CN105562306A - 一种静电喷涂的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种静电喷涂的方法，将激光作为热源替代烤箱进行烧结。在进行传统含氟涂料的静电喷涂步骤后使用激光进行烧结。使用本发明所涉及方法可以制备具有较厚含氟涂料涂层，减少了整体加热对于工件的损害，并具有灵活的加热方式以对于较大体积或面积的工件进行喷涂。
Description
技术领域
本发明涉及一种静电喷涂的方法。
背景技术
含氟涂料，一般称作“不粘涂层”或“易洁镬物料”；是一种使用了氟取代聚乙烯中氢原子的人工合成高分子材料。这种材料具有抗酸抗碱、抗各种有机溶剂的特点，几乎不溶于所有的溶剂。同时，含氟涂料具有耐高温的特点，它的摩擦系数极低，所以可作润滑作用之余，亦成为了易洁镬和水管内层的理想涂料。
含氟涂料通常包括聚四氟乙烯（PTFE）、四氟乙烯—全氟烷氧基乙烯基醚共聚物（PFA）和氟化乙烯丙烯共聚物（FEP）。这些涂料的涂覆过程包括将上述含氟涂料的乳液或粉末涂覆于工件表面、低温烘干及高温烧结固化。烧结固化的过程是在超过含氟涂料本身的熔点的温度下保持一段时间，使工件表面的涂料颗粒发生熔融，形成一个连续、完整的涂层，并与工件表面紧密结合。
目前，金属及其合金仍然是很重要的结构材料，其应用遍及国民经济的各个领域。金属腐蚀现象是普遍的，并给国民经济带来巨大损失。金属防腐蚀方法很多，其中有机涂层防腐蚀是最普遍和最重要的手段之一，该方法施工简单，适应性广。随着社会经济的发展，人们生活水平的提高和对环境保护意识的增强，对涂层和涂敷方法提出了更高的要求。有机氟聚合物具有优异的耐化学药品性能、耐热性能、耐候性能、不粘性能和润滑性能等，越来越受到人们重视，被广泛应用于重防腐、高档装饰、防粘和润滑处理等方面。在所有有机氟聚合物中，聚四氟乙烯(PTFE)的防腐蚀性能最好、应用最广，因而被称为“塑料王”。而PTFE的衍生物PFA、FEP由于也同样具有防腐蚀性能，也被广泛的应用。
激光材料加工是一种非接触、无污染、高能流、低噪声、可实现多种加工目的的绿色加工技术。其实质是激光与材料（包括金属和非金属）相互作用的过程，即通过激光光子与材料的相互作用，引起材料一系列的物理和化学变化，从而实现材料的制备、改性和成型等加工目的。
现有的防腐蚀的方式通常是通过制作PTFE衬里和表面喷涂-烧结的方法对金属表面进行防腐蚀处理。然而上述的处理方式也存在缺陷，对于PTFE衬里来说，PTFE自身不粘的特性决定了其加工难度，即使用钠-萘对于金属表面进行表面处理所制备的紧衬，在高真空度工况下也依然存在局部脱落、起泡等问题。而对于通过“翻边”工艺制备的松衬，在翻边处常会断裂。并且衬里本身造价高昂，且破损后无法修复，废料也无法回收利用。
以普通喷涂的方式虽然可以保证与基材的粘结力，但无法制备较厚的涂层，通常厚度在200μm左右。而对于工况复杂，特别是容易存在机械磨损、撞击的工件来说，通常应保证涂层厚度在500-1000μm左右，且具有耐机械磨损、耐腐蚀性能良好及具有较好粘结力等技术参数。
另一方面，静电喷涂的方式虽然是能够制备较厚的塑料类涂层的一般方法，但由于含氟涂料本身具有极佳的绝缘性能，在第一次烧结成为完整的涂层膜后，即无法在该涂层膜上继续进行静电喷涂。
综上，现有的使用含氟涂料对金属进行耐腐蚀处理的方法中存在诸多问题：
（1）衬里的方式粘结性能不足，无法修复；
（2）常规喷涂方式无法满足涂层厚度需要；
（3）现有的静电喷涂方式不能用于多次喷涂已达到制备较厚含氟涂料涂层的目的。
因此，需要找到一种既具有牢固的与基材结合能力，又易于操作的方法，以满足实际生产的需求。
发明内容
在高温下，常用的含氟涂料具有一定的导电性，尤其是在在高于250℃时，大多数含氟涂料以的熔融态的形式存在，而熔融态的含氟涂料具有较高的粘性，此时，再进一步使用静电喷涂方法，利用正负电荷相互吸附的作用，使基材及吸附其上的高温涂层与喷涂枪喷出的涂料带相反的电荷，即可对高温工件及其表面的熔融态涂层进行继续喷涂，从而制备较厚的涂层。
使用激光作为热源时，仅在局部进行加热，并且升温速度快、温度可控，使用激光作为热源施工时，即可在激光烧结局部的高温状态下立即进行下一次喷涂，以达到增加涂层厚度的目标。此外，使用激光热源，一方面降低了因需要在高温下操作而穿着防护服、以及热工件对环境要求等施工难度；另一方面由于激光仅对于表面进行加热，也减少了长时间高温加热以及骤冷对工件产生的伤害。进一步的，由于激光为精细热源，便于通过自动化设备控制，可以将自动喷涂设备与激光烧结设备制备成一种连续的喷涂-烧结设备。
由此，发明人发明了使用激光作为加热源在静电粉末喷涂中对工件表面涂覆的含氟涂料进行烧结的方法。
本发明首先涉及一种静电喷涂的方法，其特征在于，包括如下步骤，
（1）使用静电喷涂方法，使基材附着涂层粉末并进行烧结；
（2）使用激光加热附着了涂层的基材表面，使涂层熔融；
（3）在熔融态的涂层上，进一步通过静电喷涂涂料粉末；
（4）使用激光加热涂料粉末使其熔融并和之前的涂层熔合，增厚基材表面的涂层；
（5）重复以上步骤（2）～（4），使得涂层厚度达到设定需求。
优选的，所述步骤（3）进一步包括在静电喷涂涂料粉末步骤后进行含氟乳液涂料喷涂的步骤。。
根据需要，所述方法还包括下述步骤的一种或多种，
i.重复权利要求1所述步骤（2）～（4）数次，使得涂层达到所需厚度；
ii.进一步通过激光，加热融合后的涂层使其融合充分；
iii.进一步喷涂含氟乳液涂料并使用激光加热使该涂料与已有涂层融合；
上述步骤可重复进行一次或多次。
优选的，步骤（2）在涂覆时表面温度在100-500℃，更优选的，表面温度在200-400℃，最优选的，表面温度在250-350℃。
优选的，所述涂料为含氟粉状涂料，更优选的，所述涂料为FEP或PFA粉状涂料。所述乳液涂料为为FEP或PFA乳液涂料
本发明所述方法，能够制备的喷涂涂层的厚度为100μm至2000μm。
本发明所述的激光的波长范围193nm-351nm、1050nm-1070nm、10640nm、功率20-1000W、
本发明所述的激光光源可以是
（1）点状激光发生器，
或（2）连续的点状激光发生器组成的线性组合激光发射器，
或（3）对激光光束进行整型或变形，将点状激光整形为线型光束或狭长面激光，
（3）中所述的激光光束的整型可以使用多种整型方式，例如通过棱镜、多个反光镜与多个棱镜的组合、多个棱镜的组合、二元光学元件、光楔列阵(SWA)聚焦光学系统、液晶空间光调制器、双折射透镜组等将点状激光整形为所述线型光束或狭长面光束；或以高速震荡的方式，在直线轨迹上扫描点状激光发射器，从而获得将点状激光整型为线状或狭长面激光的效果，经整形后的激光束均匀分布呈线状或呈狭长面，激光能量均匀分布于线状或狭长面上。
步骤（2）或（4）所述激光加热方法为，通过激光对涂覆的涂料进行特定路径的扫描，从而加热产品表面的涂料使其熔融。
所述的激光加热方法中，通过控制激光扫描的速率，对涂料的温度进行调节。
所述的激光加热方法中，根据特定涂料的折射率，选择不同的波长的激光，辐照时间。
本发明所述的方法静电喷涂的方法，更优选的方式为使用多个激光发生器组，所述激光发生器组通过特定的排列，形成更大的烧结线/面。
激光辐照含氟涂料的宏观物理表象，包括激光的吸收、部分反射和折射、含氟涂料的温度升高及熔化等，既取决于激光的功率密度、辐照时间等激光工艺参数，也取决于被辐照含氟涂料的物理性能，如材料对激光的吸收系数、热导率、比热容以及材料的相变温度、熔化温度和密度等。由此，本发明所涉及技术方案中的激光参数，还可以根据被喷涂的涂料、环境的不同进行修正，所述修正包括但不限于，根据涂料中的颜料对于激光的吸收量的差异或根据环境温度的差异，调整激光器参数，使激光的参数满足固化涂料的条件。
使用本发明所述方法进行喷涂时不限制于烧结炉的大小，通过对激光的整型、多个激光并行使用，可以对于任意尺寸工件特别是大型工件的烧结，解决了大型工件的耐腐蚀处理问题。另外，使用该方法可以相对于传统单纯乳液喷涂法快速制备较厚含氟涂料涂层。使用静电喷涂于传统乳液喷涂相结合的方法解决了单纯静电喷涂容易产生针孔的问题。此外，使用本方法制备得到的涂层具有可修复性，对于待修复区域及周边进行局部的清除处理并使用相同的静电涂覆方法即可在原有涂层的基础上进行局部的修复。另外，由于激光加热方法为局部加热，避免了整体烧结方式对于基材带来的伤害（如应力释放导致的基材形变）。使用上述加工方式可以实现移动式、免拆卸、免运输加工，提高了工作效率，降低了成本。
具体实施方式
本发明的其他的优点、特征和细节由以下所描述的实施例得出。工件需要进行常规的前处理，如喷砂或化学腐蚀。
实施例1：
工件尺寸：200mm*200mm*3mm，工件材质：钢。
（1）对工件进行喷砂表面处理。使用静电方式进行第一次FEP粉末喷涂；
（2）使用点状激光发生器激光发射器进行20cm高速震荡扫描，激光器为CO2激光器，激光器功率为400W，光斑直径4mm，沿震荡方向的垂直方向移动扫描两2次使表面温度升高至320℃，使涂层熔融；
（3）在第二次扫描后立即进行第二次FEP粉末静电喷涂，
（4）第二次喷涂后，以使用点状激光发生器激光发射器进行20cm高速震荡扫描，激光器为CO2激光器，激光器功率为400W，光斑直径4mm，沿震荡方向的垂直方向移动扫描2次使表面温度升高至320℃，使涂层熔融并融合。
（5）重复静电喷涂及激光加热的步骤（3）～（4），喷涂后进行激光扫描的步骤4次。
（6）上述步骤后，以使用点状激光发生器激光发射器进行20cm高速震荡扫描，激光器为CO2激光器，激光器功率为400W，光斑直径4mm，沿震荡方向的垂直方向移动扫描4次使表面温度维持在320至340℃。
实施例2：
工件尺寸：200mm*200mm*3mm，工件材质：钢。
（1）对工件进行喷砂表面处理。使用静电方式进行第一次FEP粉末喷涂。
（2）以点状激光发生器激光发射器进行20cm高速震荡扫描，激光器为CO2激光器，激光器功率为400W，光斑直径4mm，沿震荡方向的垂直方向移动扫描2次使表面温度升高至320℃。
（3）立即进行第二次FEP粉末静电喷涂。
（4）以点状激光发生器激光发射器进行20cm高速震荡扫描，激光器为CO2激光器，激光器功率为400W，光斑直径4mm，沿震荡方向的垂直方向移动扫描2次使表面温度升高至320℃。
（5）重复静电喷涂及激光加热的步骤（3）～（4），喷涂后进行激光扫描的步骤4次。
（6）以点状激光发生器激光发射器进行20cm高速震荡扫描，激光器为CO2激光器，激光器功率为400W，光斑直径4mm，沿震荡方向的垂直方向移动扫描4次使表面温度维持在320至340℃。
（7）将FEP面漆喷涂于工件表面，使用点状激光发生器激光发射器进行20cm高速震荡扫描，激光器为CO2激光器，激光器功率为200W，光斑直径4mm，沿震荡方向的垂直方向移动扫描使表面温度升高至340℃，3次，间隔1分钟，静置10分钟。重复上述FEP面漆喷涂-烧结步骤6次。
实施例3：
工件尺寸：200mm*200mm*3mm，工件材质：钢。
（1）对工件进行喷砂表面处理。使用静电方式进行第一次PFA粉末喷涂。
（2）以点状激光发生器激光发射器进行20cm高速震荡扫描，激光器为CO2激光器，激光器功率为400W，光斑直径4mm，沿震荡方向的垂直方向移动扫描两2次使表面温度升高至380℃。
（3）立即进行第二次PFA粉末静电喷涂。
（4）以点状激光发生器激光发射器进行20cm高速震荡扫描，激光器为CO2激光器，激光器功率为400W，光斑直径4mm，沿震荡方向的垂直方向移动扫描2次使表面温度升高至380℃。
（5）重复静电喷涂及激光加热的步骤（3）～（4），喷涂后进行激光扫描的步骤4次。
（6）以点状激光发生器激光发射器进行20cm高速震荡扫描，激光器为CO2激光器，激光器功率为400W，光斑直径4mm，沿震荡方向的垂直方向移动扫描4次使表面温度维持在380至400℃。
实施例4：
工件尺寸：200mm*200mm*3mm，工件材质：钢。
（1）对工件进行喷砂表面处理。使用静电方式进行第一次PFA粉末喷涂。
（2）以使用点状激光发生器激光发射器进行20cm高速震荡扫描，激光器为CO2激光器，激光器功率为400W，光斑直径4mm，沿震荡方向的垂直方向移动扫描2次使表面温度升高至380℃。
（3）立即进行第二次PFA粉末静电喷涂。
（4）以点状激光发生器激光发射器进行20cm高速震荡扫描，激光器为CO2激光器，激光器功率为400W，光斑直径4mm，沿震荡方向的垂直方向移动扫描2次使表面温度升高至380℃。
（5）重复静电喷涂及激光加热的步骤（3）～（4），喷涂后进行激光扫描的步骤4次。
（6）以点状激光发生器激光发射器进行20cm高速震荡扫描，激光器为CO2激光器，激光器功率为400W，光斑直径4mm，沿震荡方向的垂直方向移动扫描4次使表面温度维持在380至400℃。
（7）将PFA面漆喷涂于工件表面，使用点状激光发生器激光发射器进行20cm高速震荡扫描，激光器为CO2激光器，激光器功率为200W，光斑直径4mm，沿震荡方向的垂直方向移动扫描使表面温度升高至380℃，3次，间隔1分钟，静置10分钟。重复上述PFA面漆喷涂-烧结步骤6次。
实施例5：对于已有涂层的修复
以涂层破损处为中心半径为3cm，使用砂纸打磨或喷砂的方式将涂层去除，去除部分边缘为平滑的斜面。喷涂部分长度约10cm，宽度约10cm进行如下步骤，以修复涂层
（1）使用静电方式进行第一次PFA粉末喷涂。
（2）以点状激光发生器激光发射器进行20cm高速震荡扫描，激光器为CO2激光器，激光器功率为400W，光斑直径4mm，沿震荡方向的垂直方向移动扫描2次使表面温度升高至380℃。
（3）在第二次扫描后立即进行第二次PFA粉末静电喷涂。
（4）以点状激光发生器激光发射器进行20cm高速震荡扫描，激光器为CO2激光器，激光器功率为400W，光斑直径4mm，沿震荡方向的垂直方向移动扫描2次使表面温度升高至380℃。
（5）重复静电喷涂及激光加热的步骤（3）～（4），喷涂后进行激光扫描的步骤4次。
（6）以点状激光发生器激光发射器进行20cm高速震荡扫描，激光器为CO2激光器，激光器功率为400W，光斑直径4mm，沿震荡方向的垂直方向移动扫描4次使表面温度维持在380至400℃。
（7）将PFA面漆喷涂于工件表面，使用点状激光发生器激光发射器进行20cm高速震荡扫描，激光器为CO2激光器，激光器功率为200W，光斑直径4mm，沿震荡方向的垂直方向移动扫描使表面温度升高至380℃，3次，间隔1分钟，静置10分钟。重复上述PFA面漆喷涂-烧结步骤6次。
上述实施例中，由于面漆颜色、粉末批次的差异及环境温度的差异，需要通过扫描速率的改变对于表面温度进行控制。扫描速率增加可以降低单位面积的扫描时间从而降低表面温度，扫描速率的降低可以增加单位面积的扫描时间从而升高表面温度。上述加工方式以无涂层针孔为目的，满足严格的耐腐蚀要求。如仅以不粘或不严的耐腐蚀要求，可以减少静电喷涂-烧结或乳液喷涂-烧结的次数。
在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
Claims (9)
1.一种静电喷涂的方法，其特征在于，包括如下步骤，
（1）使用静电喷涂方法，使基材附着粉末涂料并进行烧结；
（2）加热附着了涂层的基材表面，使涂层熔融；
（3）在熔融态的涂层上，进一步通过静电喷涂粉末涂料；
（4）加热涂料粉末使其熔融并与已有的涂层熔合，增厚基材表面的涂层。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述的加热为使用激光进行加热。
3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤（3）进一步包括在静电喷涂涂料粉末步骤后进行含氟乳液涂料喷涂的步骤。
4.根据权利要求1-3任一所述方法，其特征在于，所述方法还包括下述步骤的一种或多种，
i.重复权利要求1所述步骤（2）～（4）数次，使得涂层达到所需厚度；
ii.进一步通过激光，加热融合后的涂层使其融合充分；
iii.进一步喷涂含氟乳液涂料并使用激光加热使该涂料与已有涂层融合；
上述步骤可重复进行一次或多次。
5.根据权利要求1-3任一所述方法，其特征在于，步骤（2）在涂覆时表面温度在100-500℃，优选的，表面温度在200-400℃，最优选的，表面温度在250-350℃。
6.根据权利要求1-3任一所述方法，其特征在于，所述粉末涂料为含氟粉状涂料，优选的，所述涂料为FEP或PFA粉末涂料；所述乳液涂料为含氟乳液涂料，优选的，所述涂料为FEP或PFA乳液涂料。
7.根据权利要求2、3任一所述方法，其特征在于，所述的激光的波长范围193nm-351nm、1050nm-1070nm、10640nm、功率20-1000W。
8.根据权利要求2、3任一所述方法，其特征在于，所述的激光加热方法中，通过控制激光扫描的速率，对涂料的温度进行调节；根据特定涂料的折射率，选择不同的波长的激光，辐照时间。
9.根据权利要求2、3任一所述方法，其特征在于，激光加热为使用多个激光发生器组，所述激光发生器组通过特定的排列，形成更大的烧结线/面。
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