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粉末涂料的涂装工艺技术
2.1 流化床涂装
在粉末涂装中流化床涂装工艺的工业化生产较早。表9为流化床涂装工艺的应用领域。
2.1.1 涂装原理
流化床的工作原理是将让均匀分布的空气流通过粉末层，使粉末微粒翻动呈流态化。气流和粉末建立平衡后保持一定的界面高度。将需涂敷的工件预热后放入粉末流化床中浸涂，得到均匀的涂层，最后加热固化（流平）成膜。
流化床是固体流态学的第二阶段，也是比较复杂和难以控制的阶段，固体流态化过程分为三个阶段：固定床阶段、流化床阶段、气流输送阶段。从理性上认识这三个阶段的特点和相互关系，对于掌握流化床涂装技术是很重要的。 （1）固定床阶段
当流体速度很小时，固体粉末颗粒静止不动，流体从粉末颗粒间隙穿过，当流体速度逐渐增大时，固体颗粒位置略有调整，即颗粒间排列方式发生变化，趋向松动的倾向，此时固体颗粒仍保持相互接触，床内粉层高度H与粉末层体积没有变化，这个阶段用图10中的ab段表示。此阶段床内粉层高度并不随流体速度的增大而增加。但是△P却随流体速度的增大而增加，图中W为流体速度，Wkp为临界速度，Wm；在固定床的基础上，继续增大流速W，床层开始膨胀和；流体速度继续增加到某一极限速度时，固体粉末颗粒被；图1H、ΔP与W的关系曲线；2.1.2流化床的均匀性；流化床内粉末流化状态的均匀性是保证涂膜均匀性的关；引起流化床床层不均匀的另一原因是沟流现象（见图2；开始运动，远离孔渠的粉粒则可能仍维持在固定床状态；要均匀
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而增加，图中W为流体速度，Wkp为临界速度，Wmax为极限速度。 （2）流化床阶段
在固定床的基础上，继续增大流速W，床层开始膨胀和松动，床层高度开始增加，每个粉末颗粒均被流体托浮起来，离开原来的位置作一定程度的位移，即进入流化床阶段。随着流体速度的继续增大，粉末运动加剧且做上下翻滚，如同液体加热达到沸点时的沸腾状态。这个阶段用图10中的bc段表示。此时床内粉层膨胀，高度随流体速度的增大而增加，但床内压强并不增大。因此在一个较大范围内变动流速而不影响流体所需的单位功率。这是流化床的特征之一。图1的b点就是固定床与流化床的分界点，称为“临界点”，此时的速度称为“临界速度”。 （3）气流输送阶段
流体速度继续增加到某一极限速度时，固体粉末颗粒被流体从流化床中吹送出来，这个阶段称为气动输送阶段。从图1中c点开始即为此阶段。C点处的速度称为流化床的极限速度。因此在掌握流化床涂装技术时，应当将流体速度保持在临界速度Wkp和极限速度Wmax之间。
2.1.2 流化床的均匀性
流化床内粉末流化状态的均匀性是保证涂膜均匀性的关键因素，当气体流速不太大时，床层比较平稳，若加大流速（即增加流化数）W（W=W/Wkp），床层内粉粒运动加剧，就会出现气泡，气泡随着流化数W的增加由小变大。出现大气泡时粉粒被强烈地搅拌到界面上方，再增大W时，大气泡就可能占据流化床整个截面，这时床层将被割成几段，产生“气截”、“腾涌”等现象，如图2a所示。大气泡猛烈冲击粉粒，当气泡破裂时，粉粒被抛得很高，然后落入床层内。气截现象将引起压强的剧烈波动，并恶化气流与固体粉粒的接触，使压强比正常情况要大。
引起流化床床层不均匀的另一原因是沟流现象（见图2b）。粉末粒度不均匀，细小颗粒容易产生内聚而形成孔渠。气流从孔渠中流过的现象称为“沟流”或“气沟”。沟流现象会使床层趋于不均匀，压强降波动比较大。首先是由孔渠中的小颗粒转入流化，继而两旁粉粒
开始运动，远离孔渠的粉粒则可能仍维持在固定床状态。截面较大的流化床中粉末流态化不均匀主要是由“大气泡”和“沟流”现象引起的。
要均匀控制流化床是比较困难的，流化数必须经过大量试验才能找出最佳值。流化数的确定以能够进行流化床涂敷操作为标准。没有必要苛求绝对均匀。刚开启流化床时，气量给得小一些，随后逐渐增加气量，达到相对均匀就可进行涂装操作了。流化床内粉末的悬浮率最高可达30%～50%。
2.1.3 流化床主要设备
流化床是涂装操作的关键设备。它主要由气室、微孔透气隔板和流化槽三部分组成。图12是较为常见的流化床结构。其特点为：
（1）气室部分采用环形的铜管出风，并在两块多孔的均压板之间夹一层羊毛毡，使上升气流更均匀。
（2）流化槽的槽壁具有1:10的锥度，有利于粉末的均匀流动。为了提高流化槽的空间利用率，流化槽亦可做成矩形或椭园形。
（3）流化槽可用钢板、铝合金板、聚氯乙烯板或有机玻璃板等材料制作。
流化槽底部振动装置机构可使槽内粉末流化更均匀，并并减少粉尘飞扬，称为振动式流化床（如图3所示）。
微孔透气隔板是保障流化床达到均匀流化状态的主要元件，微孔板有微孔陶瓷板、聚乙烯或聚四氟乙烯微孔板。采用环氧粉末和石英砂粘合制作的微孔板机械性能优良。微孔板每平方米的透气量一般为60～100m3/h左右，气孔尺寸在1.6～85μm范围内。
2.1.4 涂装工艺
工件采用流化床工艺涂装所获得的涂膜厚度与以下一些因素有关：被涂工件的材质、工件的热容量、基材的直径或厚度、工件加热温度、工件加热时间、浸粉时间以及粉末涂料的性能（见图4）。
流化床涂装的工艺流程如下：
（1）工件预热
工件预热温度一般比粉末涂料熔化温度高30～60℃。预热温度过高会导致粉末树脂裂解，涂膜产生气泡、焦化、过厚或流挂等现象；预热温度过低会造成涂膜流平不好、不平整，达不到涂膜厚度要求等弊病，热容量大的工件预热温度要偏低一些，热容量小的工件预热温度要偏高一些。
预热后的工件在浸涂时与粉末之间发生热量传递。热量从工件传递给粉末，使粉末温度上升至熔融温度从而粘附在工件表面达到初步流平。该过程传递的热量可用下式计算：
△H= mCp△T
式中：m——粘附于工件上的粉末质量
Cp——粉末的比热
△T——粉末与工件的温差
（2）流化床浸涂
预热后的工件迅速浸入流化槽中，粉末熔融粘附于工件表面，工件沉浸于粉层中应保持运动状态，如转动或水平/垂直方向的移动，这有利于工件的均匀涂装。图5是高密度聚乙烯粉末涂料浸涂时间与涂膜厚度的关系曲线。对于要求涂膜特别厚的工件而言，可以进行多次涂敷，多次涂敷既能保证工件达到所需厚度，又能避免涂层产生气泡，消除针孔等缺陷。造成涂膜不均匀的因素有：
— 粉末流化是由于向上的气流造成的。与液体有本质的不同，因此只要局部气流受阻，
就会出现局部粉末流化状态不好，造成工件上部表面粉末堆积，下部表面涂膜却很薄或不连续，阻挡面积越大这种现象越严重，因此应尽量使工件最小截面垂直浸入床内粉层。
— 工件下部总是先浸入粉层中而又是最后离开粉层，所以工件涂装后总存在着上下部
位涂膜厚度的差异。一般采取工件鄱转180℃涂装以消除涂层的不均匀性。
— 粉末流化不均匀，使槽内各部位的粉末密度不同，也会造成涂膜的不均匀。因而选
择透气均匀的微孔板和采用振动式流化床涂装是非常重要的。
图5 高密度聚乙烯的积粉时间与涂层厚度的关系
（3）加热固化（塑化）
加热固化工序对热固性粉末来讲使树脂获得充分交联聚合；对热塑性粉末而言则进一步流平成膜。图15反映了固化时间对涂膜性能的影响。
图6 固化时间对涂层性能的影响
适用于流化床涂敷的粉末涂料粒径以100～200μm较好，该粒度范围的粉末重量应占粉末总重量的70%～80%。
2.1.5 应用实例
流化床浸涂钢丝的生产工艺过程如图7所示。
图7 钢丝粉末流动浸塑示意图
（1）钢丝表面预处理
预处理包括酸洗、磷化和水洗等工序，磷化效果的好坏对涂膜与钢丝之间的附着力影响
很大（见表10）。
表10的试验条件为：
— 涂装用聚乙烯粉末涂料的熔融指数为0.6g/10min。
— 耐环境应力开裂试验是将涂塑钢丝紧密缠绕10圈，芯径为钢丝直径8倍的弹簧，
将试样浸入纯海鸥洗涤剂中保温25℃，观弹簧圈上涂膜出现开裂的起始时间。 — 耐冲击试验中的冲头曲面半径为300mm。自由下落的高度为100mm。 — 耐滚压试验的速度为15～30mm/s，行和为600mm，一个往复计为一次。 — 涂膜粘结强度试验是将100mm的涂塑钢丝一端留下长15m的涂膜，其余涂膜剥去，
并清除干净，在拉力机上测定把留下的涂膜拨出所需的抽力，再除以涂膜与钢丝的粘结面积。
— 涂膜腐蚀扩展试验是将涂塑钢丝试样的中间部位切开10mm的环形切口，并把涂膜
清除干净，然后弯成U形，将其投入1%的 Na2SO4溶液中，以试样为阴极，在试样和溶液间施加100V的直流电压，并使通过试样的电流恒定为10mA，在室温下试验100h，检查试样切口处涂膜与钢丝间腐蚀扩展的最大距离。
从表10可见钢丝经磷化、钝化处理后涂塑，形成的涂膜粘结力最好，镀锌钢丝的涂膜粘结力次之、镀铜钢丝最差。 （2）钢丝预热
预先加热钢丝使其温度高于涂料熔点，并储存足够热量，以保证粉末涂料的熔融粘附量，钢丝的表面温度按下列经验公式计算：
To=mTk
式中：To—涂塑前钢丝进入流化床时的表面温度；
Tk—粉末涂料的熔融温度；
m—钢丝进入流化床前的降温系数，m值取1.17～1.24。 预热炉气温由下式求得：
Tc=CTo
式中：Tc—钢丝预热炉气温；
To—涂塑前钢丝进入流化床时的表面温度；
C—钢丝规格系数，一般取2.01～2.46。
(3) 钢丝浸塑
预热好的钢丝进入流化床中，流化床内粉末的流动状态应调整到最佳状态并控制好钢丝的线速度，钢丝沉浸于粉层中的时间越长其涂膜越厚。涂膜厚度与钢丝温度和速度等因素的关系可用下式计算：；(T1－T2)tS=C’————ε’M’；式中：S—钢丝表面的涂膜厚度，mm；；C—钢丝规格及速度系数，取2.01～2.46；；T1—钢丝进入流化床的温度，℃；；T2—钢丝从流化床出来的温度，℃；；t—钢丝与流化床中粉末接触的时间，min；；ε’—流化床中粉末的流化状态，g/cm3；M’—流化床透气板的透气率，m3/㎝2；；（4）固（塑）
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关系可用下式计算：
(T1－T2)t S=C’———— ε’M’
式中：S—钢丝表面的涂膜厚度，mm；
C—钢丝规格及速度系数，取2.01～2.46；
T1—钢丝进入流化床的温度，℃；
T2—钢丝从流化床出来的温度，℃；
t—钢丝与流化床中粉末接触的时间，min；
ε’—流化床中粉末的流化状态，g/cm3
M’—流化床透气板的透气率，m3/㎝2；
（4）固（塑）化
钢丝经流化床浸涂后涂膜尚不能完全熔融流平固化，还需进入烘道进行固（塑）化。塑化温度应低于粉末涂料的分解点，温度过高会造成树脂裂解、发黄，过低则塑化流平不充分。不同粉末涂料的塑化温度不同，常用热塑性粉末涂料的塑化温度见表11。