CN1617770A - 用薄膜覆盖物品的方法以及实施该方法的设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用薄膜覆盖物品的方法，该薄膜得自粉末薄层的熔化，包括：(a)在容器中使用带电的流化粉末床，由强制循环摩擦生电装置使该粉末带电；(b)该物品连接零电势或足够的电势，在容器中湿润以便用粉末覆盖；(c)然后将用粉末覆盖的物品放置在烘箱中，该烘箱的温度足够高以通过熔化粉末得到覆盖薄膜。根据本发明有利的实施方案，烘箱包括产生高电势的电极，以便产生电晕放电效应，其补偿了加热时粉末颗粒上电荷衰减。因此，颗粒上的电荷得到了保持，由此它们保留在物品上，而通过熔化形成薄膜。本发明还涉及用于实施该方法的设备。

Description

用薄膜覆盖物品的方法以及实施该方法的设备
[发明领域]
本发明涉及用薄膜覆盖物品的方法，该薄膜得自熔化预先沉积在物品上的粉末的薄层，并涉及实施该方法的设备。
目前存在许多工业规模的覆盖方法。
第一种是静电粉末覆盖方法，该方法包括用静电使粉末带电，然后将其与要覆盖的物品接触，该物品与零电势连接。例如将粉末注入静电喷枪，该喷枪将通过电晕放电效应或通过摩擦生电，或通过二者的结合，使所述粉末带电。如此带电的粉末覆盖到要覆盖的物品上，该物品与零电势连接。根据静电粉末覆盖的另一种形式，将连接零电势的物品浸入带电粉末的流化床中。在流化床内是希望用来覆盖物品的粉末。此粉末为固体颗粒形式，例如0.01～1mm大小的颗粒，并可以为任何形状，其在流化床内在存在空气或任何其它气体下为流化状态。在流化床内，有用于通过电晕放电效应使粉末带电的电极，或用于通过摩擦生电效应使之带电的装置。然后，将用粉末覆盖的物品放置在烘箱中，烘箱温度高达足以确保通过熔化粉末而形成覆盖层，使之形成薄膜。例如对于尼龙-11粉末，必须加热到220℃。
第二种方法在于预加热要被覆盖的物品至粉末熔点之上的温度。一旦加热，该物品立即浸入粉末的流化床中；与热物品接触时粉末熔化，并形成薄膜。因此可以确保固体覆盖。在该方法中，热物品浸入到冷流化床内，并且为了补偿热损失，必须具有温度高于形成薄膜的温度的烘箱，这导致能量消耗增加。另外，如果物品由热惯性(thermal inertia)差别很大的部分组成时，这些不同的部分不具有相同的温度，因此薄膜厚度不均匀。
本发明涉及其中物品浸入带电粉末的流化床中的静电方法。
[现有技术和技术问题]
专利US3248253描述了静电流化床，其中布置了产生非常高电势的电极。在这种静电流化床中，通过电晕放电效应使颗粒带电，其要点是电离电极尖头(spike)附近的空气，因此使该区域的颗粒带电。要被覆盖的物品承载在运输系统上，并通过流化床与大地连接，并且通过静电吸引用粉末覆盖。根据一种变化的方案，要覆盖的物品浸入流化床中。
在专利US4381728中描述了相似的方法。在此流化床上获得了良好的覆盖，但是存在与产生高电势的电极有关的一定危险，其可能与要覆盖的物品产生电弧。
为避免任何电极和要覆盖的物品之间的电弧放电，有可能将该电极放在多孔板之下，如专利GB1,487,195所描述。
这些传统电晕放电-带电的静电流化床系统的一个缺点在于粉末沉积不均匀。具体地，物品的凹入部分难以到达。专利US4,689,241描述了如下局限性例如由要覆盖的物品形成的法拉第筒中的厚度不足。最终观察到从带电电极最远的部分间粉末沉降的厚度不同。常用电晕放电效应静电流化床的其它描述见于“Electrostatic fluidized bed，theory，design，application”，AmericanPaint Journal 1972，57(11)53-5，66，68，70-2以及“ANTEC，ConferenceProceedings(Part 2)”，Society of Plastics Engineers，1994-Brookfield，CT，USA-page 2329，2331。
相应于这些问题，已经提出了可供选择的方案。专利WO96/11061描述了不使用电晕放电效应的生电系统，其通过电感应而工作。但是，该技术仍然仅适用于低电阻率的粉末。
文献“Triboelectrification of polymer powders in a fluidized bed”，PowerEngineering；Journal of the Academy of Science of the USSR，Vol.19，No.6，page 75-83，描述了摩擦生电带电系统，但该系统仍然由连接到高电压的电极辅助。
文献“Charge of powdered paint according to a triboelectric mechanismduring its fluidization″，Journal Lakokras，Mater.IKH Primen(1979)，(4)，30-2，描述了在常用流化床中，在容器壁上摩擦生电带电。但是，其公开了由于从早至流化的初始瞬间粉末颗粒覆盖容器壁，电荷受时间的限制。
专利WO00/76677描述了用薄膜覆盖物品的方法，该薄膜得自粉末薄层的熔化，包括：
(a)在容器中使用带电的流化粉末床，主要由摩擦生电装置而不是容器壁使该粉末带电，该装置位于容器中和/或容器外，
(b)物品连接零电势或足够的电势，浸入容器中以便用粉末覆盖，
(c)然后，用粉末覆盖的物品放置于烘箱中，烘箱的温度足够高以通过熔化粉末获得涂层薄膜。
这是主要使用装置而不是容器壁而摩擦生电的静电流化床。所述粉末摩擦带电；因此在流化床内产生了高容量电荷密度。粉末带电且流化。如果要覆盖的物品连接到零电势或足够的电势，将其浸入带电流化床，将会由大量带电的粉末产生电场。这将有助于在接地的物品上良好的电附着。该物品可以在正、负或零偏压。
在该发明中，粉末是摩擦带电的，即通过接触或摩擦而带电。由流化空气或气体提供摩擦，该空气或气体携带粉末颗粒，并使其与摩擦生电系统接触，这将在下文中解释。描述于本申请的生电系统是自发的，不需要能量提供，除了用于流化粉末的气体。
有利地，“蜂房”用作摩擦生电装置。这是由几何器件制成的结构，其横截面从任何多边形(器件则为棱形)至圆形(器件则为管子)排布。这些器件是中空的，垂直放置并具有优选1～10毫米的厚度，其长度例如15～25厘米。这些管子粘结在一起形成实心的均匀的组件。管子之间的缝隙用任何方式例如铝片填充。尽管可以设想任何多边形的横截面，优选圆柱结构。优选圆柱几何形状以便使得均匀流化。通过合适的管长将限制边缘效应，该管子构成蜂房，即优选这些管子长度大于15厘米。
该“蜂房”放置在流化床的底部。有必要在流化床上面留出足够的空间用于浸入物品，并有必要在所述物品周围设置足以确保电附着的高电荷密度。
该“蜂房”放置在流化床中下面，以便使在管子中的接触最佳，而不影响流化。
管子的直径选择越小越好，以便增加接触面积，但是仍然有必要确保管子不被堵塞，因此其足够宽以便能够适当流化。这些管子越长，在粉末颗粒上产生的电荷越好，尽管由于必须留下空间用于浸渍物品而有所限制。例如可以使用直径25毫米和长150毫米的管子。优选，它们由PVC或PTFE制成。
该方法，基于流化床中的蜂房，描述于该专利WO00/76677，其优点是非常简单和在能量方面非常经济，因为其没有连接电势的电极；但是颗粒的带电并不总是理想的。已经发现，使用强制循环摩擦生电管子，粉末颗粒带电非常好。使用名词“强制循环”以与蜂房的管子中的循环相对应，其只通过用于流化床的气体的流动产生。名词“强制循环”指在泵或等效装置，例如气体喷射器(优选用与流化床的气体相同的气体操作)的帮助下，流化床的内容物部分，即流化气体和粉末的混合物转移通过一个或多个摩擦生电管子。优选泵和摩擦生电的管子在流化床的外部，以便不干扰其操作；在已经通过摩擦生电管子后，气体和摩擦带电的粉末返回到流化床。从专利US4399945可知使用喷枪摩擦带电粉末的原理，其中由于气流的作用使要带电的粉末流动。通过在表面上摩擦使颗粒带电，接地系统允许除去电荷。但是，在该现有技术中，既没有建议也没有描述该粉末来自流化床并在带电后返回流化床。专利US5622313描述了对上述专利的改进，即为了从摩擦带电的表面除去电荷，用电晕放电效应对其处理。通过电晕放电效应提供的电荷不但中和在摩擦生电表面产生的电荷，而且进入粉末，因此增加了由摩擦生电效应产生的电荷。如专利US4399945中，其既没有描述也没有建议粉末来自流化床并在带电后返回流化床中。
已经用粉末覆盖的物品从流化床中除去并加热，以便粉末熔化并在物品上形成薄膜。用粉末覆盖的物品一开始加热，电荷衰减就开始，并且取决于粉末的性质、要覆盖的物品的性质及其几何形状，一些粉末可能在熔化和形成薄膜之前脱离。现在已经发现所有需要的是在烘箱中放置电极，这些电极产生高电势以便产生电晕放电效应，该效应在粉末颗粒加热时补偿粉末颗粒的电荷衰减。因此保持了颗粒上的电荷，因而保留在物品上并能够通过熔化形成薄膜。这并没有在现有技术中得到描述。在现有技术US3248253中，使用电晕放电效应以使流化床中的粉末带电，而本发明中粉末已经摩擦带电，并沉积在物品上，而电晕放电效应仅用来在熔化形成薄膜时保持物品上的粉末。
[发明简述]
本发明是用薄膜覆盖物品的方法，该薄膜得自粉末薄层的熔化，包括：
(a)在容器中使用带电的流化粉末床，由强制循环摩擦生电装置使该粉末带电；
(b)该物品连接零电势或足够的电势，浸入容器中以便用粉末覆盖；
(c)然后将用粉末覆盖的物品放置在烘箱中，该烘箱的温度足够高以通过熔化粉末得到覆盖薄膜。
根据本发明的一个优选实施方案，烘箱包括产生高电势的电极，以便产生电晕放电效应，该电晕放电效应在加热粉末的同时补偿粉末颗粒上的电荷衰减(relaxation of the charge)。保持了颗粒上的电荷，因此粉末保留在物品上并因而能够通过熔化形成薄膜。
本发明还涉及用于实施本方法的设备。
[发明详述]
能够被覆盖的物品可以是任何类型的，条件是它们能被放入到流化容器中而且耐受烘箱的温度。可以提及的实例例如金属，如铝、铝合金、钢及其合金。
关于所涉及的粉末，它们包含通过加热将形成薄膜以保护物品的物质。可以提及的实例为聚酰胺、聚烯烃、环氧化物和聚酯。
聚酰胺应理解为下列化合物的缩合产物：
一种或多种氨基酸，例如氨基己酸、7-氨基庚酸、11-氨基十一酸和12-氨基十二酸，或一种或多种内酰胺例如己内酰胺、庚内酰胺和月桂内酰胺；
一种或多种二胺盐或混合物例如1，6-己二胺、1，12-十二碳二胺、间苯二甲胺、双(对-氨基环己基)甲烷和三甲基六亚甲基二胺与二酸例如间苯二甲酸、对苯二甲酸、己二酸、壬二酸、辛二酸、癸二酸和十二烷二羧酸；
或所有这些单体的混合物，其生成共聚酰胺。
聚烯烃应理解为包含烯烃单元，例如乙烯、丙烯、1-丁烯等单元的聚合物。
可以提及的实例为：
聚乙烯、聚丙烯、乙烯与α烯烃的共聚物，对于这些产物可以用不饱和羧酸酐例如马来酐，或不饱和环氧化物例如甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝；
乙烯与选自(i)不饱和羧酸、其盐、其酯，(ii)饱和羧酸的乙烯基酯，(iii)不饱和二羧酸、其盐、其酯、其半酯、其酐，(iv)不饱和环氧化物中的至少一种产物的共聚物，对于这些乙烯共聚物可以被不饱和二羧酸酐或不饱和环氧化物接枝。
特别优选的物质为尼龙-11和尼龙-12。粉末大小有利地为0.01～1毫米。
“粉末的薄层”应理解为厚度高达2毫米，有利地0.1～0.6毫米。
流化床的尺寸为完全浸没要覆盖的物品。其形状无关紧要，条件是其含有必要的大量粉末而且要覆盖的物品能够完全浸入，并且流化是合适的。
关于强制循环摩擦生电装置和首先使粉末适当地摩擦带电的材料，通过比较粉末和设想材料的功函数而进行初始选择。这可以通过查看该两种物质在电压中的功函数值和查看在摩擦生电系列中各自的位置而实现。|Wf粉末/Wf材料|的差别越大，粉末越容易带电。推荐该值的绝对值大于0.5eV。“Wf”代表功函数；这些值在摩擦生电系列表中获得，例如ELECTROSTATICS by J.A.CROSS，IOP Publishing，1987。根据确信的知识中，可以考虑更低的值，但是将导致摩擦带电效果不好，由此覆盖效率低。
但是，这些值仅仅是理论的，在材料和粉末间获得良好的摩擦带电可以通过进行由I.I.Inculet等在专利US5289922中描述的实验来检验，该实验包含在摩擦生电材料制成的旋转圆柱中使粉末摩擦带电，然后测量得到的电荷。使用该类型的实验，如果用该粉末获得的Q/m(比电荷)比值的绝对值高于0.5×10-6C/kg，那么在流化床中将获得的每单位体积的电荷将足够大，比要覆盖的物品大。经常可能根据一定的知识检验出较低值的材料，由此将影响覆盖。可以提及的摩擦生电材料的实例为PVC、PTFE、PVDF和不锈钢。
由摩擦生电使粉末带电，即通过摩擦或与良好的摩擦生电体(tribocharger)材料接触使粉末带电。根据上述限定的标准选择该摩擦生电材料。如果要带电的粉末是聚酰胺，摩擦生电材料有利地为PTFE(聚四氟乙烯)。该摩擦生电原理本身是已知的，并用于现有技术的摩擦生电枪。
有利地，某些粉末和某些流化床的气体被转移并强制地通过摩擦生电材料的管子并返回流化床，在那里其与存在于流化床中的粉末再混合。将流化床的所有气体和粉末通过摩擦生电材料的管子是不必要的。被强制通过摩擦生电材料的管子的含有粉末气体的流量可以是流化气体流量的0.5～20％，优选1～10％。该含有粉末的气体的流量也可以通过其每小时体积来限定，该气体被强制流经摩擦生电材料的管子，该每小时体积为流化床体积的函数。该部分可以是任何值，但是有利地为流化床体积的0.5～30％。为了能够具有粉末/摩擦生电材料接触的最大量，摩擦生电材料的管子可以围绕圆柱器件盘旋放置。在管子内，产生电荷，因为在粉末和摩擦生电材料之间的摩擦生电。本领域技术人员可以调节负载粉末的气体通过摩擦生电装置的流速，观察沉积在要浸入流化床中的覆盖的物品上的粉末量。
构成摩擦生电材料的管子可以具有例如1～6毫米的长度和4～15毫米的直径，有利地4～8毫米。因为该管子具有相对较小的直径，将存在非常多的粉末/摩擦生电材料接触，而摩擦生电将更好。同样，摩擦生电材料的管子越长，摩擦生电越好。
推荐除去由摩擦生电产生并存在于特富龙管子中的电荷。为了此目的，使用与摩擦枪(或摩擦生电枪)中使用的相同的原理。存在一些除去这些电荷的方法。有利地，构成摩擦生电材料的管子的外部用导电涂料覆盖。在操作3或4小时后，电荷产生了。该电荷产生引起放电，这导致导电的碳化部分外观，使得除去了电荷。在构成摩擦生电材料的管子内部产生电荷。在操作3或4个小时后，出现火花，发生“击穿”。该击穿表示在管子的内部(不导电)和外部(导电)之间的导电部分出现了。然后电荷通过该导电部分流逝。
有利地，通过用针在摩擦生电管子中形成孔而“人工”产生导电部分。该孔可以用镍基导电涂料层覆盖。可以每隔10或30厘米形成孔。然后在外部用导电涂料Aquadag覆盖管子。也推荐将圆柱器件接地，摩擦生电管子围绕该圆柱器件缠绕。
用于引起此强制循环的手段为例如泵或等效装置，例如气体喷射器(优选用与流化床相同的气体操作)。在离开摩擦生电装置时，气体和带电粉末与流化床再混合。此强制循环摩擦生电装置可以放置在流化床内部，但是存在干扰流化床操作的风险。另外，有必要用橡胶或绝缘体覆盖将摩擦生电管子与流化床电绝缘，同时将电荷从摩擦生电管子迁移到流化床外。这对要装在流化床外部的此装置非常简单。经由通过流化床壁的管子，泵(或强制循环设备)抽吸粉末和气体，并将它们送到摩擦生电管子(或管子)中，然后经由另一个穿过流化床壁的孔，使粉末和气体返回到流化床。该泵可以用气体喷射器代替，优选用与流化床中同样的气体操作。从流化床中采出负载粉末的气体，和其在通过摩擦生电管子后返回流化床，必须尽可能完成而不干扰流化以及因此在要被覆盖的物品上沉积粉末。例如，有可能使用通过摩擦生电管子的低流速，以在流化床中放置一个或多个隔间等，来进行经过旋风分离器和/或隔间系统返回流化床。
在流化床粉末上的电荷随着通过摩擦生电装置的粉末的流速增加而增加。在浸没在流化床中的物品上粉末层的厚度随着粉末上电荷的增加而增加。
流化床的操作条件本身是已知的，有标准条件并描述于现有技术中。
图1说明本发明的一个实施方案。如可以从图1中看出的，被选的流化气体或空气在3注入放在流化床下面的气室(wind box)。然后空气流经多孔器件，或格栅或穿孔金属板，选择其热损失以便适当流化粉末。泵在1示出、摩擦生电管子(使用PTFE，DuPont以商标TEFLON销售)在2示出，而流化床在4示出。
根据本发明的另一个实施方式，在将物品引入流化床之前，对物品提供预处理的表面。这可以是塑料-涂布工业常用的预处理：磷酸盐涂覆、脱脂、喷砂处理、涂布液体或粉末底层涂料等。该列举是非限定的。通过接地的运输机引入要覆盖的物品。然后如上所述，在摩擦带电流化床中使粉末带电。在浸入过程中产生电附着。重要的是基于流化床中的电荷水平，物品以相同的方式或多或少激发。可以通过存在于运输机中的小锤子或任何其它系统进行该激发。当物品离开流化床时，排放系统要除去多余的粉末。
当覆盖粉末的情况下，这需要底层涂料，在物品浸入流化粉末的容器中之前，该底层涂料可以涂覆于物品上，而且该底层涂料可以是液体或固体底层涂料。
在固体底层涂料的情况下，可以通过静电粉末涂布、电晕放电效应喷枪、摩擦粉末涂覆或其中两个涂覆。也有可能使用摩擦带电流化床涂布底层涂料。该底层涂料颗粒尺寸非常小，而且因此底层涂料不能自身流化。但是，如果在第一流化床中混合底层涂料和用来覆盖物品的粉末，使用的底层涂料含量为至少1％重量(与粉末重量相比)，优选5～10％重量，那么能够通过流化粉末的大颗粒流化底层涂料小颗粒。第一摩擦带电流化床与前述的类型相同。颗粒需要的电荷多少与其半径成反比例。因此，此小的高度带电的底层涂料颗粒将构成电附着的大部分。因而，物品将被固体底层涂料覆盖。然后用摩擦带电流化床中的只含有覆盖粉末的第二覆盖物覆盖物品。在用底层涂料的操作过程中，如果需要有可能对底层涂料进行第一次烘干，也有可能避免该中间烘干，而进行第二覆盖操作，然后进行全烘干。
一旦物品已经在流化床中被覆盖，将其转移到进行烘干的烘箱中。取决于物品的几何形状、粉末的性质和需要的生产速度，有可能使用对流、红外或感应(induction)烘箱。该方法的步骤本身是已知的，并已经在现有技术中得到了描述。
根据本发明优选的实施方式，烘箱包括产生高电势的电极，以便产生电晕放电效应，其在粉末颗粒加热的同时，补偿了粉末颗粒上电荷衰减。因此，颗粒上的电荷得到了保持，由此它们保留在物品上，而通过熔化形成薄膜。当在要覆盖的物品上没有底层涂料时，该方法特别有用。
用于产生空间电荷的系统放置在烘箱内部，以便防止粉末从金属组件上分离。这是因为随着某些粉末温度升高，粉末的衰减时间减小，而粉末从金属组件上分离。产生与粉末同样符号的电荷的系统放置在适当位置。为了产生空间电荷，对与大地隔离的金属组件施加电压。如果该金属组件含有尖锐部分，产生电晕放电效应。例如在烘箱尺寸0.4×0.3×0.5米，所有需要的是4个垂直铜管，直径1.2厘米，放置在金属板内部，在烘箱底部的每个角落。每个管子上端用凸圆体的圆形末端塞住，以便避免不必要的电晕放电效应。电晕放电效应必须集中在安装在铜管上的针上。这些针引起电晕放电效应。对金属组件施加电势，该金属组件通过耐高温绝缘体隔离(例如陶瓷绝缘体)。
在物品上的覆盖层烘干中，温度是重要因素。例如尼龙-11在186℃熔化，烘箱的温度调节到220℃。烘干时间随烘箱的温度而变化。这是因为烘箱的温度越高，物品烘干的时间越短。对烘箱温度220℃和PA-11粉末，烘干时间通常为6～10分钟。
烘箱温度越高，粉末上的电荷的衰减时间越短，即当温度升高时，粉末的放电越快。
图2表示烘箱中电极的一个实施方式。1为电源，2为陶瓷绝缘体，3为铜针，4为经过铜电缆的电路连接，5为铜管和6为烘箱。

Claims (7)

1.一种用薄膜覆盖物品的方法，该薄膜得自粉末薄层的熔化，包括：
(a)在容器中使用带电的流化粉末床，由强制循环摩擦生电装置使该粉末带电；
(b)该物品连接零电势或足够的电势，浸入容器中以便用粉末覆盖；
(c)然后将用粉末覆盖的物品放置在烘箱中，该烘箱的温度足以通过熔化粉末得到覆盖薄膜。
2.根据权利要求1的方法，其中所述摩擦生电装置包括摩擦生电材料的管子，配备有泵或气体喷射器。
3.根据权利要求1或2的方法，其中所述强制循环摩擦生电装置在所述流化床容器的外部。
4.根据前述权利要求任一项的方法，其中所述摩擦生电装置的管子的长度为1～6米。
5.根据前述权利要求任一项的方法，其中所述摩擦生电装置的管子的直径为4～15毫米。
6.根据权利要求5的方法，其中所述摩擦生电装置的管子的直径为4～8毫米。
7.根据前述权利要求任一项的方法，其中所述烘箱包括产生高电势的电极，以便产生电晕放电效应，其在加热粉末颗粒的同时，补偿了粉末颗粒上电荷衰减。
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