用于靜電噴涂的金屬粉體氣力輸送研究

張葆青 王 華

（中國(guó)工程物理研究院流體物理研究所，綿陽 621000）

噴涂是一種使粉末粘附于基體表面的方法。它憑借節(jié)省資源和生產(chǎn)效率高等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于金屬容器的涂裝。目前，我國(guó)在粉末噴涂領(lǐng)域快速發(fā)展，已成為世界上粉末涂料生產(chǎn)量最大、增長(zhǎng)速度最快的國(guó)家[1]。

本文在靜電噴涂微米級(jí)Sn粉的過程中，設(shè)計(jì)了用于金屬粉末噴涂的氣力輸送方案，分析了脈沖吐粉現(xiàn)象的原因，通過調(diào)節(jié)輸送Sn粉的氣體壓力優(yōu)化Sn粉顆粒懸浮穩(wěn)定性，進(jìn)而解決噴涂過程中的脈沖吐粉問題，實(shí)現(xiàn)了Sn微粒的氣力輸送，有助于微米級(jí)Sn粉微粒在06Cr19Ni10不銹鋼基體表面的粘附。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

Sn微粒由中諾新材（北京）科技有限公司提供，純度為99.9%，粒徑主要集中于4～40 μm。實(shí)驗(yàn)所用的錫粉的粒徑分布，如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)所用的錫粉的粒徑分布圖

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

微米級(jí)Sn微粒在06Cr19Ni10不銹鋼工件（Φ124 mm×190 mm）內(nèi)表面的粘附過程，主要分為清洗工件、噴涂表面活性劑（防白水）、噴涂金屬粉末（Sn微粒）以及靜置揮發(fā)4個(gè)部分。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和原理，分別如圖2和圖3所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖3 試驗(yàn)原理圖

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先使用無水乙醇清洗工件的待粘附表面，保證工件的待粘附表面無水、油、灰塵及其他雜物。其次，將工件夾持于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，將防白水均勻噴涂在待噴涂工件表面；再次，使用粉末靜電噴槍將粉末均勻噴涂在圓柱工件的內(nèi)壁；最后，靜置工件，使防白水自然揮發(fā)，得到靜電噴涂成品。

靜電噴涂是實(shí)驗(yàn)過程中的關(guān)鍵步驟。不同于普通噴涂所使用的塑料粉，該實(shí)驗(yàn)中使用的金屬Sn粉密度較大，在輸送管路中極易發(fā)生沉降堆積導(dǎo)致堵塞，難以實(shí)現(xiàn)在噴涂載氣中的穩(wěn)定懸浮。目前尚沒有能較好解決該問題的工藝。

2 分析與討論

氣力輸送是指通過氣流在管道內(nèi)的流動(dòng)來輸送顆粒物料的方法[2-4]。氣力輸送技術(shù)具有設(shè)備簡(jiǎn)單、安全、環(huán)境清潔以及布置靈活等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于能源、化工、醫(yī)藥和食品加工等領(lǐng)域。實(shí)驗(yàn)中的氣力輸送方案如圖4所示。

圖4 氣力輸送方案圖

在氣力輸送過程中，將Sn微粒添加至輸送氣體中的裝置為流化筒。它的三維結(jié)構(gòu)如圖5所示。壓縮空氣通過流化筒底部的氣嘴進(jìn)入流化筒，然后經(jīng)過多孔PE板在流化筒中形成穩(wěn)定的流場(chǎng)，使金屬粉末在流化筒中均勻分散。由伯努利方程可知，當(dāng)載氣從流化筒頂部的管路中快速流過時(shí)，頂部壓力比流化筒中的壓力小，在流化筒中彌散分布的金屬顆粒會(huì)從流化筒吸入送粉管路，形成Sn微粒和載氣的混合流[5]。

圖5 流化筒三維模型

在Sn微粒的靜電噴涂中，輸送氣體的氣壓較小時(shí)，有脈沖吐粉現(xiàn)象發(fā)生，即粉末無法連續(xù)輸出的現(xiàn)象，需要調(diào)大輸送氣體的壓力使粉末連續(xù)輸出。由于金屬粉末濃度和密度較大，在氣體壓力較小時(shí)，氣流流速較低，金屬顆粒易在管道中沉降，造成粉末堆積，從而使噴嘴處出粉量減少。當(dāng)堆積的粉末將管道完全堵塞時(shí)，噴嘴處出粉量將降為零，同時(shí)管道內(nèi)部的壓力迅速升高，最終將堵塞的粉末沖出管道造成吐粉現(xiàn)象。如此反復(fù)，造成脈沖吐粉的問題。當(dāng)調(diào)大氣體壓力時(shí)，氣流流速較快，金屬粉末在管道中不易發(fā)生沉降堆積，脈沖吐粉現(xiàn)象消失。

實(shí)驗(yàn)中通過逐步調(diào)節(jié)氣壓大小觀察是否發(fā)生脈沖吐粉現(xiàn)象，如表1所示。為確保Sn微粒在輸送過程中不發(fā)生沉降和堵塞，最終確定氣壓大小為0.5 MPa。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，取下工件上6個(gè)不同位置的稱重塊，測(cè)量各稱重塊實(shí)驗(yàn)前后的質(zhì)量差。由于各稱重塊形狀大小一致，因此質(zhì)量差即代表了噴涂表面該區(qū)域內(nèi)的沾粉質(zhì)量。使用10 μm的Sn微粒噴涂時(shí)，各稱重塊實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差如表2所示。從表2可以看出，4組實(shí)驗(yàn)均能得到表面沾粉均勻的樣品，且相對(duì)誤差均在±20%以內(nèi)。稱重塊沾粉面密度測(cè)量工裝，如圖6所示。

表1 不同氣壓大小條件下發(fā)生脈沖吐粉現(xiàn)象

表2 10 μm Sn微粒噴涂的相對(duì)誤差（單位：%）

圖6 沾粉面密度測(cè)量工裝

3 結(jié)語

綜上所述，針對(duì)金屬粉末噴涂過程中氣力輸送的難點(diǎn)，提出調(diào)節(jié)氣壓的方法，解決了微米級(jí)Sn微粒在氣力輸送過程中的脈沖吐粉問題。此外，設(shè)計(jì)用于金屬粉末噴涂的氣力輸送方案，實(shí)現(xiàn)了Sn微粒的氣力輸送；分析脈沖吐粉現(xiàn)象的原因，通過調(diào)節(jié)氣壓大小，解決了噴涂穩(wěn)定性的問題，最終實(shí)現(xiàn)10 μm的Sn微粒在06Cr19Ni10不銹鋼基體表面噴涂的面密度誤差在20%以內(nèi)。