顧維護廠房環境。

智能化供粉中心主要配置的特征如下：

⑴粉袋圓錐體或振動平臺能夠支撐25kg粉袋，通過粉管與粉末振動泵來實現粉袋流化。

⑵具備高精度粉末位置檢測裝置，實時檢測粉末的當前位置。

⑶密閉式粉末流化箱和自帶粉篩相互配合使用，能夠支撐6～7kg粉末并滿足24～30把噴槍同時作業。新粉與回收粉能夠按照程序設定比例進行循環使用。

⑷超聲波振動篩可支持不同尺寸的篩網孔徑。

供粉中心采用程序控制，通過觸摸屏操作（圖12），設備作業的實際狀態、報警信息、參數設置、手動或自動操作均可選擇，也可以根據工件的不同設置多項參數。當供粉中心預測粉末不足或無粉時，需要及時發出警報，提醒操作人員進行加粉或更換粉箱，同時能夠記錄系統信息。當系統出現故障或者參數錯誤時，能夠及時顯示故障或警告信息。需要換色時，只需將吸粉管接到粉末回收接口，操作界面按下“粉末回收”鍵，即可簡單實現“一鍵換色”。

圖12 供粉中心的觸摸屏

4、粉末回收系統

與傳統的溶劑型涂料相比，粉末涂料具備可回收利用的優勢。粉末噴涂作業必須控制在一個半封閉的環境中進行，同時對于噴涂作業人員和環境要給予充分考慮。為提高回收系統的效率，相關政策執行力度必須加強。

粉房將整個噴涂工藝包裹在一個相對封閉的環境內，經過精確地計算以及合理的制作加工，粉末在其中不會外溢，不會對環境造成污染，同時可以循環使用。通常的粉房材料有PP、PVC材料等，近年來PP材料因其易燃特點在歐美已被禁止使用。

通常的回收裝置有濾芯式或旋風式兩種形式。濾芯式回收依靠高性能過濾裝置（濾芯），能夠回收使用99%以上的粉末噴涂量，其結構簡單，維護方便。旋風式回收裝置主要在換色粉房系統中使用，由于它能夠帶來較快的換色效率，所以換色需求頻繁的企業一般都會選擇使用旋風式回收裝置。

靜電粉末噴涂工藝中采用的回收方法常見有兩種，即單級回收和雙級回收。單級回收只采用過濾器完成粉末回收，雙級回收是利用旋風分離器與過濾分離器相連接，形成回收系統。單、雙級回收系統由于各具特點，因此應用范圍也有所不同。

一般來說，單級回收系統適用于產品顏色種類少（一般不超過兩種）的企業，在這種情況下，如果能充分滿足客戶對粉末粒度、空氣濕度和溫度方面的要求，則單級回收系統比雙級回收系統具有占地面積小，設備能耗低、粉末利用率高等優點。但是，單級回收系統只有一級回收，因此不可避免存在不少缺點。雙級回收系統則是采用旋風分離裝置與濾芯共同完成粉末回收工作，合格的回收粉末被收集至旋風下的回收粉桶，超微粉則被選送至雙級回收下的收集粉桶。因此具有換色方便，濾芯損耗低和自潔的優點。單、雙級回收系統特點的詳細比較如表1所示。

由于單級回收系統存在諸多缺陷及安全隱患，因此在1995年由勞動部、國家技術監督局頒布的《涂裝作業安全規程—粉末靜電噴涂工藝安全》國標第5-1-3條明確指出：“不宜使用噴粉室與易積聚粉末的單級過濾式回收及交換裝置組合一體的噴涂裝置”。

大旋風即旋風分離器，通過入口結構的設計使得氣流切向進入旋風分離器內并產生旋轉運動。入口一般為矩形截面。氣流在做旋轉運動的同時，沿著分離器的外側空間作向下運動。在分離器的椎體段，內部的氣體緩慢進入分離器內部區域，然后氣體沿椎體中心軸向上運動。由此，錐體內將產生雙漩渦，即沿中心軸向下運動的外漩渦和向上運動的內漩渦。所以，帶有粉末的混合氣體將在旋風分離器內離心力作用下沿邊壁運動，粉末由重力作用向下進入粉末排塵口，隨后凈化氣體從分離器的頂部排出。

從運行的旋風分離器中排出粉末，利用回轉輸送裝置（密相輸送方式），每隔一定時間，將粉末利用空氣從中間管通過輸送軟管輸送到粉末容器。在粉末輸送過程中，在輸送軟管中必須存在一個小的空氣運動，以免發生堵塞。此處一般不建議采用傳統文丘里粉末發射器來傳輸回收粉末，因其結構原理會造成對于旋風內部壓力的改變而影響旋風分離效率。

表1 單、雙級回收系統比較

三、進展

從客戶的實際需求、產業發展、新材料新工藝的成熟應用以及環保法規的要求出發，我們可以預見靜電粉末噴涂設備未來的發展路線以及生產方式的轉型。以往大企業高量產的模式正在悄然變化，利潤降低，成本優勢不再，這也是大勢所趨。但涂裝生產仍然不可缺少，由此產生的噴涂代工需求顯而易見。如果對比國外行業，我們發現國內噴涂代工行業的規模以及水準都相差很遠，絕大部分以手工生產為主，品質和產能都難以保證。而眼前國家控制污染的舉措又把這些低門檻的作坊型企業拒之門外。不過長遠來看，這有利于代工行業的升級換代和未來的健康發展。我們呼吁國家對此增加關注力度并提供政策扶持，讓專業的廠家做專業的工作，減少不必要的浪費和投資，并完善品質和提高效率。

國家從環保角度出發大力發展環保型表面前處理、水性涂料涂裝、粉末涂料涂裝、光固化涂料涂裝和高固體分涂料涂裝等技術，對于粉末噴涂行業來講，這將是一個前所未有的機遇。除了傳統的粉末噴涂領域之外，很多新行業將會由溶劑型油漆轉型到粉末噴涂上來，這個趨勢尤其值得大家關注。