粉末涂料的涂装工艺Word文档格式.docx
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这对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。
因而在介绍一种新型静电涂装方法和装备时,常会误述为在一种新的景点涂装原理指导下获得的新涂装方法。
而象静电云雾室涂装法的原理,同静电喷涂法和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胶冷涂法属于例外。
它是对被涂件需涂粉末的部位喷(刷)胶液,然后喷粉粘附,再热熔融流平成膜。
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。
工件能够在常温下进行粉末涂装,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利用粉末静电涂装技术。
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。
4.2涂装前的表面预处理
4.2.1概述
为了获得优良的涂膜和优异的产品质量,在涂装前对被涂工件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、从被涂工件表面去除各种污垢,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、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、用喷砂方法增加表面的粗糙度。
三、对经过清洗的工件表面进行各种化学处理,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。
4.2.2除油
4.2.2.1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
主要基于机械、乳化、分散、皂化和溶解等作用,去除工件表面的油污。
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。
CH2-OOCRCH2OH
││
CH-OOCR+3NaOH——>
CHOH+3R-COONa
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+H2O
上述两例生成的脂肪酸钠皂(即肥皂)不仅自身具有水溶性,而且也起表面活性剂
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)
11.01
11.12
11.21
11.28
11.34
45℃
11.62
10.77
10.88
10.95
碳酸氢钠
8.61
8.59
8.56
8.55
8.51
8.65
8.63
8.43
60℃
8.70
8.71
8.66
8.53
磷酸三钠
11.49
11.71
11.90
12.08
12.29
10.70
11.17
11.53
12.52
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)
锌
10
黄铜
11.5
铝
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。
它在清洗时主要起与酸性污垢或动植物油脂反应的化学作用,生成水溶性盐或皂化后又起乳化等作用而将油污除去。
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,而使金属被浸蚀,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
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
11.95
3
三聚磷酸钠
9.6
-
4
碳酸钠
11.20
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(界面)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、在采用可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。
表面活性剂清洗法用的清洗剂一般是由多种表面活性剂、各种助剂(如消泡剂、防腐剂等)配制而成。
其清洗性能主要取决于表面活性剂的种类和特性。
常用的表面活性剂种类有:
(1)阴离子型表面活性剂,如肥皂、烷基苯磺硫钠;
(2)阳离子型表面活性剂,如烷基苯磺酸取代胺;
(3)非离子型表面活性剂,如烷基酚聚氧乙烯醚。
金属清洗主要采用阴离子型和非离子型表面活性剂。
4.2.2.2除油方法
除油的方法有浸渍法、喷射法、电解法、超声波法、手工法、有机溶剂法等。
作为涂装前处理最常见的是前两种。
浸渍法要求在较高浓度及温度的工作情况下操作,同时要求有适当的搅拌等机械作用,以明显提高洗净效果。
它可以使用较多的阴离子表面活性剂,喷射法是以较低浓度的清洗液进行强烈喷射,因而不宜采用易起泡的阴离子表面活性剂,可以在较低浓度、较低温度下进行工作,两者的优缺点列于表12-4。
表12-4浸渍法与喷射法的优缺点
浸渍法
喷射法
优点
1、可用于外形复杂、具有封闭内腔的工件,但要注意避免造成气泡和残留清洗液
2、设备结构比较简单,维护工作量较小
3、用于清洗除油时不易生成过多的泡沫,故允许含较多的表面活性剂
1、处理时间较短,处理温度与浓度也可较低
2、由于具有强烈的机械作用,清洗效果较好,磷化膜的结晶也较细致
3、工作环境好,劳动强度低
缺点
1、处理时间较长,处理所需的温度与浓度也较高
2、清洗的效果较差,磷化膜的结晶也较粗
3、工件环境差,劳动强度高
1、不适宜用于封闭内腔的工件
2、维护工作量大
3、容易生成大量泡沫,在清洗除油时,要使用低泡或无泡表面活性剂
喷射清洗法应用广泛,由于设备复杂、工艺要求较高,为保证最好的前处理效果,必须从下几个方面加强管理。
一、加强工艺管理。
严格执行操作规程,每天检查运行状态,时刻观察工艺参数。
禁止工件停滞在设备中,以免生锈。
二、注意水洗质量。
工件在除油等工艺过程中,表面带有残液,若不洗净,影响产品质量。
因此,必须将残液从工件表面上清除掉,称之为水洗(也称漂洗)。
在工业生产中,为了节约用水,水洗用水一般是循环使用的,所以水洗将会逐渐被清洗剂所沾污。
为了减轻污染程度,首先应尽量减少工件夹带清洗液污染下道工序。
另外应考虑多级水洗,一般为二级水洗,有的工艺还使用纯水洗。
后一级水洗用水最大沾污度不超过前一级清洗工件的1/10,这样二级清洗工件的残液浓度仅为原来浓度的1/100。
在添加清洗水时,采用逆流补充,以节约用水。
三、泡沫及其控制。
在金属清洗中,泡沫的产生或消除对前处理工艺是很重要的,一定数量的泡沫对某些处理工艺是有利的(如酸洗)但是和家用清洗剂不同,工业清洗剂的质量并不取决于泡沫的多少,而在强力喷射时,要求清洗剂是低泡的。
否则,批量生产就不能正常进行。
常用的消泡方法有:
加入消泡剂(有机硅类、高级醇类),采用低泡表面活性剂,控制温度,减少空气的混入。
4.2.2.3除油剂的配方
由于单一组分的清洗剂效果差,所以工业生产上很少采用,一般采用多组分、复合型的清洗剂。
因为由强碱、弱酸、弱碱、聚合无机盐、表面活性剂等适当配合而成的复合清洗剂,能有效地发挥各自的洗净特性,因而能显著地提高洗净效率。
尤其是添加少量的表面活性剂后能成倍地提高洗净效率。
清洗剂的配方可根据所清衍的油污种类、工件的材质、清洗方法等因素通过试验确定。
现将黑色金属清洗剂的配方举例列于表12-5,有色金属清洗剂配方列于表12-6。
表12-5黑色金属用碱性清洗剂的配方实例(质量%)
配方序号
5
6
7
8
9
焦磷酸钠
四磷酸钠
原硅酸钠
表面活性剂
32
-
46
16
84
40
50
20
26
15
31
55-30
35-50
10-20
35
80
30
13
60
29
18
36
表12-6有色金属用碱性清洗剂(质量%)
12345
磷酸三钠(结晶)
磷酸三钠(有1个结晶水)
1520152026
50-5035-
----20
3060103036
-102056
51051012
本配方按1.5~6.0g的比例溶解在1L水中使用。
表12-7碱液清洗剂采用二种清洗方法的工艺参数
工序
项目
清洗法
除油
第一次水洗
第二次水洗
时间,min
温度,℃
浓度,g/l
压力,Mpa
3-10
70-90
10-30
0.5-1
常温-50
0.5-2
1-3
50-60
3-5
0.25-0.5
0.08-0.15
4.2.3除锈
4.2.3.1铁锈的组成及去除方法
黑色金属表面的腐蚀产物为氧化皮和铁锈,涂装前必须除净,否则将严重影响涂膜的质量和使用寿命。
氧化皮是黑色金属在热轧过程中发生氧化作用而形成的腐蚀产物,由氧化亚铁(FeO)、四氧化三铁(Fe3O4)、三氧化二铁(Fe2O3)组成。
根据工件的材料厚薄、表面状态、加工的尺寸不同可采用不同的除锈方法,如喷砂法、抛丸法、化学法、手工法等。
表面有油污的制品应先进行除油。
喷砂法是利用压缩空气为动力使石英砂经过特殊的喷嘴,以很大速度喷向工件表面以除去氧化膜的方法,抛丸法是利用机械方法产生的离心力将钢丸抛向工件表面以除去氧化膜的方法,上述2种方法处理的工件可获得均匀粗糙的表面,一般用于铸件钢管或厚钢板除锈。
这类除锈设备一般包括三个系统,即除锈系统、回收系统、除尘系统。
由于其在常规涂装方面应用较少,本节重点讨论化学除锈。
4.2.3.2化学除锈液成分及作用
为了缩短酸洗时间,提高酸洗质量,防止产生过蚀、氢脆及减少酸雾的形成,可在酸洗液中加入各种助剂,如缓蚀剂、润湿剂、消泡剂和增厚剂等。
消泡剂和增厚剂一般仅应用在喷射工艺上。
一、缓蚀剂
在酸洗液中加入少量的缓蚀剂,可以大大减缓金属铁的腐蚀及氢脆现象,而对除锈没有显著影响。
缓蚀剂的作用原理,一般认为缓蚀剂在酸液中能使基体金属表面形成一层吸附膜。
膜的形成是由于金属铁开始和酸接触时就产生下列反应:
阳极区FeFe+++2e阴极区2H++2eH2↑
使金属表面带电,而缓蚀剂是极性分子,带电的金属会将细小而分散的缓蚀剂颗粒吸附在它的表面上形成保护膜,阻止酸与铁继续反应而达到缓蚀的作用。
氧化皮和铁锈不会吸附带有极性的缓蚀剂分子,因为氧化皮和铁锈的表面不会带电荷,因此不能产生吸附膜。
评价各种缓蚀剂的作用,最重要的是确定缓蚀效率,其式为:
W1-W2
缓蚀效率(%)=——————×
100%
W1
式中W1—无缓蚀剂时试样的失重
W2—有缓蚀剂时试样的失重
在一定范围内,酸洗中缓蚀剂的缓蚀效率随加入量的增加而提高,但各种缓蚀剂在各种酸液中的加入量都有一个极限值,效率不再提高。
酸洗温度的升高,缓蚀剂的缓蚀效率降低,甚至会完全失效,每一种缓蚀剂都有一允许的使用温度,并需定期向酸液中补充一定量的缓蚀剂,使其缓蚀效率维持在75%以上。
常用缓蚀剂的特性列于表12-8中。
表12-8各种酸缓蚀剂在酸洗中的使用特性
名称
添加量/ml
缓蚀效率,%
允许使用温
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