Нанесение порошковых покрытий в электрическом поле

Процесс нанесения порошковых полимерных материалов в электрическом поле заключается в зарядке частиц порошка, переносе их потоками воз­духа к напыляемому изделию, осаждению частиц под действием электриче­ского поля на поверхность изделия и оплавлении слоя порошка в электропечах с образованием сплошного полимерного покрытия на поверхности изделия.

Существует два варианта устройств для нанесения порошковых полимерных покрытий в электрическом поле: 1) с помощью распылителей; 2) с по­мощью камер с электрическим кипящим слоем.

При нанесении покрытий распылителем порошковый материал забирается из загрузочного бункера дозирующим эжектором и во взвешенном со­стоянии в потоке воздуха по гибкому трубопроводу подается к распылителю, который выполняет две функции: 1) формирует порошковое облако вокруг из­делия; 2) осуществляет зарядку частиц порошка.

Электропневмораспылители подразделяются на две группы: с внутрен­ней и внешней зарядкой.

Если частицы приобретают избыточный заряд внутри корпуса распыли­теля, то он называется распылителем с внутренней зарядкой. Зарядка может осуществляться как в поле коронного разряда, создаваемого внутри корпуса распылителя, так и путем статической электризации частиц порошка при трении о внутренние стенки полостей в корпусе распылителя (трибоэлектриче-ский распылитель).

Если зарядка частиц порошка осуществляется в поле коронного разряда, создаваемого между коронирующими электродами, расположенными в облас­ти выходного сопла распылителя, и заземленным изделием, то такое устройст­во называется распылителем с внешней зарядкой.

Интенсивность процесса осаждения обычно характеризуется величиной плотности потока массы порошка F:

(6.1)

где т - масса порошка на поверхности площади S; t — время напыления.

По мере нарастания толщины слоя на поверхности изделия напряжен­ность электрического поля в слое возрастает до пробивных значений .E_np₀6, и возникает обратная корона через время t_0K после начала процесса напыления порошка на изделие. После этого плотность потока осаждающихся частиц F

начинает падать, а ток коронного разряда возрастает. Плотность потока частиц порошка в начальный момент времени до возникновения обратной короны F_o:

(6.2)

где Q - массовый расход порошка, кг/с; d_ф - диаметр факела распыления; -коэффициент осаждения (КПД распылителя).

Коэффициент осаждения г\ определяется как доля порошка, осажденного на изделие, по отношению к общему расходу материала через распылитель.

Время возникновения обратной короны находится из условия накопления заряда в слое:

(6.3)

где _сл - относительная диэлектрическая проницаемость слоя, которая вычисляется по формуле _сл = ^Куп, в которой - относительная диэлектрическая проницаемость материала порошка; К_уп - коэффициент упаковки.

Коэффициент упаковки характеризует пористость слоя и равен отношению толщины оплавленного слоя h_ОПЛ к толщине неоплавленного слоя h_СЛ:

(6.4)

где р - плотность материала порошка.

Пробивная напряженность слоя Е_ПРОБ зависит от плотности тока на изделие j, и время возникновения обратной короны может быть найдено как

при j (6.5)

при j (6.6)

При обратном коронном разряде из порошкового слоя внешним электрическим полем в пространство над слоем порошка вытягиваются ионы, про­тивоположные по знаку зарядам осаждающихся частиц. Ионы обратной коро­ны разряжают подлетающие к изделию частицы. В итоге падает плотность потока массы порошка, осаждающегося на изделие, и замедляется рост толщины слоя.

Спад плотности потока массы порошка после возникновения обратной короны соответствует экспоненциальному закону:

(6.7)

где = 1,2t_0K - эквивалентная постоянная времени.

Появление развитого обратного коронного разряда вызывает образование кратеров в порошковом слое, что ухудшает качество получаемого оплав­ленного покрытия. Исходя из этого определяется время нанесения покрытия, при достижении которого еще не происходит заметного снижения осаждения порошка на изделие и ухудшения качества конечного покрытия.

Рациональное время напыления равно

(6.8)

Зная рациональное время напыления и зависимость для плотности пото­ка массы порошка от времени, может быть найдена масса осевшего порошка на единицу поверхности изделия m_уд:

(6.9)

При известной плотности материала порошка р толщина получаемого качественного покрытия будет равна

(6.10)

Задача 6.1

Какой тип распылителя необходимо установить в камере напыления на линии нанесения порошковых покрытий, имеющей печь оплавления длиной 40 м, если толщина оплавленного порошкового покрытия должна быть не менее 120 мкм, а покрытие - не хуже 3 класса качества (отсутствие ряби, т.е. )?

Процесс напыления характеризуется следующими условиями: расход

порошка Q = 3*10^-3 кг/с; диаметр факела распыления d_ф = 0,2 м; коэффициент осаждения = 60 % для распылителей с внутренней зарядкой и = 80 % для распылителей с внешней зарядкой; плотность упаковки порошкового слоя К_уп = 0,5; удельный заряд частиц порошка q_уд = 1,0*10^-3 Кл/кг; средняя плотность тока коронного разряда (это относится к распылителям с внешней заряд­кой) j_i=160мкА/м².

На изделие наносится эпоксидный материал с плотностью р = 1,4 г/см³ и относительной диэлектрической проницаемостью = 4.

Время оплавления при температуре в печи 200 °С составляет 20 мин.

Решение.

А. Рассмотрим распылитель с внутренней зарядкой.

1) Плотность потока массы частиц порошка до возникновения обратной короны

2) Плотность тока, переносимая частицами

а/м².

3) Общая плотность тока на изделие

.

3) Относительная диэлектрическая проницаемость слоя

5) Время возникновения обратной короны (плотность тока на изделие

j < 125 мкА/м²)

6) Рациональное время напыления .

7) Масса осевшего порошка на единицу поверхности изделия

т_уд =1.47F₀ t_OK= 1,47*5,73*10^-2 * 5,1 = 0,43 кг/м² .

8) Толщина оплавленного покрытия

Таким образом, распылитель с внутренней зарядкой обеспечивает нане­сение покрытия требуемой толщины.

9) Минимальная скорость конвейера ограничивается рациональным временем напыления:

10) Минимальная длина печи, при которой покрытие успеет оплавиться

т.е. распылитель с внутренней зарядкой подходит для установки в камере напыления.

Б. Рассмотрим распылитель с внешней зарядкой.

1) Плотность потока массы частиц порошка до возникновения обратной короны

2) Плотность тока, переносимая частицами

а/м².

3) Общая плотность тока на изделие

.

4) Время возникновения обратной короны (плотность тока на изделие

j > 125 мкА/м² )

5) Рациональное время напыления

6) Масса осевшего порошка на единицу поверхности изделия

т_уд =1.47F₀ t_OK= 1,47*7,64*10^-2 * 2,91 = 0,204 кг/м²

7) Толщина оплавленного покрытия

Таким образом, распылитель с внешней зарядкой обеспечивает нанесение по­крытия требуемой толщины.

8) Минимальная скорость конвейера ограничивается рациональным временем напыления:

9) Минимальная длина печи, при которой покрытие успеет оплавиться

т.е. для распылителя с внешней зарядкой требуется более длинная печь, чем имеется по условиям задачи.

Таким образом, в камере напыления должен быть установлен распылитель с внутренней зарядкой.

Задача 6.2

В камере напыления на линии нанесения порошковых покрытий установлен распылитель с внешней зарядкой.

Расход порошка через распылитель составляет Q = 2,5*10^-3кг/с; диаметр факела распыления d_Ф= 0,25 м; коэффициент осаждения = 85 %; плотность упаковки порошкового слоя К_уп = 0,6; удельный заряд частиц порошка q_уд=0,810^-3Кл/кг.

На изделие наносится эпоксидный материал с плотностью р = 1,45 г/см³ и относительной диэлектрической проницаемостью = 4,2.

Определить плотность тока коронного разряда, при которой будет полу­чено покрытие не хуже 3 класса качества (т.е. ) толщиной после оп­лавления h_ОПЛ = 200 мкм.

Определить минимальную скорость конвейера.

Задача 6,3

В камере напыления на линии нанесения порошковых покрытий установлен распылитель с внутренней зарядкой.

На изделие наносится эпоксидный материал с плотностью р = 1,3 г/см³ и относительной диэлектрической проницаемостью = 3,8.

Коэффициент осаждения порошка = 65 %; плотность упаковки порошкового слоя К_УП = 0,45; удельный заряд частиц порошка q_уд= 1,1*10^-3 Кл/кг.

Определить расход порошка через распылитель, при котором будет получено покрытие не хуже 3 класса качества (т.е. ) толщиной после оплавления h_ОПЛ = 300 мкм.

Задача 6.4

Какая должна быть скорость конвейера, чтобы при напылении распыли­телем с внутренней зарядкой на изделии получалось качественное покрытие (до возникновения интенсивной обратной короны)? Как надо изменить ско­рость конвейера, если вместо распылителя с внутренней зарядкой в камере на­пыления использовать распылитель с внешней зарядкой и получать при этом качественное покрытие? Какие толщины покрытия получаются на изделии?

Условия напыления.

Расход порошкового материала через распылитель Q = 3,2*10^-3 кг/с; диа­метр факела распыления d_Ф= 0,2 м; коэффициент осаждения = 60 % для распылителей с внутренней зарядкой и г) = 75 % для распылителей с внешней зарядкой; плотность упаковки порошкового слоя К_уп = 0,6; удельный заряд частиц порошка q_уд =1,0 мКл/кг; средняя плотность тока коронного разряда (это относится к распылителям с внешней зарядкой) j_i = 150 мкА/м² . Напыля­ется эпоксидный материал с плотностью р = 1400 кг/м³ и относительной диэлектрической проницаемостью = 4.

Задача 6.5

В камере напыления на линии нанесения порошковых покрытий уста­новлен распылитель с внешней зарядкой.

Расход порошка через распылитель составляет Q = 2,8*10^-3 кг/с; коэффициент осаждения = 80 %; плотность упаковки порошкового слоя К_уп = 0,55; удельный заряд частиц порошка q_yд = 0,9*10^-3 Кл/кг. На изделие наносится эпоксидный материал с плотностью р = 1,5 г/см² и относительной диэлектрической проницаемостью = 4,5. Средняя плотность тока коронного разряда (это относится к распылителям с внешней зарядкой) составляет j_i=140 мкА/м ² . Скорость конвейера v_K0HB = 0,03 м/с.

Определить диаметр факела распыления d_ф , при котором будет получено качественное покрытие (т.е. ) толщиной после оплавления h_ОПЛ =150 мкм.

Литература

1. Старк С.Б. Газоочистные аппараты и установки в металлургическом производстве. Москва: Металлургия, 1990. - 348с.

2. Алиев Г.М.Техника пылеулавливания и очистки промышленных газов. Москва: Металлургия, 1996. - 320с.

3. Филатов Ф.П. Монтаж электрофильтров типа ЭГА. Москва: Энергоатомиздат, 1998. - 228с.

4. Ужов В.Н. Очистка промышленных газов электрофильтрами. Москва: Химия, 1997. - 217с.

5. Беззубцева М.М. Специальные виды электротехнологии. Электрофизическая, электрохимическая и электробиологическая обработка материалов. Конспект лекций. СПб: СПбГАУ, 2008. - 48с.

6. Баранов Л.А., Захаров В.А. Светотехника и электротехнология. Уч.пособие. М.: КолосС, 2006. - 344с.

7. Карасенко В.А., Заяц Е.М. и др. Электротехнология. Уч. Пособие. М.: Колос, 1992. - 304с.

8. Баран А.Н. и др. Практикум по электротехнологии. Уч. Пособие. М.: Колос,2004. - 256с.

9. Живописцев Е.Н., Косицын О.А. Электртехнология и электрическое освещение. Уч.пособие. М.: Агроатомиздат, 1990. - 303с.

10. Гайдук В.Н., Шмигель В.Н. Практикум по электротехнологии. Уч. Пособие. М.: Агроатомиздат, 1998. - 305с.

11. Беззубцева М.М. Методические указания к выполнению курсового

проекта по дисциплине "Электротехнология". СПб: СПбГАУ, 2008. -48с.

12. Лекомцев П.Л. Электроаэрозольные технологии в сельском хозяйстве. Монография. Ижевск: ГСХА, 2006. – 219 с.

Содержание

Учебное издание

Беззубцева Марина Михайловна

Волков Владимир Сергеевич