周麗梅(四川泛華航空儀表電器有限公司，四川 成都 610500)

0 引言

當(dāng)下油漆涂裝的發(fā)展趨勢(shì)是越來越綠色環(huán)保，因此傳統(tǒng)的油漆工藝也由溶劑型逐漸發(fā)展演變?yōu)樗云?。此外，涂裝的工序也不斷優(yōu)化，涂裝效率不斷提高，而人力物力成本逐步降低。了解油漆涂裝中的物理學(xué)能夠?qū)τ推嵬垦b工藝有更加全面的認(rèn)知，對(duì)相關(guān)技術(shù)人員而言，掌握其中的物理學(xué)知識(shí)能夠提高自身的專業(yè)素養(yǎng)和綜合能力。

1 常見油漆涂裝工藝

1.1 輥涂

輥涂的應(yīng)用原理是將轉(zhuǎn)輥?zhàn)鳛橥苛陷d體，當(dāng)涂料在轉(zhuǎn)輥表面形成具有一定厚度的濕膜之后通過與被涂物的接觸進(jìn)而完成涂裝。作為在實(shí)際生活中應(yīng)用最廣泛的油漆涂裝工藝，輥涂通常被用在金屬板、膠合板等構(gòu)件的涂裝。

1.2 空氣噴涂(噴槍加壓縮空氣)

空氣噴涂是當(dāng)下最為常見的油漆涂裝工藝之一，其具體工作原理是讓壓縮空氣所形成的氣流通過噴槍噴嘴形成負(fù)壓，負(fù)壓能夠從吸管中吸入油漆材料，再經(jīng)由噴嘴噴出之后以噴霧的形式噴射到被涂物上，空氣噴槍結(jié)構(gòu)入圖1 所示。

圖1 空氣噴槍結(jié)構(gòu)

1.3 靜電噴涂

靜電噴涂的工作原理是通過高壓靜電電場(chǎng)讓涂料顆粒定向運(yùn)動(dòng)進(jìn)而使得涂料附著在被涂物表面。目前常用的靜電噴涂設(shè)備包含了噴槍、噴杯等組件，靜電噴槍結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

1.4 電泳噴涂

電泳涂裝的工作原理是通過外加電場(chǎng)讓顏料和樹脂微粒進(jìn)行定向遷移，使得這些微粒能夠沉積在基地表面進(jìn)而完成涂裝，在水性漆料得到廣泛應(yīng)用的當(dāng)下，電泳涂裝具有十分積極的

圖2 靜電噴槍結(jié)構(gòu)

意義，作為一種特殊的涂膜形成手段具備著無毒、能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)階段被普遍應(yīng)用于汽車制造、家電生產(chǎn)等行業(yè)。

1.5 高壓無空氣噴涂

高壓無空氣噴涂的原理是通過高壓柱塞泵對(duì)油漆進(jìn)行加壓，使得油漆能夠在高壓力的情況下噴出槍口，利用霧化氣流在被涂物表面沉積。與有氣噴涂的方式相比，無氣噴涂能夠被用于高粘度油漆的涂裝之中，同時(shí)由于能夠?qū)崿F(xiàn)邊緣清晰的涂裝效果，因此也可以備用有邊界要求的涂裝工程，不同氣壓噴涂方式的效率如圖3 所示。

圖3 氣壓噴涂方式的效率

在具體的分類上，可以按照涂裝中使用的機(jī)械類型氛圍氣動(dòng)式無氣噴涂機(jī)、電動(dòng)式無氣噴涂機(jī)以及內(nèi)燃式無氣噴涂機(jī)等多種類型。

2 典型的物理學(xué)應(yīng)用涂裝工序

2.1 陰極電泳

電泳涂裝這一工序中有非常明顯的物理學(xué)應(yīng)用，從電泳噴涂的工作原理可以發(fā)現(xiàn)電場(chǎng)力在涂裝中的過程中發(fā)揮著十分重要的作用。而電場(chǎng)力就是典型的物理概念。利用電場(chǎng)力來進(jìn)行油漆噴涂能夠保證涂層的致密性和均一性。以電泳噴涂在汽車車身涂裝中的應(yīng)用為例，在進(jìn)行涂裝時(shí)電沉積這一過程時(shí)間的不斷增減，漆膜的厚度也會(huì)不斷增加，因此面臨的電阻也不斷提高，這個(gè)過程會(huì)一直持續(xù)到汽車車身變成完全絕緣的狀態(tài)。為了保證電泳噴涂的效果和質(zhì)量就需要對(duì)電泳樹脂、顏料以及溶劑等相關(guān)材料做好檢查工作，并且結(jié)合電壓、電導(dǎo)率等因素進(jìn)行全面綜合的考量。

電導(dǎo)率能夠在很大程度上反映出電泳噴涂中顏料和樹脂微粒的移動(dòng)狀態(tài)以及通電的水平，在汽車車身的電泳噴涂中，電泳槽液的電導(dǎo)度會(huì)受到一定程度的影響，因此在預(yù)處理之后的車身被放置到電泳槽之后，車身和電泳槽液間存在著非常高的電位差，當(dāng)車身不斷下行時(shí)電流會(huì)不斷加大，電泳涂層不斷在車身表面沉積，這種情況下電阻也會(huì)不斷的提高，因此電位差會(huì)呈現(xiàn)出不斷減小的狀態(tài)，在這種情況下電流也會(huì)逐步減小，最終成為殘余電流。

2.2 油漆噴涂

現(xiàn)階段在汽車車身的油漆噴涂中單色漆通常使用的是100%ESTA 噴涂。而金屬漆則較為復(fù)雜，是將 ESTA 和Spraymate空氣噴涂這二者相結(jié)合，需要注意的是，在金屬漆的噴涂方式中，前者對(duì)油漆利用率可以達(dá)到90%，而后者的利用率通常在31%～40%之間。油漆噴涂的效果需要從光學(xué)和電場(chǎng)這兩個(gè)物理學(xué)概念進(jìn)行評(píng)價(jià)。油漆微粒是油漆噴涂中的關(guān)鍵要素，而許多因素都會(huì)對(duì)油漆微粒在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響，比如質(zhì)量、慣性、空氣流動(dòng)等物理因素。目前在進(jìn)行油漆噴涂時(shí)通常是往復(fù)機(jī)噴涂以及機(jī)器人噴涂這兩種模式，這兩種噴涂方式都可以分為靜電高轉(zhuǎn)速旋杯噴涂以及自動(dòng)氣噴槍這兩步驟，這其中高速旋杯靜電噴涂需要力、轉(zhuǎn)速與電的高效配合，這三者的工作都需要物理學(xué)的支撐，利用強(qiáng)離心力與靜電力進(jìn)而將涂料霧化完成油漆噴涂。

3 物理學(xué)在油漆涂裝中的具體實(shí)踐

3.1 力的物理運(yùn)用

在油漆涂裝中，位于噴杯內(nèi)壁的材料通過快速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力被運(yùn)送到噴口，再借由機(jī)械的作用力來完成油漆材料的霧化，霧化之后的油漆材料又在電壓和空氣的作用下完成附著沉積到被涂物表面，完成油漆涂裝。在這一過程中，電壓值是影響涂裝效果的重要因素，而影響噴射形狀和油漆微粒運(yùn)動(dòng)速度的主要因素是成形空氣。影響油漆微粒運(yùn)行估計(jì)的決定因素包括了成形空氣的充足程度、噴杯所選擇的結(jié)構(gòu)形狀以及空氣壓力的強(qiáng)度等，種種因素都是力在油漆涂裝中的物理運(yùn)用。

3.2 轉(zhuǎn)速的物理性

轉(zhuǎn)速的物理性在油漆涂裝中也十分常見，當(dāng)噴杯轉(zhuǎn)速逐漸提高時(shí)，通常情況下線狀霧化也會(huì)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槠瑢訝罨蛘呤菧u輪狀多片式的霧化形式，當(dāng)轉(zhuǎn)化為多片式霧化形式后油漆微粒將不會(huì)出現(xiàn)衰變。換言之，在噴杯的轉(zhuǎn)速超過20000r/min 之后，線狀霧化會(huì)逐步完成向片狀霧化的轉(zhuǎn)變，油漆微粒不會(huì)發(fā)生衰變的情況，而相較之下片狀霧化的油漆微粒分布范圍大于現(xiàn)狀 霧化中的油漆微粒的分布范圍。

綜上可以發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)速能夠?qū)τ推嵬垦b的效果產(chǎn)生直接的影響。當(dāng)噴杯轉(zhuǎn)速達(dá)到20000r/min 之后油漆微粒不會(huì)發(fā)生衰變，而達(dá)到25000r/min 之后，油漆微粒的粒徑不斷減小，但是減小的變化幅度逐漸平緩。隨著轉(zhuǎn)速的不斷增加，油漆材料霧化的密度逐漸減小，材料之中的溶劑的揮發(fā)速度不斷增加，在這種情況下需要基于氣溫噴房的溫度并結(jié)合轉(zhuǎn)速的實(shí)際情況來適時(shí)、科學(xué)、謹(jǐn)慎地添加高沸點(diǎn)溶劑。

此外，隨著轉(zhuǎn)速的不斷提高，離心力也會(huì)不斷加大，而此時(shí)如果其他參數(shù)沒有發(fā)生變化，那么質(zhì)量或者粒徑相對(duì)較大的顏料鋁粉會(huì)更容易被甩出原本所規(guī)劃的噴涂軌跡，這種現(xiàn)象能夠在很大程度上保證油漆涂裝的遮蓋性和流平性，另一方面，這種現(xiàn)象又會(huì)推動(dòng)油漆制造商加強(qiáng)研發(fā)，提高油漆微粒的加工工藝。

3.3 電的物理運(yùn)用

電荷會(huì)對(duì)漆膜的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，即不同的油漆涂裝工藝所形成的漆膜不同是由于電荷存在差異。通過高速靜電旋杯噴涂所形成的噴霧會(huì)在電荷力的作用之下出現(xiàn)局部動(dòng)力不足的情況，進(jìn)而影響到噴涂效果，導(dǎo)致效應(yīng)顏料的定向不能夠平鋪排列。與之相比，空氣噴涂則能夠保證理想排列的效果。

現(xiàn)階段在油漆涂裝工藝中常見的加壓方式有直接和間接加壓這兩種，在進(jìn)行噴漆加壓方式的選擇時(shí)應(yīng)該基于油漆水性與溶劑類型這兩方面。當(dāng)采用直接加壓的噴漆加壓方式時(shí)，加壓的電極應(yīng)該是旋杯的折角；當(dāng)采用間接加壓的噴漆加壓方式時(shí)，加壓的電極需要以環(huán)狀的形式圍繞于噴杯的杯體外圍。

此外，不同加壓方式中“涂料霧化”與“高壓”兩個(gè)環(huán)節(jié)的運(yùn)作順序也存在著差異。當(dāng)采用間接加壓的方式時(shí)，應(yīng)該先進(jìn)行涂料霧化再利用靜電高壓從而使得涂料帶電；當(dāng)采用直接加壓的方式時(shí)，兩個(gè)步驟應(yīng)該同時(shí)進(jìn)行。

通常情況下，水性漆與溶劑型漆這二者之間的電阻數(shù)值差異較大，前者一般不超過0.1MΩ，后者一般在0.5～20MΩ 的范圍內(nèi)。介電常數(shù)是用于描述統(tǒng)一電容器內(nèi)不同狀態(tài)下電容的比值，具體而言是以某種物質(zhì)為電介質(zhì)，這時(shí)電容C 與真空狀態(tài)下的C0的比值。介電常數(shù)能夠反映出介電質(zhì)在電場(chǎng)中儲(chǔ)存靜電能的相對(duì)能力，介電常數(shù)與絕緣性能和電阻率呈現(xiàn)出反向相關(guān)的關(guān)系，當(dāng)介電常數(shù)越小時(shí)意味著該物質(zhì)絕緣性能越優(yōu)，電阻率也越高。由于水的介電常數(shù)很大，所以水性漆的絕緣性能較差，即水性漆具有很好的導(dǎo)電性。

4 結(jié)語

油漆涂裝在現(xiàn)代產(chǎn)品制造中發(fā)揮著十分重要的作用，是其中不可或缺的一個(gè)環(huán)節(jié)，隨著生產(chǎn)制造業(yè)的更新升級(jí)，油漆涂裝工藝的技術(shù)水平也實(shí)現(xiàn)了長足的進(jìn)步，不僅涂裝方式更加先進(jìn)，油漆材料也更加綠色環(huán)保，而力、轉(zhuǎn)速、電等物理學(xué)知識(shí)和技能在尤其涂裝工藝中應(yīng)用十分廣泛，因此提升對(duì)油漆涂裝工藝中的物理學(xué)認(rèn)知，有助于推動(dòng)油漆涂裝工藝更好地向前發(fā)展。