0 引言

當今全球環(huán)境形勢日益嚴峻，推進全球環(huán)境保護刻不容緩。對于涂裝業(yè)來說，更是迫切需求環(huán)保涂料和無公害涂裝工藝。由于粉末涂料幾乎不含VOC，而且回收利用率高，此外，粉末靜電噴涂效果在機械強度、附著力、耐腐蝕、耐老化等方面明顯優(yōu)于噴漆工藝，成本也在同效果的噴漆之下^[1]。目前，在家用電器、機械儀表、廚具、家具、汽車、建筑材料、園林設施、交通設施、管道防腐等諸多領域，粉末靜電涂裝技術的應用仍然處于增長趨勢^[2]。

本文總結了粉末靜電噴涂的原理特點和發(fā)展過程，重點分析了靜電噴涂設備在不同領域的應用功效以及相應的技術特點。

1  粉末靜電噴涂的工作原理與特點

1.1  粉末靜電噴涂的工作原理

粉末靜電噴槍是實現(xiàn)噴涂作業(yè)的重要工具，通過使用噴槍將粉末涂料噴涂到工件表面。具體的工作原理是：靜電粉末噴槍與高壓靜電發(fā)生器相連，當噴槍電極接通高壓靜電后，賦予噴槍端部較高電壓，由噴槍端部針狀電極的電暈放電，使空氣發(fā)生電離。同時粉末涂料由供粉系統(tǒng)中的空氣動力將其輸送至噴槍噴出，霧化的粉末在電暈放電區(qū)捕獲負電荷成為帶電微粒，使粉末涂料顆粒帶上負電荷。待涂工件接地，噴出的粉末涂料與工件之間產生高壓靜電場。在氣流和電場的作用下粉末涂料按照受力的方向飛至待涂工件，受庫倫靜電引力的作用吸附在工件表面，當工件上的粉末積聚到一定厚度時，發(fā)生靜電相斥，粉末便不再堆積。然后再經過加熱熔融、流平固化形成均勻、光滑、平整的涂層，來滿足噴涂要求^[3-5]。

1.2  粉末靜電噴涂的特點

粉末涂料是一種粉末狀無溶劑的涂料，是由特制樹脂、顏填料、固化劑及其他助劑以一定的比例混合，再通過熱擠塑和粉碎過篩等工藝制備而成，總的分為熱固型和熱塑型2類^[6]。該涂料幾乎不含揮發(fā)性有機物VOC，利用率高，固廢物少，回收率高，是一種當之無愧的綠色環(huán)保型涂料；粉末靜電噴涂的優(yōu)勢也很明顯，具體表現(xiàn)如下^[7]：

1）高效節(jié)能性：一次噴涂即可達到所需要的涂膜厚度，厚度均勻且容易控制，相較于傳統(tǒng)的涂裝工藝生產率可提高30%~40% ，能耗降低約30%，減少涂裝次數，節(jié)省工件堆放等待的場地。

2）靈活適應性：大多數粉末涂料都可以采用靜電粉末噴涂法進行噴涂，不受工件形狀大小的限制；也可以同溶劑型涂料或電泳沉積涂料進行混合型涂裝使用。

3）涂膜優(yōu)越性：粉末涂料樹脂的相對分子質量比溶劑型涂料樹脂大，這樣使得涂膜的物理機械性能和耐化學介質性等性能比溶劑型涂料的好，具體表現(xiàn)為其耐酸、堿、鹽腐蝕性要好，附著力高。

4）成品率較高：在未固化前，若工件有需要改善和局部漏噴的地方，可進行二次重噴，直到達到加工要求，成品率遠遠高于傳統(tǒng)的油漆工藝。

5）再利用率高：過噴的粉末可通過設備中的粉末回收系統(tǒng)進行收集并分離，再與新粉混合使用，回收利用率可達98%以上。

6）操作簡單化：粉末噴涂工藝簡單，只需預處理、粉末噴涂、固化等工序便可完成，簡化了傳統(tǒng)的多工序噴涂手段，且操作簡單方便。

7）使用方便性：粉末涂料在常溫下，貯存穩(wěn)定，不需要像溶劑型涂料那樣，隨季節(jié)調節(jié)黏度，也不需要噴涂后放置一段時間，使溶劑揮發(fā)后再進行烘干。只需加熱烘烤熔融固化，即可形成平整光亮的永久性涂膜，達到裝飾和防腐蝕的目的。

2  粉末靜電噴涂應用的發(fā)展歷程及研發(fā)現(xiàn)狀

2.1  國內外研發(fā)史

粉末涂料最早要追溯到1938年，歐洲嘗試研究用金屬火焰噴鍍的方法，將聚乙烯作成塑料粉末用于金屬制件的涂裝。四十年代中期又研究了用塑料粉末涂飾物體表面^[8]。1952年西德Knapsk Grieshein公司的蓋梅爾研究成功流化床涂裝工藝，首先實現(xiàn)了涂料的干法涂裝，使熱塑性粉末的施工工藝實現(xiàn)了工業(yè)化，但因其工藝局限性大，在之后的十年中并沒有得到更大的發(fā)展。1963年法國的Sames公司^[9]研究成功了粉末靜電噴涂技術和相應的噴涂設備，并于1968年在歐洲正式用于工業(yè)生產。自此，粉末涂料才真正進入了粉末涂裝時代。尤其是到了1966年，美國頒布了《66》法規(guī)，開始對具有揮發(fā)性質且污染空氣的涂料溶劑予以限制，而粉末涂料憑借其零揮發(fā)、無污染的優(yōu)勢迅速崛起^[10]。粉末靜電噴涂技術廣泛地應用于大批量的工件生產，隨之建立起粉末靜電噴涂生產流水線和研發(fā)出相對完整的成套設備，世界上各工業(yè)強國也都相繼引入開發(fā)^[11]。

相比于世界各工業(yè)強國，我國的粉末涂料發(fā)展起步較晚。1965年廣州電器科研所成功研制了絕緣型環(huán)氧粉末涂料，并由常州絕緣材料廠生產，在電機轉子和變壓器鐵芯中得到了初步試用。1968上海無線電二十四廠用粉末靜電噴涂技術涂裝儀器設備的外殼獲得成功，由此正式拉開了我國粉末靜電噴涂技術發(fā)展的序幕。我國的“七五”計劃將靜電粉末噴涂工藝作為重點研發(fā)推廣的新技術之一^[12]。某省機械研究所通過借鑒國外八十年代先進的粉末內循環(huán)靜電涂裝設備，采用國產化元、配件研制生產的ZJ系列粉末靜電涂裝設備，基本上達到八十年代國外粉末靜電涂裝設備的水平^[13]。1982年，成都電器廠自主生產的JF-SC-Ⅱ型粉末靜電噴涂設備成套性較好，性能穩(wěn)定^[14]。1985年，北京靜電設備廠和北京農機科學研究院共同研制的SJFP-2型手提式靜電粉末噴涂設備在北京通過部級鑒定，當時在國內達到領先水平^[15]。1990年，浙江大學無線電廠研發(fā)生產的全自動密封循環(huán)回收靜電粉末噴涂設備被列入國家重點新產品項目，設備的自動化程度高，適用于環(huán)氧、聚脂、尼龍和聚乙烯^[16]。

目前，國外已經出現(xiàn)了大量工藝先進、自動化程度高的大型生產線。隨著關鍵技術的突破和國民經濟的快速發(fā)展，我國一躍成為全球最大的粉末涂料生產國和使用國。實現(xiàn)粉末靜電噴涂的自動化、智能化、系列化是必然的發(fā)展趨勢^[17-19]。

2.2  粉末靜電噴涂設備的研發(fā)現(xiàn)狀

2.2.1  粉末噴涂裝置

隨著粉末噴涂越來越廣泛的應用，該領域的研究人員針對不同的應用場合和加工條件研制出多種類的靜電噴涂設備。

噴槍是實現(xiàn)粉末噴涂的重要工具，早年間我國自行研制的SJFP-2手提式噴槍將過去龐大的高壓靜電發(fā)生器微型化后封裝在噴粉槍內，采用低壓輸入，高壓輸出的方式，主要為人工操作^[15]。隨著自動化程度的不斷加深，安裝在移動裝置上的機械臂用噴槍成為形式所需，黃海華^[20]發(fā)明的一種機械臂用粉末靜電噴槍，將靜電發(fā)生器、噴嘴、霧化裝置(電極座、導電卷)集合到一個直槍體上，外部連接管路只需接入供粉管，電源線(低壓)，控制線(低壓)即可使用，提高了整體性能，降低成本，有效避免了現(xiàn)有噴槍中容易出現(xiàn)的靜電泄露、線纜折斷、易打火花等安全隱患。朱先俊等^[21]發(fā)明的靜電噴涂裝置中，在噴涂房的內后側陣列排布多個噴槍裝置，噴槍噴頭內設置有多個沿其周向延生的螺旋出料口，且在噴槍體上設有控制噴頭軸向轉動和上下移動的電機，通過控制噴涂房外的操作臺，可實現(xiàn)對產品點對點噴涂，有效解決了市場上現(xiàn)有噴涂設備容易產生死角，涂膜不均等問題。

粉末靜電噴涂設備主要應用于流水線生產方式，合理的噴涂設備是提高生產效率和保證產品質量的關鍵所在。呼格吉樂等^[22]發(fā)明了一種多色噴涂自動化的設備，流水線上的工件輸送到噴粉桶內進行噴涂，噴粉桶內壁上設置多個噴槍，通過流水線上的顏色識別器與噴槍體上的微處理器相互作用，控制噴槍噴涂相應顏色，有效解決了多顏色噴涂的難題。在鋁型材表面處理領域中，余保平等^[23]發(fā)明了一種立式雙軌噴涂設備，其特點是采用U型噴房，兩排布置相對陣列的噴槍組和M型分布的輸送鏈，通過在U型噴房外設置工件自動轉向裝置，使輸送鏈帶動帶工件兩次在兩排噴槍之間穿行而過，由升降機帶動的兩排噴槍作上下往復運動，達到工件全面的粉末覆蓋效果，有效解決了該領域當前設備生產率低的難題。

粉末噴涂設備中用于帶動噴槍移動的升降機一般是通過電機正反轉來控制噴槍上下移動，設備抖動比較厲害，噴槍噴涂不均勻，粉料浪費嚴重。段舉合等^[24]針對該問題在鏈條傳動件上設置了升降滑塊升、降的換向連接機構，增添了配重組件，用于平衡升降機構的重力，有效減少電機負荷。此外升降機底座配備調節(jié)機構，可調節(jié)升降機與工件的相對位置。楊九林^[25]又在其基礎上進一步改進，增加了噴槍的數量，噴槍連接在活動管上，活動管可以在固定塊上拉伸，使得噴槍的噴射距離更具可調性。

現(xiàn)階段國內外制造出了大量的智能機器人噴涂設備。但是，這類的設備大多需要人工輔助操作，且不能完成較為復雜的操作。韓年珍等^[26]的發(fā)明提供了一種五軸機器人噴涂設備，該噴涂設備包括五軸機器人、工作臺、快接頭、噴涂裝置及控制系統(tǒng)，自動噴槍由快接頭與五軸機器人的一級頭部聯(lián)接，噴涂裝置、五軸機器人分別與控制系統(tǒng)電氣連接。能夠實現(xiàn)智能化操作，節(jié)約人工成本，產品質量穩(wěn)定一致。此外仇云杰等^[27]發(fā)明了一種5自由度混聯(lián)噴涂機器人，包括基礎串聯(lián)運動單元和末端并聯(lián)噴涂作業(yè)單元2個部分。基礎串聯(lián)運動單元具有3個轉動自由度和1個移動自由度；末端并聯(lián)噴涂作業(yè)單元具有由2個移動自由度，該裝置具有易于制造，方便控制，容易實現(xiàn)模塊化等特點。能有效滿足涂裝生產線對噴涂機器人大柔性化、高靈活度和自動化水平高的需求。

2.2.2  噴槍控制系統(tǒng)

噴槍噴涂的工作狀態(tài)決定了產品表面的質量，如何更加有效方便地控制噴槍啟停、運行參數以及避免涂料浪費，也是相關研究人員重點研究的方向。

杰弗里等^[28]發(fā)明了使用集中控制板和噴槍映射的噴涂系統(tǒng)，提供從一集中控制板控制、組織和觀察多個靜電噴槍工作參數的系統(tǒng)和方法，有效解決了多噴槍操作控制難的問題。

現(xiàn)有的多噴槍噴涂系統(tǒng)不能控制單噴槍的分別啟停，且只能對電參數（靜電電壓和靜電電流）進行自動控制，而對氣壓參數（霧化氣壓和流化氣壓）缺少自動控制。李向陽等^[29]發(fā)明一種多噴槍靜電粉末噴涂控制系統(tǒng)，可通過網絡技術實現(xiàn)每支噴槍工作參數獨立配置，通過直接I/O控制技術實現(xiàn)高速啟停時序獨立控制，適應不同噴涂圖案的均勻噴粉。

2.2.3  粉末噴涂回收裝置

粉末噴涂的優(yōu)點之一就是可以回收再利用，過噴粉末回收處理的效果直接影響著涂料的質量和再利用率以及環(huán)境問題。

現(xiàn)有鋁型材噴涂設備中回收的粉末可能夾雜著不同顏色，最終只能當做廢粉處理。余保平等^[30]針對該問題，在噴粉房內設置若干個粉末回收管道，并設置與各粉末回收管道連接的粉末旋風回收筒、回收粉末儲存箱，粉末旋風回收筒外接終端過濾器，粉末旋風回收筒將顆粒較大的粉末，通過旋風作用，回收至回收粉末儲存箱中，顆粒細微的粉末（廢粉）被抽至終端過濾器，終端過濾器將細微粉末劫留，干凈的空氣通過抽風機排出廠房外，節(jié)能環(huán)保，性能更加優(yōu)越。此外過量粉末通過風機吸入，直接回收，不免會摻雜著空氣中的灰塵，導致粉末純度不夠，容易使二次加工的質量下降。席曉峰^[31]發(fā)明一種粉體循環(huán)回收裝置，利用粉末溶解結晶，提取結晶保證粉末純度。

目前市面上的粉末回收裝置粉末外溢嚴重，或因濾芯的破裂導致大量粉末噴向室外。袁仁其等^[32]發(fā)明了一種噴漆室粉末回收裝置，可通過調整風機參數以及設置動壓均流板和排風過濾板結構，提高粉末回收效率，且基本上避免了粉末外溢的現(xiàn)象，另外取消了排向室外的排風風管，徹底杜絕對外界環(huán)境的影響。

2.2.4  供粉系統(tǒng)

    供粉系統(tǒng)起著粉末供給和輸送的作用，是噴涂系統(tǒng)中至關重要的環(huán)節(jié)，影響著噴涂的效率、質量以及整個噴涂系統(tǒng)的正常運行狀態(tài)。

    為了提高噴涂效率，現(xiàn)有技術中大多采用多噴槍噴涂設備，故供粉系統(tǒng)通常在供粉桶上端并列設置多個出料孔，并連接相應的輸粉泵和輸粉管，最終輸送到各噴槍，再輔以噴槍控制器，改變出粉量和粉末的霧化狀態(tài)，實現(xiàn)不同的涂膜厚度，滿足不同產品的需要。根據使用工況和環(huán)境的不同，仍有研究人員對供粉系統(tǒng)不斷進行改進和創(chuàng)新。

針對現(xiàn)有技術中粉末均勻度無法保證的問題。黃立明等^[33]發(fā)明的設備包括涂裝機、壓縮空氣系統(tǒng)和噴涂物料儲罐，涂裝機內設有噴頭機構，壓縮空氣系統(tǒng)連接噴頭機構，噴涂物料儲罐用物料輸送機構連接噴頭機構，還包括氣固混合器。能夠將進入涂裝機的粉末事先進行充分的氣固混合，將大顆粒粉末充分打散成均勻的小顆粒，有效保證了粉末噴出的質量。

傳統(tǒng)粉末噴涂設備的供粉系統(tǒng)固定在設備內部，空間相對封閉，使得供粉系統(tǒng)的粉房不易更換和清洗，會積累大量殘留粉末，容易導致供粉系統(tǒng)堵塞。對此郭有忠等^[34]設置空腔的供粉中心本體以及供粉臺車，利用連桿鉸接方式配備相應的底板，氣缸，可完成供粉臺車與供粉中心的脫離，便于清理維護。此外，供粉臺車上表面并列設置多個出料口與粉泵相接，可供多支噴槍充分噴涂。

現(xiàn)有的供粉中心一般是由氣缸伸縮控制粉泵承載裝置的移動和定位，維護不當，氣缸內容易進粉，無法正常伸縮工作，供粉中心將癱瘓。陳紅兵^[35]取代了原有的氣缸伸縮方式，將粉泵承載機構安裝于移動板上，通過銷孔連接在自上而下的兩根平行定位軸上，定位軸通過固定座安裝在帶有限位孔的固定立柱上，手動推動粉泵承載裝置沿定位軸上下移及固定。

2.2.5  噴粉室

    噴粉室的選材和結構影響著噴涂環(huán)境、快速換色以及粉末回收，故有研究人員在該方面也進行了研究并給出合理的解決方案。

之前的噴粉室一種是由金屬材料制成的，粉末吸附嚴重；另一種全部由工程塑料制造，強度差，噴涂室易損壞。針對以上不足，柯儒群^[36]將頂壁和側壁換成中間空心的夾層工程塑料，噴粉室的底部是由兩側絕緣的傾斜部和中間金屬材料制成的底壁組合而成，且在頂壁與側壁之間采用圓角過渡，使噴粉室里面過噴的粉末不容易沉積在轉角處。

針對中小企業(yè)無力承擔大型噴涂流水線設備而只能在工房內敞開的環(huán)境中噴涂的問題，李長練等^[37]提出一種價格低、占地面積小、具有完全防止粉末擴散和粉末回收功能的靜電粉末噴室。噴涂室上設有粉末首次和粉末二次回收裝置，粉末首次回收裝置設在噴涂室的側面；粉末二次回收裝置的風道通過空氣過濾管道與粉末二次回收室聯(lián)接。

3  應用前景及研究方向

隨著原材料、生產設備、檢測儀器、噴涂設備等的開發(fā)日漸成熟和完善，粉末靜電噴涂技術得到越來越廣的應用和發(fā)展，無論在品種、數量、質量、應用和人們的認識上都有大的飛躍^[38]。

在金屬制品快速推廣應用粉末涂裝技術的同時，人們也開始關注這項新技術在中（高）密度纖維人造板（MDF）等熱敏性制品上的應用^[39]。MDF粉末涂裝作為新興的研究領域，已經開始投入商業(yè)生產應用，為市場提供了綠色環(huán)保的新型家具產品，是粉末涂裝技術又一次飛躍發(fā)展的開始^[40-41]。一直以來，粉末噴涂在工程機械應用領域的技術比較匱乏且落后，其原因是工程機械零部件尺寸較大、結構復雜；設備投資大，成本代價較高；粉末涂料品種不全；粉末噴涂的工藝技術局限性大^[42-43]。但工程機械在工業(yè)建設、國防建設、基礎建設中有著不可替代的地位和發(fā)揮著重要的作用，作為制造業(yè)的重要組成部分，其制造方式的進步對發(fā)展綠色循環(huán)經濟，降低資源能源消耗、減少“三廢”排放，降低對生態(tài)環(huán)境的影響起著重要的推動作用。因此大力發(fā)展工程機械綠色制造技術，粉末涂裝對其的應用成為必然趨勢^[44-45]。

粉末噴涂依然存在著較多的問題，諸如：粉末涂料在有特定需求的時候不能迅速換色；粉末涂料在工件的邊角上粉不均勻；粉末涂料難以獲得超薄膜層；粉末涂料所需固化溫度高，耗能大；在個別中小企業(yè)的粉末涂料施工現(xiàn)場，粉塵濃度過高時可能存在粉塵著火爆炸的危險等^[46]。

總體來說，粉末靜電噴涂技術及其設備日趨完善成熟，也必然向著更加先進的自動化、智能化、低能耗、低污染邁進。