ES2199256T3 - Aparato y metodo para el recubrimiento de substratos con particulas de resina en polvo cargadas inductivamente. - Google Patents
Aparato y metodo para el recubrimiento de substratos con particulas de resina en polvo cargadas inductivamente.Info
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Abstract
UN APARATO PARA MEJORAR LA CARGA ELECTROSTATICA DESARROLLADA EN UNA COMPOSICION DE POLVO DE RESINA PARA EL REVESTIMIENTO ELECTROSTATICO DE OBJETOS SOLIDOS Y EL METODO DE APLICACION DE LOS MISMOS. EL APARATO COMPRENDE UN ELECTRODO (28) PARA CARGAR LAS PARTICULAS DE POLVO POR INDUCCION O CONDUCCION DE MANERA QUE LAS PARTICULAS DE POLVO TENGAN UNA RESISTENCIA DE ENTRE 10{SUP,9}Y 10{SUP,13} OHM. METROS EN UN 20% DE HUMEDAD RELATIVA Y PULVERIZAR LAS PARTICULAS DE POLVO CARGADAS POR UNA BOQUILLA (24) EN UN OBJETO SOLIDO PUESTO A TIERRA (26) AL QUE SE ADHIEREN ANTES DE QUE SE PRODUZCA LA FUSION TERMICA PARA LOGRAR UNA ACABADO PERMANENTE.
Description
Aparato y método para el recubrimiento de
substratos con partículas de resina en polvo cargadas
inductivamente.
La presente invención se refiere a un aparato y
su método para la dispensación de partículas cargadas
electrostáticamente sobre un substrato en el que forman a
continuación un recubrimiento continuo y uniforme. Según un aspecto
de la invención, ésta se refiere a un aparato utilizable para
recubrimiento de substratos con materiales de resina en polvo que
tienen una carga electrostática mejorada. Según otro aspecto, la
invención se refiere a un aparato que utiliza un sistema de carga
por inducción/conducción para el recubrimiento de los
substratos.
En los últimos años se han realizado muchos
avances en el campo de los recubrimientos mediante materiales
electrostáticos en polvo. El recubrimiento mediante materiales en
polvo, como tecnología separada, se ha desarrollado como resultado
de una serie de claras ventajas con respecto a otros métodos de
recubrimiento tales como pintura, inmersión y pulverización
convencionales. Entre las ventajas se incluyen las ventajas
intrínsecas debido a la ausencia de disolvente (mayor seguridad,
menores peligros para el medio ambiente, menos oneroso, entorno de
trabajo más limpio) y permitiendo asimismo reducir el tiempo
necesario para el proceso de recubrimiento para producir un artículo
listo para su utilización. El control del grosor del recubrimiento y
la capacidad de producir un acabado de alta calidad a partir de un
tratamiento de aplicación única son también posibles dentro de este
método.
Mucho del trabajo realizado al principio en la
aplicación práctica tuvo como resultado el desarrollo de métodos
capaces de conseguir muchas de estas ventajas. No obstante, existen
todavía una serie de inconvenientes dentro de esta tecnología que
deben ser superados.
La tecnología de recubrimiento con polvo se basa
en el principio de carga electrostática y los métodos de carga
actualmente disponibles en la práctica se clasifican en el sistema
de carga corona, sistema de carga tribo-eléctrica y
sistema de carga híbrido. Cada uno de los sistemas ha evolucionado
desde el sistema primitivo de carga corona que consiste en poco más
que en un cilindro hueco por el cual se transporta neumáticamente el
material en polvo, de manera que la carga del material en polvo se
consigue por fijación iónica a la salida del cilindro o cañón.
Una breve revisión de cada uno de los sistemas
actuales y de la razón para el desarrollo de los sistemas más
recientes tribo-eléctrico e híbrido se indicará a
continuación como antecedente de la presente invención.
El sistema básico de carga corona comporta la
carga por bombardeo iónico utilizando una fuente de iones tales como
un electrodo corona de alto voltaje o un elemento radioactivo. Este
método se utiliza muy frecuentemente para aplicar carga a materiales
altamente aislantes tales como plásticos. Puede ser muy ineficaz
cuando se aplica una carga electrostática a materiales en polvo,
puesto que muchos de los iones producidos no contribuyen a la carga
de partículas sino que se posan en cualquier lugar, por ejemplo, en
la propia pieza a trabajar en una operación de recubrimiento
mediante materiales en polvo. En los casos peores, se han indicado
rendimientos de carga de menos de 1% en equipos de recubrimiento con
materiales en polvo utilizando efecto corona.
En el sistema de carga corona, el material en
polvo es transportado desde una tolva mediante unos conductos de
alimentación hacia la pistola de pulverización. Un electrodo de
punta aguda de la pistola es conectado a un generador de alto
voltaje y la combinación de geometría del electrodo y alto voltaje
(hasta 100 kV en algunas pistolas) crea un campo eléctrico superior
a la resistencia dieléctrica del gas circundante, que es
habitualmente aire. Se genera una descarga corona y se forman iones
libres por delante del electrodo de carga. Las partículas del
material en polvo son transportadas por esta zona de carga espacial
y se cargan por fijación iónica. Las partículas siguen el modelo de
flujo del aire y las que tienen suficiente carga se depositan sobre
la pieza a trabajar, que es soportada en general a potencial de
tierra. La polaridad del electrodo de carga se puede invertir para
crear una carga positiva o negativa sobre las partículas, siendo en
general preferente una carga negativa debido a los grandes números
de iones producidos.
La eficacia de carga de este sistema es muy
reducida, puesto que solamente una pequeña fracción (-0,5%) de los
iones producidos por el efecto corona contribuyen a la carga del
material en polvo. La mayor parte de los iones producidos por la
pistola corona no se fijan a las partículas de material en polvo
objeto de pulverización sino que se desplazan como ``iones libres''
a la pieza a trabajar donde se acumulan con rapidez dentro de la
capa de material en polvo depositada.
Al alcanzar una cantidad mayor de iones libres la
pieza a trabajar, la intensidad de la carga dentro de la capa de
polvo llega a la saturación. En esta situación se pueden presentar
pequeñas cargas electrostáticas (contra-ionización)
resultando en alteraciones del recubrimiento y finalmente en mala
calidad del acabado.
La aparición de la contraionización limita
esencialmente el grosor útil del recubrimiento que se puede aplicar
utilizando equipos de recubrimiento de materiales en polvo por carga
corona.
Además de requerir un suministro de potencia en
alto voltaje, otra desventaja de las pistolas corona es que no son
adecuadas para aplicaciones que requieren la penetración en
cavidades y esquinas. Esto es debido a que todo el voltaje que
aparece en el electrodo externo de alto voltaje se pierde entre el
cabezal de la pistola y la pieza a trabajar que se encuentra
conectada a masa o tierra, con lo que hay poca o ninguna penetración
del campo asociado con este voltaje en las cavidades o rebajes.
Estas áreas se aproximan a jaulas de Faraday cerradas. En estas
condiciones solamente se conseguirá el recubrimiento interno por
transporte neumático de las partículas a dichas áreas, lo cual puede
ser difícil de conseguir asegurando simultáneamente una buena
uniformidad del recubrimiento en los demás sitios.
Quizás el sistema alternativo más habitual con
respecto a la carga corona es la triboelectrificación o carga por
fricción, que tiene lugar cuando dos materiales o superficies
distintas, previamente sin carga, es decir, eléctricamente en estado
neutro, establecen contacto y luego se separan. Durante este proceso
electrostático la carga se separa también de manera que una de las
superficies alcanza una carga de polaridad positiva y la otra una
carga negativa. Este proceso tiene lugar habitualmente en la vida
diaria. Son ejemplos de ello el transporte de material en polvo por
un tubo y la acción de andar una persona sobre un recinto
alfombrado. En este último caso, existe fricción entre las suelas de
los zapatos y la alfombra.
La magnitud e incluso la polaridad de la carga
electrostática generada de esta manera dependen fuertemente de
factores tales como contaminación superficial, contenido de humedad
y naturaleza del contacto. Si bien este método de generación de
carga se utiliza en el recubrimiento electrostático con polvo, se
han encontrado problemas de fiabilidad.
Si bien una pistola normal con efecto corona
aplica una carga aproximadamente de 1 x 10^{-3} C/kg a partículas
de material en polvo, la carga por fricción transfiere unos pocos
cientos de cargas electrónicas por contacto y, por lo tanto, para
obtener cargas iguales a una pistola corona se requieren miles de
contactos. El método más simple por el cual se consigue este efecto
es un tubo recto en el que existe un flujo turbulento, lo cual tiene
como resultado un gran número de colisiones polvo/pared. Las
superficies de la pared son aislantes idealmente dispuestos con
puntos de contacto a tierra, de manera que la elevada carga
constituida sobre la superficie puede pasar a tierra. Habitualmente
se utilizan sistemas comerciales de PTFE,
poli(tetrafluoroetileno) y su lugar en la serie
tribo-eléctrica asegura que la mayor parte de
materiales en polvo se cargan con polaridad positiva al establecer
contacto con el mismo.
Con pistolas tribo-eléctricas la
corriente de iones libres se elimina o se reduce considerablemente
y, dado que no se aplica campo eléctrico, las partículas son
dirigidas a la pieza a trabajar por una combinación de flujo de aire
y campo producido por la nube de polvo cargado. Debido a estos
factores, no tiene lugar la contraionización durante un período de
10 a 20 segundos en sistemas tribo-eléctricos y
resulta más fácil obtener películas gruesas o pesadas con este
sistema. Otra ventaja es la capacidad del sistema de recubrir
cavidades internas, pequeñas partes complejas y productos con
esquinas agudas, etc. Además, la carga por fricción no solamente
supera el efecto de jaula Faraday y reduce la contraionización, sino
que facilita el diseño de la pistola al adaptarse a cabezales de
pulverización que aceptan diferentes tipos de toberas.
La desventaja fundamental con una pistola
tribo-eléctrica es que se produce una disminución en
el eficaz intercambio de carga después de un período de
funcionamiento prolongado. Otra desventaja adicional es que la
distribución de tamaños de partículas del material en polvo tiene un
efecto significativo en la carga tribo-eléctrica y
su eficacia. Un material en polvo típico para recubrimiento contiene
una combinación de partículas pequeñas, medias y grandes, con
tamaños que varían desde submicrónicos hasta más de 80 micras de
diámetro. Se sabe que con estos sistemas puede tener lugar una carga
bipolar del material en polvo de manera que las partículas más
pequeñas tienen mayores probabilidades de cargarse a polaridad
negativa. La eficacia de la carga es una función del diámetro de las
partículas y como resultado de ello las partículas más pequeñas no
son atraídas electrostáticamente a la pieza a trabajar, resultando
en un depósito preferente de las partículas de tamaños medios. Por
lo tanto, la eficacia de la transferencia se reduce e igualmente
ocurre en la eficacia operativa global del sistema debido al aumento
de depósitos en las pistolas y en los equipos de recogida de polvo y
de reciclado. También pueden presentarse problemas de fluidización
en la tolva de alimentación.
Finalmente, existen las llamadas pistolas
``híbridas'' que comprenden los dos métodos antes mencionados, es
decir, carga corona y carga tribo-eléctrica en un
pistola, en un intento de combinar las ventajas de ambos sistemas.
No obstante, este enfoque no elimina las desventajas principales
intrínsecas de ambas pistolas, es decir, la reducida carga del
material en polvo y eficacia de la transferencia.
El rendimiento del recubrimiento es
aproximadamente 70-75% como máximo utilizando los
materiales actualmente disponibles para objetivos industriales
prácticos. Cualquier cantidad no depositada de polvo se
desperdiciará o se debe recuperar por utilización de equipos
especiales de recuperación y se debe reutilizar añadiendo a la misma
pequeñas porciones al polvo virgen o por reciclado en la etapa de
preparación de la resina. Los fabricantes de los recubrimientos de
polvo dicen que es posible conseguir una utilización de
97-98% de material en polvo, citando este valor como
incentivo para cambiar de sistemas de pulverización en húmedo en los
que se desperdicia cualquier cantidad pulverizada en exceso. Un
fallo de este argumento consiste en que para conseguir esta elevada
utilización los equipos de reciclado específicos deben funcionar de
modo exclusivo en cada línea, de manera que no es fácil cambiar el
tipo o tonalidad del material de recubrimiento. Así pues, los costes
de instalación del aparato de recuperación y la engorrosa
programación de su funcionamiento y el tiempo necesario para la
recuperación aumentan los costes totales.
La Patente U.S.A. Nº. 3.865.079 da a conocer un
aparato de carga para un sistema de recubrimiento de polvo por lecho
fluidizado electrostático utilizado para recubrimiento uniforme de
una varilla o alambre. La varilla es desplazada sobre el lecho por
encima de la superficie del polvo fluidizado y un par de electrodos
de carga alargados se extienden axialmente en la varilla en el
lecho, por debajo de la superficie del material en polvo fluidizado.
Un electrodo de control conectado a tierra queda situado por encima
de la varilla en movimiento. Los electrodos son equidistantes con
respecto a la varilla.
Conjuntamente, uno o varios de los objetivos
siguientes pueden ser conseguidos por la práctica de la presente
invención. Es un objetivo de la presente invención dar a conocer un
aparato para la carga electrostática de un material en polvo a
utilizar en aplicaciones de recubrimiento con polvo que no presenta
los inconvenientes antes mencionados. Otro objetivo de la invención
consiste en dar a conocer un aparato para la carga de materiales en
polvo que permite el desarrollo de una carga electrostática sobre el
material en polvo de forma fiable y repetible. Otro objetivo
consiste en dar a conocer un aparato que puede controlar de manera
precisa y fiable la cantidad y polaridad de carga electrostática
desarrollada y por lo tanto puede asegurar el recubrimiento de todas
las áreas de una pieza a trabajar con cualquier espesor. Otro
objetivo de la presente invención consiste en dar a conocer un
aparato para aplicar una carga a resinas termoplásticas y
termocurables que se utilizan en operaciones de recubrimiento con
material en polvo. Otro objetivo consiste en dar a conocer un
aparato en el que la carga electrostática sobre materiales en polvo
se mejora al incorporar un agente modificador de las características
o propiedades electrostáticas, en la resina o sobre la superficie de
la misma. Otro objetivo adicional consiste en dar a conocer un
aparato para aplicar materiales en polvo dotados de carga
electrostática como recubrimiento de objetos sólidos. Otro objetivo
adicional consiste en dar a conocer un aparato para el recubrimiento
de objetos sólidos por medios de inducción. Otro objetivo consiste
en dar a conocer un aparato para el recubrimiento de objetos sólidos
con una resina en polvo que se puede fundir a continuación para
proporcionar un recubrimiento uniforme y continuo sobre dichos
objetos. Otro objetivo de la presente invención consiste en dar a
conocer un aparato para la aplicación de un recubrimiento en polvo a
objetos sólidos, que es eficaz y minimiza el desperdicio de material
en polvo.
Otro objetivo de la invención consiste en dar a
conocer un sistema utilizable para la pulverización de materiales en
polvo con carga electrostática sobre objetos sólidos que se pueden
fundir para proporcionar un acabado permanente. Otro objetivo
consiste en dar a conocer un nuevo sistema para pulverizar
electrostáticamente materiales en polvo cargados sobre objetos
sólidos y calientes, provocando, por lo tanto, la fusión del
material en polvo en forma de acabado permanente. Estos y otros
objetivos se conseguirán fácilmente en base a las disposiciones que
se explicarán.
La figura 1 es un diagrama esquemático que
muestra en principio básico de carga corona.
La figura 2 es un diagrama esquemático que
muestra la carga tribo-eléctrica básica.
La figura 3(a) es un diagrama esquemático
que representa un objeto que descansa sobre una placa entre un campo
eléctrico neutro.
La figura 3(b) es un diagrama esquemático
que muestra un campo eléctrico aplicado entre las placas de la
figura 3(a) al elevar la placa superior a un alto voltaje, de
manera que las cargas inducidas pasan a la superficie del
objeto.
La figura 4 es un diagrama esquemático de un
cañón de carga por inducción que muestra la tobera.
La figura 5 es un diagrama esquemático que
muestra el aparato que utiliza el principio inductivo/conductivo
utilizado en la presente invención.
La figura 6 es un diagrama esquemático más
detallado de la tobera de un cañón de carga por inducción.
En su aspecto más amplio, la presente invención
está dirigida a un aparato para aplicar recubrimiento sobre un
sustrato con partículas en polvo resinosas cargadas eléctricamente
que, a continuación, forman sobre dichos sustratos un recubrimiento
uniforme y continuo. El aparato de la presente invención comprende,
en combinación:
- (a)
- un lecho fluidizado aislante eléctricamente para cargar inductivamente partículas de polvo de resinas,
- (b)
- medios de alto voltaje dispuestos en una parte del lecho fluidizado y conectados a una fuente de suministro de potencia de alto voltaje,
- (c)
- medios de electrodos conectados a tierra dispuestos en otra parte de la zona del lecho fluidizado, de manera que se puede crear un campo eléctrico entre los medios de electrodos de alto voltaje y puestos a tierra para cargar inductivamente las partículas,
- (d)
- medios de aire fluidizado para introducir aire en la zona del lecho fluidizado, estableciendo de este modo, en la presencia de las partículas de material en polvo de las resinas, una nube de polvo cargado electrostáticamente dentro de la zona fluidizada,
- (e)
- medios de transporte para transportar partículas de polvo cargado eléctricamente desde la zona del lecho fluidizado, y
- (f)
- medios dispensadores fijados a los medios de transporte para dirigir las partículas cargadas eléctricamente sobre el sustrato.
La utilización del aparato de la presente
invención aplica una carga electrostática a materiales en polvo
orgánicos para hacerlos útiles para aplicaciones de recubrimiento de
materiales en polvo. Esto comporta la formación de una mezcla de los
materiales en polvo y, como mínimo, un agente modificador
electrostáticamente activo y someter la mezcla a condiciones
eléctricamente inductivas/conductivas suficientes para impartir a
los materiales en polvo una resistividad de aproximadamente de
10^{9} a 10^{13} ohmios.metros al 20 por ciento de humedad
relativa.
Al observar que los inconvenientes anteriormente
indicados son debidos a las características electrostáticas de los
presentes sistemas, los inventores han llevado a cabo extensas y
profundas investigaciones para el desarrollo de un aparato y método
que se basan en un enfoque completamente nuevo de la carga del
material en polvo utilizado en recubrimiento con el material de
polvo electrostático. Como resultado, se ha observado que resulta
posible superar los inconvenientes anteriores intrínsecos del
proceso de recubrimiento mediante material en polvo tal como se
practica en la actualidad, desarrollando un método de carga del
material en polvo por influencia que modifica en primer lugar el
material en polvo añadiendo un agente electrostáticamente activo al
material en polvo de resina. La presente invención ha sido
conseguida en base a este descubrimiento.
La presente invención da a conocer un aparato
para la carga electrostática de un material en polvo de resina por
influencia, conocido como carga por inducción o conducción, y
depositando el material en polvo cargado sobre un sustrato.
El término ``inducción'' o ``inductivo'' que se
utiliza en esta descripción y en las reivindicaciones comprende
carga electrostática tanto por inducción como por conducción.
El compuesto de polvo de resina comprende (i) una
resina termocurable o termoplástica y (ii) un agente
electrostáticamente activo modificador incorporado en la resina o
sobre la misma. El agente modificador utilizado es el agente que no
altera las características de fusión o de duración del material en
polvo de resina. El agente modificador es también útil para aumentar
la facilidad con la cual se imparte la carga y se retiene con
independencia de las dimensiones de las partículas de material en
polvo.
De acuerdo con lo anterior, la presente invención
da a conocer un aparato para la carga electrostática de un material
en polvo para su utilización en el recubrimiento mediante polvo, que
se encuentra libre de los inconvenientes convencionales
anteriormente mencionados que permite que una carga electrostática
pueda ser desarrollada de manera eficaz y uniforme sobre el material
en polvo en una forma fiable y repetible y que, además, pueda
controlar de manera precisa y fiable la cantidad y polaridad de
carga electrostática desarrollada (es decir, la capacidad de
recubrimiento de todas las áreas de una pieza a trabajar de manera
regular consiguiendo cualquier espesor requerido).
La invención da a conocer también un aparato para
la producción de un material en polvo destinado al recubrimiento
superficial de objetos sólidos (piezas a trabajar) para su
utilización con el antes mencionado método de carga
electrostática.
Los objetivos de la presente invención se pueden
conseguir colocando el material en polvo modificado en un área en la
que se encuentra presente un campo eléctrico, de manera tal que
permite que la carga eléctrica pase a las partículas del material en
polvo las cuales, por modificación con un agente electrostáticamente
activo, son suficientemente conductoras para facilitar la conducción
eléctrica. Esta característica del material en polvo se significa
por su resistividad (superficie o volumen) y, de modo general,
cuanto menor es la resistividad del material en polvo más fácil es
colocar una carga electrostática sobre el mismo por inducción. Una
vez cargado, el material en polvo es transportado neumáticamente a
la pieza a trabajar. La carga sobre el material en polvo se reducirá
una vez depositado, de manera que la velocidad de disminución
aumenta al disminuir la resistividad. Es muy importante que el
material en polvo permanezca fijado a la pieza a trabajar durante
tiempo suficiente para que esta pieza sea transportada al horno de
curado. Si la carga disminuye demasiado rápidamente, ello no se
puede garantizar. Así pues, existen dos exigencias: baja
resistividad para una carga eficiente y elevada resistividad para
longevidad de la adherencia a la pieza a trabajar.
Para cumplir con esas exigencias contradictorias
se han propuesto una serie de contramedidas distintas. La primera
comporta un enfoque de compromiso de resistividad, de manera que la
resistividad del material en polvo se modifica alcanzando un valor
aproximadamente de 10^{9}-10^{13} ohmios.metros,
y preferentemente entre 10^{10}-10^{12}
ohmios.metros. Para estos valores la carga aproximadamente a 63% de
un valor límite (que es función de las dimensiones de partículas,
dimensiones y material, así como la resistencia del campo eléctrico
al que se expone) se consigue aproximadamente en un tiempo de 0,2 a
2 segundos.
Una vez que se encuentra sobre la pieza a
trabajar puesta a masa, tiene lugar una disminución de la carga al
37% del valor al que había sido cargada en el mismo orden de tiempo
pero el periodo durante el cual funciona la fuerza de tracción
imagen es suficientemente largo para permitir el establecimiento de
las fuerzas de adherencia entre las partículas y el sustrato y entre
las propias partículas entre sí. Estas fuerzas son suficientes para
retener el material en polvo sobre la pieza a trabajar durante un
tiempo suficientemente prolongado para su transporte a efectos de
fusión permanente en un horno. Los tiempos de curado son
habitualmente de 135º-232ºC (275º-450ºF) durante unos
5-10 minutos.
Se debe observar que las partículas en polvo con
resistividades por debajo del límite inferior indicado anteriormente
no se retienen sobre la pieza a trabajar o el sustrato durante
suficiente tiempo para establecer la adherencia, mientras que con
una resistividad por encima del límite superior, el proceso es
difícil de controlar.
Un segundo método comporta la pulverización del
polvo cargado sobre la pieza a trabajar caliente y conectada a masa
o tierra. La temperatura de la pieza a trabajar es tal que asegura
la fusión parcial de las partículas en polvo que se posan sobre la
misma, por lo que la adherencia a la pieza a trabajar es debida a la
humectación de la pieza por el material en polvo fundido y no por
las fuerzas electrostáticas.
Un tercer método comporta una aplicación de
pulverización del material en polvo por medios electrostáticos
ligeramente distinta pero no menos importante: el acabado de
materiales aislantes tales como plásticos o cerámicas. En este caso
la carga del material en polvo y su pulverización es similar a la de
un acabado convencional de conducción de piezas conectadas a tierra
pero la ayuda electrostática para asegurar el depósito e incluso el
recubrimiento se consigue de manera distinta.
Dado que la pieza a trabajar es aislante, no se
induce carga de imagen la misma al aproximarse la nube de material
en polvo cargado, de manera que el material en polvo no será atraído
hacia la pieza a trabajar excepto que en sí mismo haya sido
precargado en la polaridad opuesta de la carga del material en
polvo. Esto se puede conseguir por carga corona de la pieza a
trabajar, disponiendo por lo tanto un campo de depósito entre la
nube de material en polvo y la pieza a trabajar. El recubrimiento
continuará hasta que no exista carga neta en la pieza a trabajar, y
la adherencia se asegura porque no puede tener lugar relajación de
la carga desde la pieza a trabajar de características aislantes.
Otros métodos son posibles, algunos de ellos dependen de la
geometría de la pieza a trabajar aislante, por ejemplo, en el caso
en el que se trata de una hoja delgada o lámina en la que el
recubrimiento de una cara se puede hacer posible disponiendo un
sustrato conductor sobre la cara opuesta y aplicando un voltaje
sobre la misma, de polaridad opuesta a la carga del material en
polvo.
Un cuarto método comporta un descubrimiento
fundamental realizado durante las intensas investigaciones que han
conducido a la presente invención. La solución ideal para las
exigencias contradictorias de baja resistividad para conseguir una
carga eficaz y elevada resistividad para una adherencia adecuada, se
pueden cumplir mejor diseñando un material en polvo que tiene una
resistividad que es, en el sentido más amplio, dependiente de la
situación, es decir, una resistividad que es función de las
condiciones que prevalecen en la estación de carga y en la pieza a
trabajar. Al controlar las condiciones en ambas áreas, habiendo
designado en primer lugar el material en polvo, de manera que sea
extremadamente sensible a cambios en el medio ambiente en el que se
encuentra, se ha observado que es posible asegurar una baja
resistividad en la estación de carga y elevada resistividad en la
pieza a trabajar.
Examinando la actividad de diferentes agentes
modificadores de las característica electrostáticas (a los que se
hará referencia a continuación como agentes modificadores) como
función de la temperatura, contenido de humedad y resistencia del
campo eléctrico, se ha identificado una familia de agentes
modificadores que, cuando se añaden a materiales en polvo
disponibles habitualmente para la pulverización de un material en
polvo, modifican la resistividad de los materiales en polvo
compuestos y los hacen dependientes de las variables antes
mencionadas de temperatura, contenido de humedad y resistencia de
campo eléctrico.
Tal como se ha indicado anteriormente, el
compuesto de resina en polvo para el recubrimiento electrostático de
la presente invención, comprende una resina termocurable o
termoplástica y de 0,01% a 20% en peso de un agente modificador de
las propiedades eléctricas. Este compuesto puede contener además de
un agente de curado, un pigmento, una carga de polvo metálico, un
agente de control de flujo, un clasificante o un estabilizante. En
la presente invención, la resina termocurable puede ser de un tipo
convencional tal como una resina epoxi, como una resina poliéster o
una resina acrílica. De modo similar, una resina termoplástica puede
ser una resina de cloruro de vinilo, una resina de poliamida, una
resina celulosa, una resina de poliolefina, una resina de
polietileno, una resina de poliéster o una resina de nylon. La
resina puede ser utilizada sola o en combinación como mezcla.
El agente modificador de las propiedades
electroestáticas como agente esencial de la presente invención puede
ser un polialquilén éter, un polietilén glicol, un estearil alcohol
polietoxilado, una sal cuaternaria de amonio o una sal amónica
halogenada. Estos compuestos pueden ser utilizados solos o en
combinación con una mezcla de dos o más de ellos.
La sal de amonio cuaternario comprende, por
ejemplo, 3-lauramidopropil trimetilamonio metil
sulfato (Cyostat LS, fabricado por Cyanamid Company) y (Cyostat SN,
Cyastat SP, Cyastat 609 de la misma empresa) y (ATMER gama
antiestática de ICI).
El compuesto de polvo de resina utilizado en el
aparato de la presente invención puede ser preparado fácilmente de
acuerdo con un método convencional. Por ejemplo, la resina de unión
y el agente modificador se pueden calentar, fundir y amasar por
medio de un aparato mezclador convencional tal como un extrusionador
de husillo único o multihusillo, un mezclador Banbury o rodillos
calientes, siendo luego enfriado y pulverizado para obtener un
material en polvo. Cualesquiera métodos comúnmente utilizados para
la preparación de una mezcla de un material en polvo, tal como
cualquier método de mezcla de una resina aglomerante en polvo y un
material en polvo de un agente modificador de propiedades
electroestáticas. En algunos casos puede ser necesario formar una
película sobre la superficie de la resina aglomerante del agente
modificador de las propiedades electroestáticas por aplicación de
energía mecánica a la mezcla. En este caso, la proporción de
diámetros de partículas (volumen medio) debe ser mayor de 10:1,
siendo la resina aglomerante la mayor.
El tamaño de partículas del polvo de resina para
el recubrimiento de acuerdo con la presente invención se encuentra
preferentemente dentro de una gama aproximada de 10 a 250
micras.
El compuesto de recubrimiento de resina en polvo
de la presente invención puede contener además de los componentes
anteriores un endurecedor, un pigmento, un material en polvo
metálico, una carga, un agente de controlador de flujo, un
plastificante, un estabilizante y otros aditivos, según requiera el
caso.
La resina de recubrimiento en polvo de la
presente invención puede ser aplicada a substratos realizados a base
de metales, cerámica, plástico, etc. mediante un aparato de
recubrimiento de material en polvo que también se da a conocer. Se
pueden aplicar diferentes imprimaciones a dichos substratos, u otros
distintos pretratamientos a dichos substratos. Las realizaciones
preferentes del aparato de recubrimiento de materiales en polvo
según la presente invención se describirán a continuación, pero la
invención no queda limitada a la configuración descrita.
La presente invención se comprenderá mejor
haciendo referencia a los dibujos adjuntos en los que las figuras 1
y 2 muestran procesos anteriormente conocidos para aplicaciones de
recubrimiento en polvo. La figura 1 es un diagrama esquemático que
muestra el principio básico de carga corona, mientras que la figura
2 muestra un principio de carga tribo-eléctrica.
La carga por inducción/conducción se basa
esencialmente en el flujo de carga electroestática sobre la
superficie del objeto o material a cargar. Por esta razón, el objeto
o material a cargar no puede ser altamente aislante eléctricamente.
la figura 3(a) muestra este efecto al mostrar una partícula
grande entre dos electrodos paralelos. En la figura no hay material
en polvo aplicado a los electrodos y por lo tanto no hay carga en la
partícula. En la figura 3(b) se aplica un potencial a los
electrodos y la carga electroestática fluye desde el electrodo
inferior sobre la superficie de la partícula y la partícula queda
cargada. Si la partícula ha sido retirada del electrodo inferior y
retirada del sistema, la carga quedaría retenida por la misma. En
este caso queda cargada por inducción.
Lo mismo ocurriría si la polaridad de los
electrodos se invirtiera siendo el electrodo inferior el de voltaje
más elevado y el superior conectado a masa. En este caso, la
partícula sería cargada a una polaridad positiva.
Si la partícula está realizada no a partir de un
material eléctricamente o parcialmente conductor sino a partir de un
aislante tal como Teflón, la carga electroestática de la placa
inferior no sería capaz de fluir sobre la superficie de la partícula
y por lo tanto no adquiriría carga.
Se ha de observar que el término ``inducción'' se
puede aplicar a casos en los que el objeto que se está cargando se
encuentra en contacto con el electrodo conectado a masa o con el
electrodo a elevado voltaje. De manera más precisa, el término
``inducción'' se utiliza en el caso en que el objeto se encuentra en
contacto con masa y ``conducción'' en el caso en que el objeto se
encuentra en contacto con la fuente de alto voltaje. La situación es
simétrica y también lo es la magnitud de la carga conseguida.
Los parámetros importantes con la carga de
inducción/conducción son la velocidad de carga y de descarga. Estas
están controladas por la conductividad eléctrica del material.
Cuanto más resistente es un material más tiempo requiere para
conseguir los niveles máximos de carga. Por ejemplo, un metal que es
altamente conductor adquirirá carga por inducción dentro de una
fracción de tiempo de un microsegundo. Un polímero contaminado
("dopado") puede requerir varios segundos.
Una orientación aproximada de la velocidad a la
que el material adquirirá o disipará una carga por
inducción/conducción queda facilitada por la siguiente fórmula:
t=e_{o}e_{r}p
en la que p es resistividad del material en
ohmios.metros, e_{o} es la permisividad del espacio libre (8,85 x
10^{-12}), e_{r} es la constante dialéctrica y t es el tiempo
necesario para que la carga alcance 63% de su máximo cuando se
efectúa la carga (o 37% de su máximo cuando se efectúa
descarga).
Tanto los suministros de potencia en alto voltaje
como sistemas de alimentación de material en polvo son tecnologías
establecidas. El cambio de inducción/conducción de un material en
polvo se conseguirá en la plataforma de transferencia de carga, que
es una de las áreas principal de la invención. El diseño exacto
variedad de acuerdo con la utilización. De modo ilustrativo, la
plataforma para recubrimiento de una pieza grande y pesada
transportada sobre una guía o pista no se parecería en modo alguno a
la plataforma para cajas de fundición suspendidas de un
transportador elevado. La plataforma de carga puede ser incorporada
o bien en el cabezal del cañón o más arriba del cañón de manera que
el material en polvo se carga por adelantado de la inyección en vez
de hacerlo en el punto de inyección. Además, resulta posible
incorporar dos etapas de carga, la primera corriente o flujo en el
cañón de manera que el material en polvo precargado llega al punto
de inyección; ``completando'' la carga del material en polvo en este
punto la segunda utilización de un electrodo de alto voltaje como
tobera del cañón y utilizar el campo eléctrico establecido entre la
tobera alta y la pieza a trabajar puesta a tierra para ayudar en la
transferencia y depósito del material en polvo.
La figura 3(a) es un diagrama esquemático
que representa un objeto (2) que descansa sobre una placa (3) entre
un campo eléctrico neutro. La figura 3(b) es un diagrama
esquemático que muestra un campo eléctrico aplicado entre las placas
de la figura 3(a) al elevar la placa superior (4) a un alto
voltaje en el que la carga inducida pasa a la superficie del
objeto.
La figura 4 muestra un sistema de recubrimiento
por inducción alternativo. El material en polvo es transferido
neumáticamente a una zona de elevado campo eléctrico en el cabezal
(5) del cañón donde adquiere carga por inducción. El material en
polvo cargado (6) es transferido a una pieza a trabajar (7) por
combinación de campo eléctrico y flujo de aire. La introducción de
un contra electrodo puede intensificar el campo en este punto y
mejorar la carga de intensidad incrementada en caso necesario. El
efecto y necesidad de este electrodo se pueden determinar por
análisis de geometría de campo.
La figura 5 está dirigida al concepto inventivo
de la presente invención y muestra la representación preferente del
diseño básico para un aparato de carga por inducción de material en
polvo. Muestra un cargador electroestático de tipo de lecho
fluidizado y aplicador de material en polvo. El material en polvo es
alimentado de manera continua a un lecho eléctricamente aislado o
zona (10) eléctricamente aislada desde el depósito de material en
polvo (no mostrado) a través de la abertura (12). El conjunto del
lecho puede quedar dispuesto sobre una mesa vibrante (14) que ayuda
a liberar el material en polvo del lecho. Se alimenta aire de
fluidización (16) por debajo de la placa (18) de distribución de
aire y el aire de transporte entra en el lecho cerca de la parte
superior en una dirección radial desde (20) dispuesto en oposición
directa de la abertura de salida (22) a la tobera (24) que dirige el
material en polvo al substrato (26). Se dispone un campo eléctrico
sobre el lecho, siendo los electrodos un electrodo de alto voltaje
(28) que recibe suministro de una fuente (30) de tensión
extraelevada. El electrodo inferior está constituido por las capas
superiores del polvo fluidizado en contacto con la rejilla
sintetizada (32). La carga es inducida sobre el material en polvo al
entrar éste en el lecho y una vez llevado hacia arriba y hacia fuera
del lecho por el aire de fluidización y transporte, esta carga es
bloqueada sobre el material en polvo hasta que alcanza la pieza a
trabajar. Un campo eléctrico creado entre la tobera de alto voltaje
del aplicador y la pieza a trabajar puesta a masa ayuda al
transporte y depósito del material en polvo cargado.
En una realización adicional, la presente
invención está dirigida a una modificación del aparato antes
mencionado de la figura 5 que comprende adicionalmente un cañón de
pulverización soportado manualmente. Este aparato se ha mostrado en
la figura 6 y está formado en combinación, por los siguientes
elementos:
- (a)
- un depósito de partículas de resina en polvo, (no mostrado),
- (b)
- un cañón de pulverización (34) formado por un cilindro (36) por el cual se pueden transportar las partículas (38) a un substrato (60) y medios (42) para soportar el cañón,
- (c)
- una zona (44) de carga electroestática por inducción en un extremo del cilindro, estando la zona formada por dos electrodos separados entre los que se puedan hacer pasar partículas cargadas hacia el exterior, siendo uno de los electrodos (46) un electrodo de alto voltaje y siendo el otro un electrodo conectado a masa (48),
- (d)
- una resistencia de alto voltaje (50), medios de cable de alto voltaje (52) embebidos en el cilindro del cañón y conectados a una fuente de alto voltaje (no mostrado),
- (e)
- medios (54) para conectar el electrodo conectado a masa a una fuente de conexión externa a masa, y
- (f)
- medios (40) para introducir partículas de polvo fluidizado (38) en el otro extremo del cañón.
El material en polvo con una gama de resistividad
de 10^{9} a 10^{13} ohmios.metros es transportado neumáticamente
al cañón por medio de un tubo flexible (40). El material en polvo es
transportado a lo largo del cañón hueco hasta que alcanza la zona de
carga electroestática por inducción al final del cañón. La zona de
carga está formada por dos electrodos con el electrodo de alto
voltaje mostrado en la parte baja de la figura 6. Se aplica potencia
eléctrica hasta 60kv al electrodo de alto voltaje por medio de un
cable de alto voltaje con intermedio de una resistencia de alto
voltaje embebida en el cilindro del cañón y en proximidad íntima al
electrodo. El material en polvo, obligado a establecer el contacto
con uno de los electrodos, adquiere carga debido a la inducción
antes de la inyección desde el cañón.
El material en polvo (56) cargado e inyectado es
transportado a la pieza a trabajar o substrato (60) por una
combinación de aire de transporte y campo eléctrico (62) y chocará
sobre el substrato. Las partículas de polvo quedarán retenidas sobre
la superficie (58) de la pieza a trabajar por medio de fuerzas
electroestáticas. La pieza a trabajar es transferida a continuación
al horno de curado que permite que el material en polvo se funda. De
manera alternativa la fusión del material en polvo puede empezar por
contacto mediante precalentamiento de las substancia.
Ambos aparatos de la figuras 5 y 6 pueden ser
construidas a partir de materiales que serán evidentes para los
técnicos en la materia, después de conocer la materia de la presente
invención.
También se debe observar que los aparatos de las
figuras 5 y 6 se utilizan conjuntamente para tener la seguridad de
que la totalidad de las partículas quedan completamente cargadas
antes del depósito sobre el substrato.
La invención se explicará a continuación teniendo
en cuenta los siguientes ejemplos:
Se utilizó en este ejemplo de prueba Evlast
1000/1W104, resina en polvo de poliéster de color blanco fabricada
por EVTECH Co. de Carolina del Norte, U.S.A..
La resistividad del material en polvo con una
humedad relativa de 20% se determinó en un valor de 1,5 x 10^{15}
ohmios.metros. La resistividad fue medida utilizando una celda de
medición de resistividad de material en polvo desarrollada por
Wolfson Electrostatics, University of Southampton, UK.
Un kilo de este material en polvo fue mezclado
con 2% en peso de agente Cyostat LS. La mezcla fue combinada,
extrusionada, enfriada y molida hasta adoptar forma de polvo fino.
El material en polvo resultante fue cribado y se utilizó para este
ejemplo la parte que atravesaba una criba de 150 pm.
La resistividad del material en polvo de pruebas
a una humedad relativa de 20% se determinó con un valor de 1 x
10^{11} ohmios.metros. El diámetro promedio del volumen de
material en polvo de la prueba se determinó en 40 micras.
Se suministró un caudal de 4gr.min^{-1} del
material en polvo de la prueba a un aparato similar al mostrado en
la figura 6. Una vez se encontró una cantidad suficiente de material
en polvo en el lecho, se abrieron el aire de fluidización y el aire
de transporte y se ajustaron de manera que se alcanzaron condiciones
de estado permanente, es decir, que la cantidad de material en polvo
que salía del lecho por la tobera era igual a la que entraba como
alimentación. Una vez alcanzadas estas condiciones, se aplicó un
voltaje de 20 kV al electrodo superior. El intersticio entre el
electrodo superior y la placa puesta a masa era de 10 cm, por lo que
se estableció a través del lecho un campo eléctrico mínimo de 2 kV
cm^{-1}.
Se colocó una placa objetivo conductora (pieza a
trabajar de pruebas) con una superficie aproximada de 100 cm^{2} a
30 cm directamente por delante de la tobera. La placa objetivo fue
puesta a tierra con un electrómetro capaz de medir la cantidad de
carga que pasaba a la placa.
Se recogió material en polvo sobre la placa
durante 20 segundos, empezando 5 segundos después de haber aplicado
el voltaje. En este momento se recogieron sobre la placa 1,1 grs de
material en polvo al que habían pasado 9,4 x 10^{-8} Culombios de
carga. Esto indica que se había aplicado una carga de casi 1 x
10^{-4} Culombios por kilo al material en polvo por carga de
inducción. Estos niveles de carga específicos son suficientes para
una buena adherencia del material en polvo. Todos los materiales en
polvo se adhirieron a la placa durante dos minutos como mínimo
después de haber interrumpido la pulverización.
Se utilizó para este ejemplo de pruebas
Scotchkote 213, que es un material en polvo de resina epoxi
aglomerada en fusión fabricada por 3 M de Minnesota, U.S.A.
Un kilo de este material en polvo fue mezclado en
seco con 20 grs de un agente antiestático. Los materiales en polvo
se mezclaron en un mezclador Waring hasta obtener una mezcla
ordenada. Antes y después de la modificación, se determinó la
resistividad del aglomerante y del material en polvo combinado en 3
x 10^{14} ohmios.metros y 1,2 x 10^{9} ohmios. metros
respectivamente con una humedad relativa del 20%. El diámetro
promedio del material en polvo de pruebas fue de 25 \mum.
Se suministraron al aparato 3grs.min^{-1} del
material en polvo de pruebas de manera similar al Ejemplo 1. También
en este caso, al alcanzar condiciones estables, se aplicó al
electrodo superior un voltaje de 20 kV. En este caso la placa
objetivo fue calentada a una temperatura superficial de 115ºC y se
pulverizó material en polvo sobre la placa durante 30 segundos.
Durante este tiempo se transfirieron a la placa 1,35grs del material
en polvo y pasó a la placa una carga de 5,5 x 10^{-7} Culombios.
Todo el material en polvo se adhirió a la placa, con fusión de la
capa en contacto con la misma.
Además de substituir los sistemas de
recubrimiento con material en polvo convencionales, la presente
invención encuentra aplicaciones en otras áreas de recubrimiento
industrial. A condición de que el material a aplicar pueda ser
cargado por inducción/conducción y que las características de flujo
del material sean las adecuadas, la utilización de
inducción/conducción como método de carga tiene ventajas en
numerosas aplicaciones industriales.
Por ejemplo, hay un gran interés en la aplicación
de recubrimientos de buena calidad a materiales eléctricamente
aislantes. Uno de dichos casos, es la aplicación de recubrimientos
decorativos a artículos de vidrio, tales como botellas. Existe en
realidad un problema intrínseco en la consecución de dicho objetivo
con sistemas electrostáticos convencionales dado que la descarga
corona sobre equipos de recubrimiento normales produce una
proporción elevada de iones libres que cargan la superficie que se
desea dotar de recubrimiento con la misma polaridad que el material
aplicado. Dado que la superficie que se desea recubrir es
eléctricamente aislante, la carga no puede escapar y repele
rápidamente las partículas entrantes, resultando en una reducida
eficacia de transferencia y recubrimientos de poca calidad. En el
caso de un material en polvo cargado por inducción/conducción, los
iones libres no se producen y por lo tanto no se presenta este
problema.
Existe también una serie de otras industrias
específicas en las que la utilización de carga de material en polvo
por inducción/conducción antes de la aplicación a un objeto o
superficie puede ser ventajosa. La aplicación de un recubrimiento de
buena calidad a aislantes, recubrimiento anticorrosión de tuberías y
contenedores, recubrimiento interno de bombillas de alumbrado,
efecto escarchado de vidrio y recubrimientos decorativos sobre
muebles de madera o de plástico, pueden ser conseguidos por la
práctica de la presente invención.
También es conocido que sabores populares tales
como pimiento y cebolla en aperitivos envasados se aplican
habitualmente en forma de polvo de manera relativamente sencilla que
es ineficaz y que crea desperdicio. Muchos artículos alimenticios
quedan dentro de una banda de resistividad de
10^{6}-10^{13} ohmios.metros lo que les hace
candidatos ideales para carga por inducción electrostática.
Asimismo, los aperitivos en los que se aplican los sabores o aromas
en polvo son frecuentemente conductores eléctricos imperfectos y
esto refuerza las ventajas de carga por inducción, debido a la
ausencia de iones libres.
Si bien la presente invención ha sido ilustrada
con los ejemplos precedentes, no se debe considerar que queda
limitada por los materiales utilizados en ella, sino que la
invención se refiere al área genérica que se ha descrito hasta el
momento. Se pueden realizar varias modificaciones y realizaciones de
la misma sin salir del ámbitos de las reivindicaciones
siguientes.
Claims (6)
1. Aparato para la aplicación de partículas
cargadas electrostáticamente (6,38,56) sobre un substrato
(2,7,26,58) en el que forman un recubrimiento continuo y uniforme,
cuyo aparato comprende en combinación:
(a) una zona de lecho fluidizado aislante
eléctricamente (10) para cargar inductivamente partículas de
material en polvo de resinas,
(b) medios de alto voltaje (28,46) dispuestos en
una parte de la zona (10) de lecho fluidizado y conectados a una
fuente de suministro de potencia de alto voltaje variable (30),
(c) medios de electrodos conectados a masa
(32,48) dispuestos en otra parte de la zona de lecho fluidizado, de
manera que se puede crear un campo eléctrico entre los electrodos de
alto voltaje y conectados a tierra para cargar inductivamente las
partículas,
(d) medios de fluidización por aire (16,18) para
la introducción de aire en la zona del lecho fluidizado,
estableciendo de esta manera en presencia de las partículas en polvo
de la resina una nube de polvo cargada electrostáticamente dentro de
la zona de fluidificación;
caracterizado por:
(e) medios de transporte (20,22) para transportar
partículas de material en polvo cargadas eléctricamente desde el
lecho fluidizado, y
(f) medios dispensadores (24) fijados a los
medios transportadores para dirigir las partículas cargadas
eléctricamente al substrato.
2. Aparato, según la reivindicación 1, en el que
los medios de alto voltaje (28,46) proporcionan hasta 60 kv.
3. Aparato, según la reivindicación 1, en el que
dichos medios dispensadores comprenden, en combinación, un cañón de
pulverización (34) que tiene:
(a) un cañón (36) por el cual las partículas (38)
pueden ser transportadas a un substrato (2,7,26,58) y medios (42)
para soportar el cañón,
(b) una zona de carga electrostática por
inducción en un extremo del cañón, estando la zona formada por dos
electrodos separados (46,48) entre los cuales se pueden hacer pasar
al exterior partículas cargadas (6,38,56), siendo uno de los
electrodos un electrodo de alto voltaje (46) y el otro un electrodo
(48) conectado a masa
(c) un cable de alto voltaje (52) para una
resistencia de alto voltaje (50), embebida en el cañón y conectado a
una fuente de alto voltaje,
(d) un dispositivo (54) para conectar el
electrodo conectado a masa (48) a una fuente de toma de tierra
exterior, y
(e) medios (40) para introducir partículas de
material en polvo fluidizado en el otro extremo del cañón.
4. Aparato, según la reivindicación 3, en el que
los medios de alto voltaje proporcionan hasta 60 kv.
5. Procedimiento para la formación de un
recubrimiento duradero de una resina sobre un substrato, que
comprende la aplicación a dicho substrato de partículas
electrostáticamente cargadas de una resina en polvo preparadas por
el aparato de reivindicación 1 ó 4 y fundiendo dicha resina a dicho
substrato antes de disipar la carga de dichas partículas.
6. Procedimiento, según la reivindicación 5, en
el que las partículas de resina en polvo en su inyección tiene una
resistividad comprendida entre 10^{9} y 10^{13} ohmios.metros
con una humedad relativa de 20 por cien.
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