CN1204980C - 用薄膜覆盖物体的方法及实施此方法的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用粉末薄层熔化所得的薄膜覆盖物体的方法，在于：(a)在容器中形成静电粉末流化床，主要通过除所述容器壁之外的位于所述容器内和/或所述容器之外的摩擦充电装置使所述粉末充电；(b)将与零电压或足够电压相连的物体浸入所述容器中使之被粉末覆盖；(c)然后将所述被粉末覆盖的物体放入足够高温度的烘箱中直至通过熔化所述粉末获得涂膜。所述摩擦充电装置为例如垂直排列在容器底部的蜂窝结构。

Description

用薄膜覆盖物体的方法及实施此方法的装置

发明领域

本发明涉及用预先沉积在物体上的粉末薄层熔化所得的薄膜覆盖物体的方法及实施此方法的装置。更具体地涉及借助流化床中的粉末覆盖各种物体的方法。所述流化床内包含要覆盖所述物体的粉末。该粉末为任何形状的细粒固体颗粒形式，例如在0.01和1mm之间的颗粒，在空气或任何其它气体存在下这些颗粒在床内处于流化状态。

目前有许多工业规模的涂覆方法。

第一种方法是静电粉末涂覆法；这在于使粉末带静电而与待涂覆物体接触，该物体与零电压相连。例如，将保持流化状态的粉末注入静电喷枪中，通过电晕作用、摩擦起电或两者作用使所述粉末充电。将如此充电的粉末喷至与零电压相连的待涂覆物体之上。涂层将沿着电场方向。因此，难以覆盖呈现法拉第笼的区域如交叉或中空零件。此外，大量粉末未沉积在物体上，而必须循环利用。然后将被粉末覆盖的物体放入烘箱中在足够高的温度下，通过粉末熔化、使之形成薄膜，实现覆盖。例如，对于聚酰胺12粉末，必须加热至200℃。

第二种方法在于将待覆盖物体预热至高于粉末熔点的温度。然后立即将物体浸入流化床中；粉末与热物体接触熔化形成薄膜。从而确保紧密覆盖。此方法中，使热物体浸入冷流化床中，为减少热损失，需要有处于远高于成膜所需温度的烘箱，这导致能耗增加。然而，所有粉末都保持在床内，呈现法拉第效应的区域不影响覆盖率。厚度与物体形状有关，有时可能不完全均匀。本发明涉及静电粉末涂层法。

现有技术

现有的传统静电流化床如专利US4 381 728中所述的那些，其中排列有升至很高电压的电极。在此静电流化床中，通过电晕作用使颗粒带电，在于使峰点周围的空气电离而使此区域的颗粒带电。将待覆盖物体浸入流化床中。在该床中获得良好的覆盖率，但因存在高压电极而有一定的危险，高压电极可能与待覆盖物体产生电弧。

为避免电极和待覆盖物体之间的任何电弧，可如专利GB1 487 195中所述将此电极放在多孔板下面。

这些传统的电晕充电静电流化床系统的缺点之一在于粉末的沉积不均匀。特别地，难以进入物体的凹入部分。专利US4 689 241描述了诸如在待覆盖物体形成的法拉第笼中厚度不足的局限。最后，在距充电电极最远的零件间观察到粉末沉积厚度差。用电晕作用的传统静电流化床的其它描述见“静电流化床，理论，设计，应用”，美国油漆杂志1972，57(11)53-5，66，68，70-2和“ANTEC，会议汇编(第2部分)”，塑料工程师协会，

1994-Brookfield，CT，USA-p2329，2331。

针对这些问题已提出可选的解决方案。WO96/11061描述了不利用电晕作用而通过感应工作的充电系统。但此技术仍只适用于低电阻的粉末。

在出版物“流化床中聚合物粉末的摩擦起电作用”，动力工程；苏联科学院杂志，19卷，6期，75-83页中描述了一种摩擦充电系统，但其利用与高压相连的电极。

最后，在出版物“流化过程中根据摩擦起电机理的粉末油漆的电荷”，Journal Lakokras，Mater.IKH Primen(1979)，(4)，30-2中描述了在传统流化床中在容器壁上摩擦起电。但它公开了早在流化开始时起由于粉末颗粒覆盖容器壁，随着时间的推移电荷受限。

发明概述

本发明方法使用除容器壁之外的摩擦充电装置，不使用与电能源相连的电极。

因此，本发明是一种用粉末薄层熔化所得的薄膜覆盖物体的方法，该方法中：

(a)使静电粉末流化床安置在容器中，主要通过除所述容器壁之外的位于所述容器内和/或所述容器之外的摩擦充电装置使粉末充电；

(b)将与零电压或足够电压相连的物体浸入所述容器中使之被粉末覆盖；

(c)然后将所述被粉末覆盖的物体放入足够高温度的烘箱中，通过熔化所述粉末获得涂膜。

这是主要用除容器壁之外的装置摩擦起电的静电流化床。使粉末摩擦起电；从而在流化床内产生高体积电荷密度。使粉末充电和流化。如果将与零电压或足够电压的待覆盖物体插入所述充电床中，将出现由充电粉末的体积产生的电场。这将有助于在所述接地物体上的良好电沉积。该物体可以处于正、负或零偏压。所述摩擦充电装置利于为蜂窝状。

本发明中，使粉末摩擦起电，即是说通过接触或摩擦充电。通过流化空气或气体提供摩擦，所述流化空气或气体携带粉末颗粒，使之与后面所述摩擦充电系统接触。本申请中所述充电系统是自给的，除用于使粉末流化的气体之外不需供给能量。

本发明还涉及实施所述方法的装置。

发明详述

可被覆盖的物体可以是任何种类的物体，只要它们可插入到流化容器中并经得住所述烘箱的温度。作为例子可提及有金属如铝、铝合金、钢及其合金。本发明特别适用于洗餐具机的金属篮。

所涉及的粉末由通过加热将形成保护物体的薄膜的物质组成。作为例子可提及聚酰胺、聚烯烃、环氧化物和聚酯。

聚酰胺应理解为意指以下物质的缩合产品：

-一种或多种氨基酸如氨基己酸、7-氨基庚酸、11-氨基十一烷酸和12-氨基十二烷酸，一种或多种内酰胺如己内酰胺、庚内酰胺或月桂内酰胺；

-一种或多种二胺如六亚甲基二胺、十二亚甲基二胺、间亚二甲苯基二胺、双(对-氨基环己基)甲烷和三甲基六亚甲基二胺与二酸如间苯二甲酸、对苯二甲酸、己二酸、壬二酸、辛二酸、癸二酸和十二烷二羧酸的盐或混合物；

或形成共聚酰胺的所有这些单体的混合物。

聚烯烃应理解为意指包含烯烃单元如乙烯、丙烯、1-丁烯等单元的聚合物。

作为例子可提及：

-聚乙烯、聚丙烯、乙烯与α-烯烃的共聚物，这些产品可被不饱和羧酸酐如马来酐或不饱和环氧化物如甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝。

-乙烯与至少一种选自下述产品的共聚物：(i)不饱和羧酸、它们的盐、它们的酯；(ii)饱和羧酸的乙烯酯；(iii)不饱和二羧酸、它们的盐、它们的酯、它们的半酯、它们的酐；(iv)不饱和环氧化物，这些乙烯共聚物可被不饱和二羧酸酐或不饱和环氧化物接枝。

特别优选的物质是聚酰胺11和聚酰胺12。粉末尺寸利于在0.01和1mm之间。

“粉末薄层”应理解为意指厚度最高2mm，利于在0.1和0.6mm之间。

流化床的尺寸应这样确定以完全浸没待覆盖物。其形状不重要，只要它装有所需体积的粉末，可完全浸没待覆盖物且适合流化。

为恰当地选择使粉末摩擦起电的材料，可比较粉末和设想材料的功函进行初选。可通过在所关心的两种化合物的电子伏特中看功函值和看它们在摩擦电序列中的各自位置进行初选。差值[F_tf粉末-F_tf材料]越大，粉末越容易充电。推荐此值大于0.5eV(绝对值)。“F_tf”代表功函；这些值取自摩擦电序列表如ELECTROSTATICS，J.A.CROSS，IOP出版(1987)中。可确信数值越低，摩擦充电越不好，因而覆盖效率越低。

然而，这些值只是理论值，可通过I.I.Inculet等在专利US5 289922中所述试验检验材料和粉末之间获得良好摩擦充电的事实，在用所述摩擦充电材料制成的旋转圆筒中使粉末摩擦充电，然后测量所得电荷。用此类试验，如果用粉末所得比值Q/m(荷质比)的绝对比大于0.5×10^-6C/kg，则在床中获得的单位体积的电荷大于待覆盖物体，该电荷将足够高。总可根据一定知识测试出有更低值因而影响所述覆盖的材料。作为摩擦充电材料的例子，可提及PVC、PTFE和不锈钢。

通过摩擦起电使粉末充电，即是说通过与良好摩擦充电的材料摩擦或接触。所述摩擦充电材料根据上面定义的标准选择。有许多可预计的摩擦充电方案：

-通过在床外循环粉末在适合材料制成的装置中摩擦，所述材料是所述粉末的良好摩擦充电器。使粉末流出，一充电便再注入床中。

-在适合材料的球或颗粒上摩擦，所述材料是所述粉末的良好摩擦充电器，存在于床内。它们与粉末的接触面积非常大。为确保更密切地接触，优选使它们的密度相配。与此联合，可使用另一类导电或半导电的球以消散摩擦材料制成的绝缘球上积累的相反极性的电荷。

-在位于容器内的“蜂窝”装置上摩擦；本文中将更详细地描述此装置。

摩擦充电材料还布置在容器壁上，这只是对主要摩擦充电装置的补充，而不背离本发明范围。

-可增加粉末和摩擦充电材料之间的接触面积。例如，通过改变表面粗糙度或将管或半管粘贴在壁上改变接触面积。也可在床底部加振动导流片体系或由床中存在的任何其它物体组成的体系，它不干扰流化且形成良好的摩擦充电。

重要的是应提及可组合多种上述技术。也可组合多种材料。

利于使用“蜂窝结构”(参见图1和2)。这是由几何元件组成的结构，其横截面可在任何类型多边形(则元件为棱柱)至圆形(则元件为管)的范围内。这些元件是中空的，厚度优选在1和10mm之间；长度为例如在15和25cm之间。这些管相互粘合在一起形成坚固且均匀的组件。管间空隙通过任何手段如铝片塞住。虽然可设想任何种类的多边形横截面，但优选圆筒形结构。为均匀流化，优选圆筒形。形成蜂窝结构的管的适合长度将限制边缘效应，即这些管有利地是大于15cm长。

管外利于用金属漆或任何其它导电材料覆盖并与零或足够电压相连以除去电荷。该解决方案的优点在于可连续地使粉末摩擦充电。通过相对于所述材料摩擦，所述粉末获得给定电荷，所述材料则变得带有相反极性。然而，为获得连续充电现象，必须除去管内壁上积累的与粉末相反极性的电荷。实际上将这些电荷移至管的导电外侧并利于接地。这样可获得所述摩擦充电区域的永久利用率。

为提高所述蜂窝结构的效率，相对于所述管成直角地穿许多小孔是很可取的，以增加电荷从内侧移至导电的外表面的路径。这些小孔可以是在0.05和2mm之间的直径。

另一种解决方案在于在所述摩擦充电管构成材料的厚度内包括导电元件，它们与金属漆电连通或与接地的导电材料本身电连通。

此“蜂窝结构”布置在床底(见图3)。在床上部必须给待浸入物体留有足够的空间，在所述物体周围提供足以确保电沉积的体积电荷密度。

所述“蜂窝结构”放置在床内尽可能低的位置，以在不干扰流化的情况下使管内接触最佳。管径要选择尽可能小的以增加接触面积，但必须确保管不被阻塞而且它们应足够宽以恰当地流化。这些管越长，粉末颗粒上产生的电荷越好，但必须为浸入制品留的空间限制了此长度。例如，可使用直径25mm、长150mm的管。所述管利于由PVC制成。

在图3中可见，空气或所选的流化气体注入位于床下的风箱中。然后空气通过多孔基质或格栅或多孔金属板，选择穿过之间的压降以使粉末恰当地流化。使用的气速在Umf最小流化速度和Umb最小鼓泡速度之间。在Umb以上操作是不可取的，因为这将导致鼓泡，使带电的细粒脱离所述床。必须在Umf以上操作从而可不费力地引入要用粉末覆盖的物体。

作为例子，本公司通过并置直径2.5cm、长15cm的标准厚度的PVC管制成蜂窝结构。管外均用导电涂料覆盖。放置此蜂窝结构，其横截面与用于覆盖的流化床的横截面相同。该床的尺寸等于40×40cm，高60cm。所述“蜂窝结构”位于流化空气分布器之上5cm处。

通过计算可确保利用所构思的系统，所述床将有足以使物体以工业速度进行覆盖的电荷。

实施例：用本公司以商品名RILSAN出售的粒度200μm的聚酰胺11覆盖的洗餐具机篮的生产。将电表放在所述“蜂窝结构”与地之间；测量电流给出床中产生的电荷量的信息；此例中，不考虑床壁上或除所述“蜂窝结构”以外的任何表面上的摩擦电荷。沉积在常规洗餐具机篮上的粉末质量为130g。通过该床内摩擦起电获得的电荷为0.5×10^-6C/kg。因而每个被覆盖的篮需要0.065×10^-6C的电荷。工业洗餐具机篮生产线每10秒钟生产1个篮或多个篮。此数量取决于生产线的配置和流化容器的尺寸。在每10秒钟1个篮的速度下，吸取0.065×10^-6C，即6.5×10^-9安培的连续电流。因此所提供的电流必须等于此或优选高于此。在我们的实施例中，测量到10×10^-9安培的最大值。根据本发明一特殊形式，在低温下进行操作。由于在低温下使放电动力学最小化，所以用装有冷流体的外套围绕上述床，或用任何其它手段冷却所述床。本发明中“低温”意指低于20℃的温度。

也可使用冷(即低于20℃)空气或流化气。根据本发明另一实施方案，可吹动所述空气或流化气。这是因为气速高则粉末与材料摩擦大，从而供给床的电荷量增加。相反，物体浸入时，为确保电沉积最大则需要更大的体积电荷密度，这必然伴有低流化速度，不过仍保持流化状态。通过使此速度振动，可在低于Umf的速度下使床流化。从而可产生搅动状态，然后在浸入等时间内平息。

根据本发明另一实施方案，利用振动机理移去附于摩擦充电表面的粉末颗粒。

根据本发明另一实施方案，利用摩擦材料在床内产生的电荷在于使流化空气的湿度降低。这构成改善电沉积的简单有效的方法。通过空气干燥器或通过压缩实现此湿度降低。

图4示出本发明的工业设备。

根据本发明另一形式，在所述物体进入所述床之前进行表面预处理。这可以是塑料涂覆工业中所用常规预处理：镀磷酸酯、脱脂、喷丸除锈、涂布液体或粉末底漆等。这并非穷举。通过接地的传送装置引入待覆盖物体。然后在前面所述摩擦充电床中使粉末充电。浸渍期间发生电沉积。根据床的电荷量，重要的是以持续的方式搅动该物体使床内电荷量更大或更小。此搅动可通过传送装置上的小锤或任何其它系统完成。当物体离开流化床时，导出系统可除去剩余粉末。

用此系统和方法，也可粉料涂覆非金属物体如木材或塑料。

在覆盖需要底漆的粉末的情况下，此底漆可在物体浸入流化粉末的容器中之前预先涂于物体上，此底漆可以是液体或固体底漆。

在固体底漆的情况下，可通过静电粉末涂覆法、电晕效应喷枪、摩擦粉末涂覆法或两者结合施涂此底漆。也可用摩擦充电床施涂所述底漆。底漆的粒子尺寸非常小，因此底漆本身不能被流化。然而，如果在第一床中使底漆与用于覆盖所述物体的粉末混合，底漆的含量为至少1％重量(与粉末的重量相比)且优选为5至10％重量，则底漆的小粒可被流化粉末的大粒流化。此第一摩擦充电床的类型与前面所述的相同。粒子获得的电荷或多或少与其半径成反比。因此充电度更高的底漆小粒将构成电沉积的大部分。从而所述物体将被固体底漆涂覆。然后在仅装有涂覆粉末的摩擦充电床中用第二涂料涂覆所述物体。在有底漆的操作过程中，需要时可先进行此底漆的烘焙；也可不进行此中间烘焙而进行第二涂覆操作，然后进行总烘焙。

一旦所述物体在床内已被覆盖，既将其输送至烘箱中(见图4)，进行烘焙。根据物体的几何形状、粉末的性质和要求的生产速率，可使用对流、红外或感应烘箱。

本发明方法特别适用于聚酰胺粉末，而且极安全。已对此摩擦充电床进行爆炸性试验。对于摩擦充电的聚酰胺床，施加高电压(30kV)，使高能量(1焦尔)流入所述床中，而粉末点火能只有几毫焦尔。在该床观察中在空气中电弧放电，出现火花。未引起爆炸。

图1至4示出所述覆盖系统，其中关键元件编号为1至15。

以下给出这些编号的说明：

1：金属涂层(可任选地与粘合剂混合)。

2：由摩擦充电材料制成的管。

3：铝纸。

4：蜂窝结构。

5：粉末颗粒。

6：由适合材料制成的流化床。

7：风箱，材料不重要。

8：多孔板。

9：待覆盖物体。

10：传送装置。

11：待覆盖物的预处理(定义为使覆盖质量最佳)。

12：使覆盖物变成薄膜的热处理烘箱。

13：空气入口。

14：将所述床放置在地面上的绝缘基底。

15：与蜂窝结构相连的电表。

图1示出“蜂窝”结构4的透视图。

图2示出此“蜂窝”结构的顶视图。

图3示出在其中使粉末流化和摩擦充电的流化床。

图4为进行本发明涂覆的覆盖系统的总图。

图1和2示出所述“蜂窝”结构。此结构4由适合的摩擦充电材料管制成。管2的外表面和端部喷涂金属或被导电涂料1覆盖。如图3和4中所示，使1接地。利用金属漆1或少量粘合剂使管2粘合在一起。管2之间的空隙用铝纸3塞住。

图3示出由适合材料制成的流化床6，它由基底14支承并与地面绝缘。冷却的和/或干燥的或压缩的空气或任何其它流化气通过管13引入风箱7中。空气通过位于床6和风箱7之间正好与床水平安装的多孔板8(本身拧紧)。在多孔板8之上以一定距离水平排列的是蜂窝结构4。此蜂窝结构将完成流化床6中粉末5的大部分摩擦充电。蜂窝结构4接地。电表15监视电荷量。

图4显示：通过传送装置10接地的待覆盖物体9离开预处理区11，通过传送装置10送入流化床6之前在此进行适当的预处理。传送装置10将物体9送入摩擦充电流化床6；也可使床6引至物体9。物体9完全进入摩擦流化床，而发生粉末5的电沉积，用足量的粉末以确保覆盖率好。传送装置10继续移动，将物体9从床6中移出，传送至烘箱12中，在其中使粉末变成薄膜，形成要求的涂层。

本文中所用的术语和表达方式只是描述性的而不构成限制。这些术语的使用中不排除所述材料的任何等同物，因此在本发明的范围内可做修改。

Claims (10)

1.一种用粉末薄层熔化所得的薄膜覆盖物体的方法，该方法中：

(a)使静电粉末流化床安置在容器中，主要通过除所述容器壁之外的位于所述容器内和/或所述容器之外的摩擦充电装置使所述粉末充电；其中所述摩擦充电装置由安排在所述流化床中的摩擦充电材料的球或颗粒组成，或者是位于容器底部由两端敞开的棱柱或立管组成的蜂窝结构；

(b)将与零电压或足够电压相连的物体浸入所述容器中使之被粉末覆盖；

(c)然后将所述被粉末覆盖的物体放入足够高温度的烘箱中，通过熔化所述粉末获得涂膜；

其中所述方法不使用与电能源相连的电极。

2.权利要求1的方法，其中所述粉末由聚酰胺11或聚酰胺12制成。

3.权利要求1或2的方法，其中所述流化床还包含导电或半导电材料的球或颗粒。

4.权利要求1或2的方法，其中所述蜂窝管外面被金属漆或导电材料覆盖。

5.权利要求4的方法，其中所述蜂窝的管壁穿有小孔。

6.权利要求4的方法，其中所述管的壁含有导电元件。

7.上述权利要求之任一的方法，其中所述待覆盖物体预先用粉末底漆覆盖，然后任选地通过烘箱烘焙所述底漆，再浸入所述容器中用所述粉末覆盖。

8.权利要求7的方法，其中在由权利要求1所述方法的粉末组成并包含至少1％重量底漆的静电粉末流化床中进行粉末底漆的涂覆。

9.权利要求8的方法，其中在由权利要求1所述方法的粉末组成并包含5至10％重量底漆的静电粉末流化床中进行粉末底漆的涂覆。

10.权利要求7至9任一的方法，其中在静电粉末流化床中预涂覆底漆，通过摩擦充电装置使所述粉末充电。

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