靜電原理

靜電理論

靜電涂裝工藝起源于20世紀50年代初。涂裝工程師們需要一種可以大大提高傳輸效率，降低加工成本的應用方法。他們的理由是同性顆粒及物體互相排斥，而異性的物質則會相互吸引。這同樣適用于已帶電荷的噴涂涂料以及將被噴涂的部件。他們發現含負電的霧化涂料粒子以及含正電的將被噴涂的工件（或接地）會形成一個靜電場，將涂料微粒吸附到工件表面上。（見圖1）。

對于典型的靜電噴槍，靜電電極則位于霧化器的頂部。該電極通過電源接收電荷。當涂料經過電極時會被霧化，從而涂料顆粒會帶電（吸附額外電子形成負電荷）。

電極和接地的工件之間將形成一個靜電場。帶負電荷的涂料粒子將被吸附到中性地面。隨著顆粒沉積到工件上，電荷將消失并通過地面返回至電源，從而形成電路。這一工藝體現了較高的轉換效率。大部分被霧化的涂料將被吸附到零件上。

靜電力對涂料顆粒的路徑的影響程度到底有多大取決于它們的大小，移動的速度以及噴房內的其他力量，如重力和氣流。高速噴射大顆粒會產生很大的動力，這降低了靜電力的影響。粒子的方向慣性力可能比靜電場產生的更大。增加粒子的動力對噴涂復雜的表面是有利的，因為這一動力能夠克服法拉第籠效應——帶電粒子僅傾向于沉積在腔體入口周圍。（見圖2）。

另一方面，速度低的小的噴涂粒子有動力相對較低，靜電力則可以將其吸附到工件上。這種情況適用于簡單的表面處理，但它被法拉第籠問題所接受。靜電系統應平衡粒子的速度和靜電電壓以優化涂料的傳輸效率。

靜電優勢

靜電噴涂系統所帶來最大裨益是傳輸效率。在某些應用中，靜電旋杯可以達到超過90％的傳輸效率。這種高效率的傳輸將大大節省成本，因為它減少了超范圍的噴涂。有種靜電噴涂的現象被稱為“包覆”，它可以使某些經過工件的涂料顆粒被吸附到該工件背面，這進一步提高了傳輸效率。

提高了的傳輸效率也降低了揮發性有機化合物（VOC）的排放量及危險廢物的處理成本。噴漆室的清理和維護也將減少。

涂料應用

任何可霧化的材料都可以接受靜電電荷。低、中、高固體含量的溶劑型涂料、搪瓷、漆和雙組分涂料都可應用于靜電中。

不同類型的靜電系統可采用各類涂料，不論其導電性。水性和金屬涂料具有高的導電性。溶劑型涂料往往是不導電的。任何金屬涂料包含導電的金屬顆粒。這些金屬涂料必須保持流通，以防止在進料線中短路。隨著高電壓被導入系統中，金屬顆粒將會成隊形成一個導電路徑。因為涂料的導電性，系統可能需要改進以防止電荷接地（見圖3）。

靜電安全操作

如果設備保養得當并遵守安全工序，靜電噴涂是安全的。在工作區中的所有物體必須接地，包括噴房、輸送機、零部件支架、應用設備（除非使用導電/水性涂料）及噴涂操作者。

當電荷與未接地的組分接觸時會被吸附并沉積。這就是所謂的電容電荷的沉積。這最終會形成足夠的電荷，以致未接地的物體在離地面一定距離時會瞬間放電。這種瞬間放電足以點燃噴涂區內存在的可燃氣體和煙霧。

接地工人不會及時知道電容電荷已被吸附。工人不應穿磨損橡膠或軟木底鞋，它們會形成不接地的電容器。可穿特制的接地鞋。如果工人使用手持式噴槍，他們應該徒手掌握或用露出指尖和手掌的手套，以充分接觸皮膚。

使所有不用于高壓工藝中的設備保持正確的接地是必不可少的。接地帶應附帶在設備上并連接至大家所知的地面。快速檢查所有設備，包括輸送機和部件支架等可以發現不正確的接地。良好的內務管理會帶來裨益。去除部件支架上沉積的涂料以便確保工件接地。不接地的物體，如工具和容器，應移出加工區域。

涂料顆粒的充電

涂料顆粒的靜電充電在20世紀50年代早期就已開始。工程師們正在尋找方法來降低產品加工的成本。靜電工藝的發明者Harold Ransburg的理由是異性電荷互相吸引，同樣的理念也適用于帶電粒子和即將被噴涂的部件。

每個人都聽到他說：“異性相吸，同性相斥。”這對于磁場及帶電涂料顆粒的靜電工藝而言是真實的。

靜電工藝與磁鐵的工作方式幾乎相同。通過在帶負電的涂料粒子和帶正電的接地工件之間形成一個靜電場，將涂料顆粒吸附到工件上并沉積。積聚電能的基礎是帶電粒子。所有的物質都是由帶電粒子制成的。這些顆粒要么是中性的，要么是負電或正電。

在顆粒充電成立之初，被稱為頭號工藝的是由Harold Ransburg開發的為涂料顆粒充電的制程。涂料顆粒通過常規的空氣噴槍被噴入一個靜電場，形成兩條以一定的距離排開的平行線網，然后部件將會被輸送入這些電網中。在電網的一個末端，被霧化的涂料顆粒被噴入靜電場。涂料顆粒將會變成帶負電的粒子，并被吸附到帶正電的接地部件上。

現在這些線網成為靜電噴槍的電極絲。三種最常見的為涂料顆粒充電方式包括靜電噴槍、旋杯或旋盤。

這三種方法采用的是相同的工作原理，即在霧化器和工件之間形成靜電場，然后將涂料霧化顆粒噴入該靜電場，它們將被吸附并沉積到帶正電的接地工件上。

采用空氣噴槍或HVLP靜電噴槍，高電壓直流電將被供給到操作者的噴嘴電極中，噴槍和接地物體之間則會形成一個靜電場（見圖4）。涂料將在霧化點被充電。這種靜電充電可使涂料顆粒更高效，更均衡地吸附到產品的前后、側面及邊緣。靜電力也可使帶電涂料顆粒以高的比例沉積到工件上。

該靜電工藝也可采用無氣及空氣輔助無氣靜電噴槍對涂料顆粒進行充電。唯一的區別是涂料是由不同的方法被霧化。空氣噴槍或HVLP靜電噴槍利用較低的空氣壓力霧化涂料，而無氣或空氣輔助無氣噴涂方法使用的壓力高得多。涂料在高壓下被運輸到霧化器中，材料通過非常小的孔在高壓下被霧化。當使用靜電噴槍或HVLP靜電時，其產生的細水霧顆粒會被靜電充電，然后以同樣的方式被吸附到工件上。

今天，旋杯噴頭直徑一般約1至3英寸，旋盤的直徑約為6至12英寸。這些霧化器采用同樣的工作原理，只是它們被定位在工件的不同位置。旋杯是沿軸水平置于工件上，而旋盤是垂直放置。

旋盤或旋杯會將薄而均勻的涂料散布到霧化器的邊緣。此處的涂料通過靜電力或離心力被霧化。低速的旋轉霧化器幾乎運用所有的靜電力，高速的旋轉霧化器則依賴于霧化器的離心力來霧化涂料。然后直流高壓電會供給至旋轉霧化器，在其與接地的目標物體之間形成一個靜電場。帶負電荷的粒子被吸附并沉積到帶正電的接地工件中。帶電顆粒接地目標物體之間的力量足以使周圍正常的超范圍噴涂物沉積到目標物體的背面，因此，噴涂顆粒會以非常高的比例沉積在零件上。

在靜電噴涂材料時，涂料的電阻率，通常稱為傳導率，是至關重要的。水性材料的導電性非常好；因此必須采取電壓閉鎖裝置、外部充電探針或完全隔離液體供給和液體生產線等方式，否則噴涂顆粒將無法保持靜電充電。由于水性材料電阻低，所有的靜電電壓會流失至地面，導致系統供給不足。如未使用上述任意一種方法，噴涂顆粒將無法負載靜電。

溶劑型材料的噴涂電阻率因材料而異。當靜電噴涂溶劑型涂料時，測量及監控正在被噴涂的涂料的電阻是非常重要的。導電性強的材料（電阻非常低，通常被稱為“活性材料”），靜電電壓會部分甚至全部流失至地面。這將大大減少其對噴涂顆粒的靜電作用。另一方面，當使用電阻非常高的材料，通常被稱為“惰性材料”時，噴涂顆粒不易接受靜電電荷，傳輸效率會很差。

涂料供應商在特定的電阻率范圍內可以很容易地制定溶劑型材料。最佳電阻可能因應用中所使用的不同工具而有所不同。例如，使用靜電旋盤或靜電旋杯，（蘭氏）噴涂電阻率計顯示的最佳電阻率范圍為0.05和1兆歐。但是靜電噴槍可以在0.1～00兆歐的電阻下有效地噴涂涂料。

另一個例子是位居第二的工藝——現場靜電噴槍。該噴槍需要一個更精確的涂料電阻率，因為它僅依靠靜電電荷霧化涂料。在（蘭氏）噴涂測試儀顯示0.1至1兆歐之間時，該噴槍與其使用的涂料才能夠正常工作。

靜電工藝或噴涂顆粒充電中的另一個關鍵因素是顆粒的大小。高速噴射的大顆粒具有較大的動力，可減少靜電力。在噴涂復雜表面時，增大的顆粒尺寸將成為一種優勢，因為其動力可以克服法拉第籠區域（涂料顆粒被吸附到工件邊緣的同時還可避免內菱角和凹區）。

另一方面，低速噴涂的小噴涂顆粒動力較低，從而靜電力可將涂料吸附到目標對象上。這種情況適用于簡單的表面噴涂，但可被法拉第籠問題所接受。

靜電工藝/設備

開發霧化材料的靜電應用以提高加工質量和傳輸效率（見圖5）。

目前，噴涂應用中有七種類型的靜電工藝：

空氣靜電霧化
高容量、低壓力（HVLP）靜電霧化
無氣靜電霧化
空氣靜電輔助式無氣噴槍霧化
靜電純電法霧化
靜電旋杯式霧化
靜電旋盤式霧化

無論何種靜電處理系統都有其優勢和局限性。適合于某種情況的方法可能并不適合其他情況（參見表I）。

空氣靜電噴涂霧化

空氣靜電噴涂使用一個含有小型精密開口的氣孔將壓縮空氣射入涂料中達到最優霧化。空氣靜電噴槍霧化因其可控性及多功能性，已成為現今行業中應用最廣泛的一種方法。空氣靜電噴槍可提供很高的轉化效率，它利用靜電電荷使涂料包覆邊緣附近區域并捕捉過噴的浪費了的涂料。標準的空氣靜電噴涂根據不同類型的材料和應用可提供40至90％的轉移效率。

HVLP靜電噴涂霧化

HVLP靜電噴涂和空氣靜電噴涂技術利用相同的霧化特性，僅是稍作修改。當使用氣動HVLP時，氣孔內的壓縮空氣的壓力必須降至0.1到10磅之間。當使用HVLP噴涂降低顆粒速度及霧化材料時轉換效率會更高，從而帶來更少的廢物及材料的竄漏。有些靜電設備通過簡單地改變四個部件可以很容易地在空氣噴涂和HVLP噴涂技術之間轉換。HVLP的噴涂技術可滿足需嚴格減少VOC的EPA規范。HVLP靜電噴涂根據不同類型的材料和應用可以提供60至90％的轉移效率。

無氣靜電噴涂霧化

無氣靜電噴涂技術利用高壓流體（500-5,000磅）的原理，通過一個非常小的流體噴嘴完成霧化。噴涂圖案的大小和形狀以及噴液質量受噴嘴控制。無氣噴涂技術在空氣噴涂之后得以發展，以幫助在大型部件上運用更高的到達率及粘度達到更快的應用速度。

空氣輔助式無氣靜電噴涂霧化

空氣輔助式無氣靜電噴涂技術采用無氣噴涂原理在壓力降低的情況下霧化流體，并利用輔助霧化空氣減少圖案尾料并達到更佳的圖形效果。空氣輔助無氣噴涂技術可以提供無氣噴涂和空氣噴涂所達到的令人滿意的一些特征。這些理想的特點包括中等偏高的到達率，可在低速及高轉換效率下達到低粘度的噴涂能力。

純電法靜電霧化

純電法靜電霧化通過在噴槍的一端使用一個旋杯均勻將涂料涂于杯的邊緣。當涂料到達杯的邊緣就會負載上電荷。尖銳邊緣的電荷（約100千伏）會在中等的電荷電阻范圍（0.1至1兆歐）內使涂料顆粒噴涂至產品上。純電法是一種比空氣噴涂或空氣輔助無氣噴涂技術略為緩慢的工藝過程，并且旋杯霧化狀態需要旋杯式噴涂技術，不過它是現今同行業中轉化效率最高的噴槍工藝。噴流型超軟的前進速度可使大部分產品的轉換效率幾乎達到100％。

這種高轉換效率在某種程度上促進了噴涂和翻新機械及家具行業的發展。

旋杯式靜電霧化

旋杯式靜電霧化器利用一個含離心力及靜電霧化的高速旋杯來霧化材料并高效地將材料從杯的邊緣運輸至被噴涂的目標物體上（見圖6）。杯被用于渦輪發動機上，并在杯口的邊緣導入壓縮空氣來控制圖案。壓縮空氣將推動材料的前進速度，以幫助其滲透到凹陷區域。旋杯通常被固定安裝或直接在輸送機上往復地涂覆產品。旋杯也可置于輸送機的兩側。旋杯式霧化可提供70至95％的轉移效率。

旋盤式靜電霧化

旋盤式靜電霧化器是一種利用離心力及電霧化的高速旋轉霧化器來霧化涂料并高效地將材料從盤的邊緣傳輸至被噴涂的目標物體上。旋盤在一個封閉的Ω形環中涂覆產品（見圖7）。旋盤可固定安裝并傾斜（高達45度） 12英寸或以下的小配件，或安裝到往復式機臂上噴涂40英尺高4英寸寬的部件。旋盤產生的轉移效率達80至95％。

水性靜電

在過去的幾年中，政府法規對噴涂應用工廠中釋放的揮發性有機化合物的排放量的要求推動了涂料制造商們降低其涂料中的揮發性有機化合物含量。水性涂料已出現多年，但更為嚴格的政府法規推動了它們在今天處理行業中的發展勢頭。目前許多溶劑型涂料用戶被迫做出更符合未來的涂裝發展的涂裝方式的改變并努力利用其現有處理設備利用水性涂料。

盡管這些水性涂料的應用基本上與溶劑型涂料一樣，但必須考慮許多因素。我的系統組件是否與水性材料兼容？許多合金和金屬在與水性材料接觸一段時間后會生銹或被腐蝕，因此，您必須確保水泵、閥門、管道及構建材料的霧化器等與水性涂料兼容，如316不銹鋼或聚四氟乙烯。

同時還需做出如下決定：系統如何與經過水性溶液供給中接地返回的高電壓相隔離。水是電的良導體，所有與水性物質接觸的組件都帶有高電壓。這包括所有的霧化器、供液軟管、泵、穩壓器、閥門和流體供給本身。

在今天的處理環境中，水性材料必須安全隔離。這將通過以下項目得以完成：（1）完整的系統隔離;（2）電壓阻斷裝置;或（3）涂料的間接充電。

完全系統隔離

完全系統隔離是將供給的水性流體與高電壓相隔離最常用的方法。這種低技術含量的方法已存在數十年（見圖3）。

在一個隔離的系統中，接觸到水性材料的所有組件必須與任何有可能接地的情況隔絕。供給的液體必須置于封閉的區域，如桶、鼓形圓桶或隔絕的工作臺上。這些密閉載體必須配備安全聯鎖裝置。當操作者打開入口進入其間時，氣動接地棒必須使高電壓接地。這確保了操作者不會接觸帶電的水性液。此外，隔離臺的一條支柱需安裝一個1,050兆歐的泄放電阻器并連接到地面，這樣，當關閉高電壓時電壓可以及時釋放至地面。

盡管事實證明，這些已確定的水性系統可有安全聯鎖裝置和泄放電阻器，但不可由此斷定所有的高電壓已釋放至地面。在接觸任何潮濕系統的組件前，始終需要一個輔助接地線并連接所有系統組件，以確保該系統的電壓可完全釋放。如果不這樣做，可能會給操作者帶來沖擊。

若未使整個系統與地面正確地隔離可能會導致短路情況發生。這可能會導致部分或全部的高電壓釋放至地面。這會大大降低靜電的影響，并導致轉換效率不佳。例如：供液容器離地面太近，供液膠管可能會使該系統完全短路或對電力供應帶來更高負荷（顯示高微安），這反過來會降低噴頭的實際電壓，并會大大降低傳輸效率。

除了使所有的設備保持隔離狀態，供液的籠子必須與應用設備保持相對較近的距離。這可能會占用大量的地面空間。在許多情況下，可能并沒有足夠的用地面積用于供液。在許多廠房設施中，建筑面積極其寶貴，一旦失去可能無力承擔。

外接充電（材料間接充電）

水性涂料的外部充電可使供液接地。供液范圍可保持不變，因為它是為溶劑型涂料配置。由于涂料顆粒是外部充電，或如人們所說的“間接充電”，高電壓可不遵循從液體生產線至地面的導電路徑。

該材料的間接充電是由一個離噴槍電極幾英寸遠的帶有高電壓的探測器來完成。該探針產生的靜電場可對涂料顆粒進行充電而不用直接接觸水性材料。因此，高電壓無需沿著導電路徑回到溶液生產線。

自動噴頭，如旋轉式霧化器的一環探頭（6-8）大約置于噴頭周圍幾英寸遠，并遠離旋杯。這種配置通常被稱為“導電涂料靜電噴涂（即COPES-CO nductive P aint E lectrostatic S pray）”環。許多美國的汽車裝配廠已改用水性涂料，導電涂料靜電噴涂旋杯已經被汽車市場廣泛接受。利用導電涂料靜電噴涂技術可以在十秒內實現換色。

不幸的是，在靜電噴涂水性材料的這三種常用方法中，外部或間接充電方式的效率是最低的。電壓閉鎖及隔離系統已被證明可以提供更高的傳輸效率。

電壓閉鎖

近年來，隨著電壓閉鎖設備的發展，水性涂料的應用已經變得越來越簡單與安全。

電壓閉鎖裝置可以隔離噴頭與接地供液。這可以防止高電壓順著導電路徑流經溶液生產線至地面供液及釋放系統高電壓。

這些裝置可用于供給手動和自動噴涂噴頭。采用手動噴槍時，單個電壓閉鎖裝置僅可供給一個噴頭。但是若采用自動噴頭，電壓閉鎖裝置則可以供給多種應用。這是由于當連接閉鎖裝置時，所有的噴頭都會通過他們的溶液生產線反被充電。

電壓閉鎖裝置免除了安全籠和聯動裝置的需要，并防止噴頭與帶電供液相接觸。同時還消除了其對隔離臺的需求以及供液與地面的隔離。

它現在是一個接地供液站，并大量地節省了空間。

總結

上述三種水性涂料的靜電噴涂都有各有優劣。終端用戶必須確定哪種方法最適合他們的應用。電壓閉鎖是最簡單的，可用于任何類型的供液，但成本有時會成為決策者選擇時所需考慮的一大因素。

大多數情況下隔離系統更為便宜，但占用了大量寶貴的地面空間。隔離系統同時也是最不安全的，而且當您的供液系統是遠程噴房時可能就不切實際。

雖然間接充電可能是上述討論的三種方法中效率最低的，但它在一些應用中可能最為實用。例如，汽車裝配工廠可能需要一個大型噴房或快速換色。電壓閉鎖和隔離系統已被證明可以提供更高的傳輸效率。

塑膠及其他絕緣襯底的靜電工藝

使用靜電的理想基材是金屬，因為在靜電噴涂中唯一需要做的是給產品連接一條地線，但是，當您嘗試靜電噴涂絕緣的基材如塑料時，則必須使它變為導體。現今已有多種方式涂覆部件或使其導電。最常見的有：

1.為接地金屬建立一個支架，并將絕緣部件置于噴頭和導電夾具之間。（帶電顆粒將會觸地并被吸附到被噴涂的部件上。采用這種技術的實例是噴涂織物、紙或其他薄的結構。）

2.某些材料加熱后會變為導體，如玻璃、橡膠制品以及一些塑料可加熱至其變為導體，當其變熱后可靜電噴涂。

3.所有絕緣體，如木材、橡膠、塑料和玻璃，也可能被視為化學增敏劑。這些都是一般的吸濕化學品，可以將水分吸附到產品表面并產生導電性。可通過浸漬、擦拭、噴涂或噴霧來控制增敏劑的濃度。處理后，將部件暴露在足夠潮濕的環境中時可變為導體，如潮濕的室中或高濕度環境（相對濕度70％時）。敏化劑是非成膜的液體。

4. 使部件導電的另一個方法是使用一種導電底漆。導電底漆可通過傳統方式應用于襯底，從而使面漆被靜電噴涂。導電底漆可噴涂、浸鍍、流涂或模壓。

使絕緣部件更易于靜電充電的原因是為了以最低的成本，使用最高效的工藝達到最高質量。

采用靜電工藝可實現這些優點。

節省成本

轉移效率/節省涂料

使用靜電設備可以節約成本已在許多不同領域得以實現。最明顯的節省之處是涂料的用量。隨著高的固體含量，多組分及基底/清洗處理的增加，為這些涂料支付每加侖100美元的費用是不切實際的。考慮到這一成本，盡可能將涂料高效地應用于產品中是至關重要的。傳統的空氣噴槍中噴出的涂料大約有15%-40%會應用于部件。這就是所謂的轉換效率。余下的60%至85％則損耗在過濾器或地板及墻壁中的超范圍噴涂中。傳統的HVLP噴槍比傳統的空氣噴槍效率要高。HVLP噴槍通常可產生30%-60％的轉換效率。

靜電噴槍可以獲得更大的傳輸效率。空氣靜電噴槍一般可獲得40至80％的轉換效率。這意味著在所提供的涂料相同的情況下，空氣靜電噴槍與非空氣靜電噴槍相比之下可為許多部件提供兩次噴涂。正如非空氣靜電噴槍，HVLP技術顯著地提高了傳輸效率。HVLP靜電技術同樣如此。在某些情況下，HVLP靜電已獲得高達90％的效率。

通常情況下，費用的合理性僅來源于節約的涂料成本。所節約的成本通常足以購買靜電噴頭。表II顯示了略微提高傳輸效率后節省的涂料的成本數據。

VOC減量

另一個節約的領域是減排。隨著聯邦及地方法規變得日益嚴苛，VOC（揮發性有機化合物）的排放已成為主要議題。我們正不斷努力地減少排放到大氣中的揮發性有機物含量。通過提高轉移效率來降低VOC的排放（見圖8）。這是將更多的涂料涂覆在部件上，而少部分沉積于噴涂過濾器或大氣中的結果。

美國的許多州，如加利福尼亞州，現在要求人們要么使用HVLP或靜電技術以獲得安裝新噴涂室的許可。制造工廠允許排放的揮發性有機物每年都會指定含量（以噸來計）。如超過噸位限制，將予以重罰，罰款可能高達數千美元。迫于這些法律，許多公司紛紛投資靜電噴涂設備，以遵循揮發性有機化合物規章。

降低維護成本

如前所述，當轉移效率增加時，沉積于噴房中的超范圍噴涂將會減少。這意味著以前需要每周清洗和更換過濾器的噴房現在僅需要每兩周維護一次。

以前每月水洗噴房需消耗55加侖的化學品，而現在僅需30加侖。不僅購買這些材料的成本降低了，而且處理它們的成本也相應降低。骯臟的噴房過濾器和被污染的水通常必須作為危險廢物來處置。

近年來，處理危險廢物的相關成本迅速飆升。不僅是直接成本有所降低，如過濾器、化學品和處置的費用（見表III），同時勞力方面的間接成本也有所降低，因為噴房的維護每周平均消耗僅8個工時。

優質涂覆/改進質量

靜電噴涂除了可以節約成本還有很多其他好處。靜電包覆有助于減少應用時間。帶電的涂料顆粒可以改變方向，當從一個方向進行噴涂時，可在零件頂部、底部及側面沉積。根據零部件的尺寸和配置，這種包覆方式足以一次性地涂覆所有產品，省去了額外的傳輸需要。

當使用非靜電噴槍時，您需將噴槍指向每個需要噴涂的區域，如果你錯過了某個特殊角度，那么它就無法被噴涂。當采用靜電噴頭時，包覆式的噴涂可產生涂層更均勻的成品。統一的處理使不少生產廠方得到更低的次品率。當現場翻新家具或設備時，如不采用靜電噴漆設備，幾乎無法進行。(end)