СПОСОБ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЙ ОКРАСКИ
METHOD AND PLANT FOR ELECTROSTATIC PAINTING

Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится к способу и установке для систем для электростатического нанесения порошкового покрытия, в которых находит применение использование несущей текучей среды, содержащей воздух, очищенный от нежелательных веществ, а также ионизационная и термическая обработка указанной несущей текучей среды.
В частности, изобретение относится к способу и установке для нанесения покрытия, в которых в качестве несущей текучей среды краски используется смесь, обогащенная азотом/кислородом/аргоном и получаемая непрерывным образом из сжатого воздуха во время нанесения покрытия.
Уровень техники
Как известно, в уровне техники, относящемся к системам нанесения порошкового покрытия, предусматривается использование системы электростатического распыления на основе эффекта короны, в которой на концевой части распылителей размещены одна или более игл, обеспечивающих зарядку порошка для притяжения к продуктам, предназначенным для нанесения покрытия, или системы, известной как «трибо», при помощи которой порошок заряжают путем трения в специально предусмотренной трубе.
В каждом случае технологические этапы нанесения покрытия предусматривают захват порошка, перемещение псевдоожиженного слоя, распыление/пульверизацию порошка и подачу электростатически заряженного порошка на подложку, предназначенную для нанесения покрытия.
Известно также, что перистальтическое восстановление диспергированного порошка обычно обеспечивается с помощью сжатого воздуха, образуемого стандартным компрессором.
Один из известных недостатков заключается в том, что используемый сжатый воздух захватывает вместе с собой элементы, которые неблагоприятны для оптимального проникновения раската и потока порошка по подложкам, предназначенным для нанесения покрытия, такие, например, как влажность, частицы углеводородов вследствие сжатия воздуха и частицы во взвешенном состоянии, которые присутствуют в атмосферном воздухе.
Даже если операция нанесения покрытия проводится в специально предназначенных камерах для распыления или в защищенных средах, подлежащие нанесению покрытия подложки подвергаются влиянию относительной влажности окружающей среды. Эта проблема является существенной, поскольку она приводит к появлению микропузырьков, которые образуются между подложкой и пленкой покрытия, при этом с течением времени в самой пленке могут возникать трещины с последующими проблемами, связанными с качеством и отслоением пленки.
В связи с этим следует в сущности напомнить, что в соответствии со справочными таблицами США, относящимися к стандартной международной атмосфере, воздух окружающей среды состоит из следующих элементов (ppmV означает число частей на миллион по объему):
Из вышеуказанного вытекают проблемы, типичные для нанесения стандартного порошкового покрытия, в котором используется воздух без какой-либо обработки в качестве несущей текучей среды для этапов контроля порошкового псевдоожиженного слоя, захвата, распыления и перистальтического восстановления.
Загрязнение вследствие влажности, везикулярное загрязнение от углеводородных остатков, а также масляные органические вещества приводят в результате, кроме того, к образованию комков и скоплений порошка, к затруднительности их захвата в распределительных каналах, к неоднородности распыления и к отсутствию оптимального распространения порошка, а также к отсутствию равномерности толщины с последующими трудностями в обеспечении потока нанесения покрытия.
Кроме того, для электростатического нанесения порошкового покрытия или жидкого покрытия типичным является образование в углах или на концах перфораций, присутствующих в предназначенном для нанесения покрытия продукте, эффекта клетки Фарадея, который препятствует однородности или оптимальному распределению, проникновению и потоку порошка, а в некоторых случаях вызывает отсутствие наносящего покрытие продукта, например, в углах или на ребрах, которые типичны для электродвигателей или нагревательных приборов, таких как радиаторы или компоненты бытовых электроприборов и, в целом, стальных конструкций.
Известны также трудности в имеющихся в настоящее время системах электростатической зарядки тонкомолотого порошка для получения высококачественных отделок. В сущности, трудно обеспечить зарядку и поддержание заряда мелкозернистого порошка и нанометрового порошка до воздействия на продукты для оптимальной пульверизации и равномерного распределения по поверхностям или продуктам различной природы под действием электростатического заряда.
Также известны проблемы в системах нанесения покрытия тонкомолотого порошка или нанометрового порошка, в которых в качестве носителя используется обычный сжатый воздух, который увлекает вместе с собой загрязняющие элементы (среди которых имеются частицы углеводородов, частицы воды и загрязняющая пыль различной природы), что затрудняет оптимальное распределение, проникновение и поток порошка по поверхностям.
Несмотря на все вышеуказанные недостатки, в любом случае в известных системах в качестве несущей текучей среды для порошка используется обычный сжатый воздух, хотя он увлекает вместе с собой частицы влажности, частицы паров масла и летучие частицы, присутствующие в атмосфере, что, таким образом, вызывает упомянутые выше проблемы.
Таким образом, основной задачей настоящего изобретения является создание установки и способа электростатического нанесения порошкового покрытия, которые свободны от вышеуказанных недостатков известных систем.
Раскрытие изобретения
Решение вышеуказанных и дополнительных задач достигается с помощью способа и установки для электростатического нанесения порошкового покрытия в соответствии с одним или более пунктами прилагаемой формулы изобретения, которые предусматривают использование в качестве несущей текучей среды смесь азота/кислорода/аргона, получаемую непрерывно в течение процесса нанесения покрытия из сжатого воздуха, модифицированного и затем используемого для перемещения псевдоожиженного слоя, захвата порошка, пульверизации, перистальтического восстановления, электростатической предварительной зарядки порошка положительными или отрицательными ионами начиная со псевдоожиженного слоя.
В частности, воздух «модифицируется» в том смысле, что начиная от указанного выше естественного состава окружающего воздуха для реализации изобретения последний почти полностью очищается от кислорода, а также полностью очищается от других нежелательных веществ, присутствующих в естественном составе, при этом, таким образом, получают смесь, состоящую исключительно из азота/кислорода/аргона в указанных ниже предпочтительных процентах, которые обеспечивают нижеописанный благоприятный синергетический эффект с ионизационной и термической обработкой несущей текучей среды.
В качестве предпочтительного, но не необходимого, решения для реализации изобретения, указанную смесь получают посредством половолоконной мембраны осмотического разделения или посредством углеродного молекулярного сита (CMS) с использованием системы адсорбции с перепадом давления (PSA).
Первое преимущество изобретения заключается в том, что при использовании в качестве носителя модифицированного таким образом воздуха, обогащенного азотом/кислородом/аргоном, скорость тяги значительно увеличивается, что приводит к образованию менее турбулентного и более быстрого потока, который менее подвержен влиянию атмосферных агентов, таких как влажность и, таким образом, обеспечивает лучшее и более равномерное распределение продукта по поверхностям.
Второе преимущество заключается в том, что смесь, получаемая из воздуха, модифицированного азотом/кислородом/аргоном, является в сущности безводной, и, следовательно, свободной от влаги и частиц углеводородов, которые являются причиной везикулярного загрязнения наносящих покрытие продуктов.
Еще одно преимущество заключается в том, что с помощью смеси азота/кислорода/аргона и предварительной зарядки с обеспечением подходящей температуры псевдоожиженного слоя и распылителей можно также предусмотреть два или более выпускных отверстий, поддерживаемых при различных температурах выпускного отверстия, которые могут быть оптимизированы для различных областей нанесения покрытия на продукт, а также могут сократить время нанесения покрытия при любых условиях. Тем самым обеспечивается более высокая скорость устройства с возвратно-поступательным движением, которое перемещает распылители для подачи порошка, с целью получить большую однородность и большую толщину за более короткое время, при этом главные преимущества заключаются в экономии порошка покрытия и в высокой производительности, в частности, в роботизированных системах.
Дополнительное преимущество заключается в том, что, поскольку смесь азота/кислорода/аргона имеет более высокую скорость, создается воздействие, которое обеспечивает лучшую адгезию порошка на продуктах, что, таким образом, обеспечивает лучшие адгезию/проникновение и поток порошка, при этом веер распыла имеет оптимальное распыление без рассеивания порошка на концах веера, что ограничивает обратный эффект благодаря возможности использования меньших сопел, установленных на распылителях, по сравнению с использованием традиционного сжатого воздуха.
Вышеуказанное преимущество является особенно существенным в случае роботизированных систем, поскольку оно снижает негативное влияние от движения перемещения распылителей.
Еще одно преимущество заключается в том, что использование воздуха, модифицированного азотом/кислородом/аргоном, обеспечивает оптимальную однородность движения в псевдоожиженном слое при условии, что указанная смесь сама по себе является безводной, при этом, таким образом, достигается оптимальный захват порошка в распределительных каналах перед распылителями.
Еще одно преимущество изобретения заключается в возможности использования остаточных отходов от порошка, предварительно обработанных в предыдущих циклах нанесения покрытия.
В настоящее время содержание остаточного порошка в диапазоне от 15 до 30% по существу не может больше использоваться, при этом его восстановление может привести к значительной экономии с экономической и экологической точек зрения.
В соответствии с другим предпочтительным использованием изобретения смесь азота/кислорода/аргона, полученная из сжатого воздуха, которая используется для перемещения псевдоожиженного слоя и захвата порошка, а также для распыления/пульверизации, предварительно заряжается положительными или отрицательными ионами выше по потоку от псевдоожиженного слоя, или иначе обеспечивается ее статическая нейтральность (а именно, в состояние плазмы, образованной путем нейтрализации положительных и отрицательных зарядов в специально предусмотренной деионизирующей камере), чтобы обеспечить предварительный заряд порошка до его выхода из распылителя путем воздействия на частицы аргона и остаточного кислорода, присутствующие в смеси, используемой в качестве носителя для того, чтобы исключить эффект клетки Фарадея.
Предпочтительно факт перемещения порошка и обеспечение предварительного заряда положительными или отрицательными ионами уже в псевдоожиженном слое с использованием безводных смесей азота/кислорода/аргона приводит к лучшему распылению и распределению с большей равномерностью толщины благодаря объединенному синергетическому эффекту предварительной зарядки и окончательной зарядки, обеспечиваемой распылителями на этапе распыления.
Еще одним преимуществом изобретения является устранение вышеупомянутых проблем, связанных с системами нанесения покрытия тонкомолотого порошка или нанометрового порошка, в которых в качестве носителя используется традиционный сжатый воздух.
Согласно еще одному предпочтительному использованию изобретения текучая среда-носитель может термически обрабатываться путем нагревания и охлаждения с использованием специально предусмотренных устройств, например, охладителя или других охлаждающих устройств, таких как теплообменник с ультракомпактной пластиной, образованный воздушно-воздушным теплообменником, снабженным испарителем и сепаратором медленного потока, например, демистером, с функцией поддержания температуры потока, равной значению приблизительно в диапазоне от -15°C до +45°C, предпочтительно от 5 до 20°C в течение всего года, чтобы получить оптимальное распыление/пульверизацию порошка при любом состоянии окружающей среды.
В частности, при более высоких температурах, близких к 45-50°C или выше, предпочтительно требуется этап сушки продуктов с нанесенным порошковым покрытием в печи.
Краткое описание чертежей
Вышеуказанные и другие преимущества будут лучше понятны специалисту в данной области техники из нижеследующего описания и из прилагаемых чертежей, которые приведены только в качестве неограничивающего примера и на которых:
- на фиг. 1 показан схематический вид первого варианта осуществления установки согласно изобретению с ионизацией посредством коронного эффекта;
- на фиг. 2 показан схематический вид первого варианта осуществления установки согласно изобретению с ионизацией с использованием системы трибо;
- на фиг. 3 показан схематический вид установки с перистальтическим восстановлением порошка из камеры для окрашивания распылением; и
-  фиг. 4 схематически иллюстрирует этап разделения газов из воздуха, осуществляемый с помощью половолоконной мембраны.
Осуществление изобретения
Ниже со ссылками на чертежи описаны установка и способ согласно изобретению.
В показанном примере варианта осуществления предусмотрен источник 3 разжижающей текучей среды, который обеспечивает подачу под давлением в диапазоне от 0,5 до 10 бар в контейнер 2, содержащий некоторое количество порошка 4 покрытия.
Текучая среда обладает функцией сохранения порошка, распыляемого на подлежащую нанесению покрытия подложку 1, в диспергированном и неагломерированном виде.
Ниже по потоку контейнер 2 соединен с распыляющим устройством 18, которое, в свою очередь, соединено с источником 13 текучей среды распыления/пульверизации и источником 5 несущей текучей среды под давлением, при этом указанное устройство предназначено для передачи потока несущей текучей среды и распыленного порошка под давлением в диапазоне от 0,5 до 10 бар через соответствующую трубу 6 к распыляющему соплу 7 распылителя 17, выполненному с возможностью подачи к вееру 16 нанесения покрытия.
Кроме того, выше по потоку от сопла 7 расположены средства 8, которые сами по себе известны, для электростатической зарядки потока несущей текучей среды и порошка.
В различных вариантах осуществления указанные средства 8 могут содержать электрод 8, находящийся под высоким напряжением 12 и установленный вблизи сопла 7 (фиг. 1) или содержащий трубу трибо, через которую проходит поток несущей текучей среды и порошка (фиг. 2) в контакте со стенками трубы.
Согласно изобретению источники 3, 5 и/или 13 текучей среды являются источниками смеси азота/кислорода/аргона, содержащей азот в диапазоне 80-98% по объему, кислород в диапазоне 1-90% по объему и аргон в диапазоне 1-2% по объему, более предпочтительно азот в диапазоне 90-96% по объему, кислород в диапазоне 4-10% по объему и аргон в диапазоне 1-2% по объему.
Благодаря изобретению было обнаружено (Таблица 1), что, в то время как скорость сжатого воздуха при давлении 1 бар (как в обычных системах) составляет 7,24 м/с с турбулентностью 43,41%, при использовании смеси азота и кислорода с аргоном, составляющим 0,9%, скорость увеличивается от 7,24 м/с до 13,17 м/с, при этом турбулентность уменьшается до 35,79%.
Преимущественно покрывающий порошок, при условии его проталкивания менее турбулентной и более быстрой несущей текучей средой, в меньшей степени зависит от атмосферных агентов, таких как влажность, и, таким образом, обеспечивает возможность лучшего и более равномерного распределения порошка по поверхности подложки 1.
В соответствии с дополнительным предпочтительным аспектом изобретения источник 3 разжижающей текучей среды является источником смеси, как описано выше, что обеспечивает возможность, благодаря безводной природе азота, лучшей текучести получаемого порошка в контейнере, что предотвращает наличие влажности и образование агломератов.
В качестве дополнительной характеристики изобретения установка дополнительно содержит средства 11, установленные выше по потоку от указанного контейнера 2, для электростатической зарядки указанного потока разжижающей текучей среды, предпочтительно образованного из вышеописанной смеси, до его входа в контейнер.
Предпочтительно данное решение обеспечивает возможность увеличения предварительного заряда положительными или отрицательными ионами порошка простым способом и без использования систем ионизации, интегрированных в псвевдоожиженном слое.
В дополнение к улучшению условий псевдоожиженного слоя предварительная зарядка предпочтительно обеспечивает увеличение электростатического заряда потока смеси и порошка до его выхода из распылительного сопла и, следовательно, устранение или значительное ограничение эффекта клетки Фарадея для точек нанесения покрытия, доступ к которым является затруднительным, например, углы или углубления в металлических телах.
В соответствии с дополнительной характеристикой изобретения предусматривается использование одного или более тепловых кондиционеров 10, 19, предпочтительно установленных выше по потоку от контейнера 2 и/или распылителя 17 для того, чтобы поддерживать указанную смесь и поток смеси и распыленного порошка при требуемой температуре, например при температуре между -15°C и +45°C, предпочтительно от 5 до 20°C.
Кроме того, согласно изобретению обеспечена возможность обработки и регулировки температуры потока текучей среды и распыленного порошка выше по потоку от распылителей для оптимизации температуры в зависимости от условий окружающей среды и подложки, подлежащей нанесению покрытию. Предпочтительно регулировка температуры обеспечивается с помощью нагревательного устройства, например, резервуара с электрическими сопротивлениями, через который проходит текучая среда и который, возможно, соединен с распылителями через подающую трубу 60, снабженную средствами для нагрева текучей среды, например, электрическими сопротивлениями спиральной формы, для лучшего теплообмена и времени контакта, которые установлены внутри указанной трубы.
Предпочтительно рабочая смесь представляет собой смесь газов, полученной из воздуха, модифицированного азотом/кислородом/аргоном, и образованной при помощи половолоконной мембраны (см. фиг. 4) или при помощи системы активированного угля, именуемой системой адсорбции с перепадом давления (PSA) при постоянной температуре от -15°C до +45°C, предпочтительно от 5 до 20°С.
Со ссылкой на предпочтительные варианты осуществления, показанные на прилагаемых чертежах, работа установки согласно изобретению предусматривает подачу рабочей текучей среды, содержащую вышеописанную смесь, в контейнер 2, в который было введено некоторое количество порошка 3 покрытия.
Введение предварительно электростатически заряженной смеси определяет формирование псевдоожиженного слоя, состоящего из порошка и смеси.
В контейнер 2 вставлена труба 14, которая на другом конце соединена с распыляющим устройством 18. Через трубу проходит поток, образованный из рабочей текучей среды и порошка, подача которого в распылитель обеспечивается смесью, поступающей в распыляющее устройство от источника 5 и выходящей к распылителю 17 через трубу 6.
Кроме того, предусмотрено выпускное отверстие 15 из контейнера для указанной смеси и остаточного порошка.
Как показано на фиг. 1, выпуск в распылитель 18 также обеспечивается источником 13, который обеспечивает прохождение потока смеси под давлением, предназначенной для обеспечения надлежащего захвата порошка к распылителю.
Как снова показано на фиг. 1, близи распылительного сопла 7 расположен электрод 8, питаемый генератором высокого напряжения для электростатической зарядки исходящего потока смеси и порошка.
В то же время, предназначенная для нанесения покрытия подложка 1 поддерживается при нейтральном напряжении (заземлена) таким образом, чтобы поток смеси и распыленного порошка падал на нее и формировал слой покрытия.
Предпочтительно входящая в контейнер смесь и/или достигающий распылителя 17 поток смеси и порошка термически обрабатывается для поддержания температуры между -15°C и +45°C независимо от условий внешней температуры и времени года.
На фиг. 2 показана установка, работа которой сходна с работой описанной выше установки. Однако в этой установке поток несущей смеси подается источником 13 выше по потоку от трубы 20 трибо, устройство которой известно, при этом несущая смесь и поток смеси и распыленного порошка сходятся таким образом, чтобы обеспечить положительную зарядку посредством контакта перед подачей на подложку 1 с помощью распылительных сопел 7.
Таким образом, изобретение обеспечивает достижение важных преимуществ, которые перечислены ниже.
А. Поскольку вышеописанная смесь, полученная из воздуха, модифицированного азотом/кислородом/аргоном, является безводной, она таким образом не содержит влажности и частиц углеводородов, которые обуславливают везикулярное загрязнение наносящих покрытие продуктов, причем скорость составляет 13,17 м/с.
B. Поскольку несущая текучая среда термически обрабатывается посредством специально предназначенного нагревающего и/или охлаждающего оборудования, обеспечивается возможность получения оптимального распыления/пульверизации порошка, а также обеспечивается постоянная температура в течение всего года, например, посредством охлаждающего аппарата, выполненного с возможностью поддерживать температуру в псевдоожиженном слое в диапазоне между -15°C и +45°C.
C. Смесь азота/кислорода/аргона, полученная из сжатого воздуха, которая используется для перемещения псевдоожиженного слоя в контейнере и/или для захвата порошка и его распыления/пульверизации, предварительно заряжается положительными или отрицательными ионами для того, чтобы обеспечить предварительную зарядку порошка до его выхода из сопла распылителя. Электростатическая предварительная зарядка устраняет вышеописанный эффект клетки Фарадея путем воздействия на частицы аргона и остаточного кислорода, которые присутствуют в несущей смеси.
D. Смесь азота/кислорода/аргона является более быстрой, чем стандартно используемый сжатый воздух, и обеспечивает воздействие на порошок, который, таким образом, лучше прилепляется к продуктам, что создает лучшую адгезию и поток порошка и накладывает на веер распыла оптимальное распыление без какого-либо рассеяния порошка на концах веера в результате перемещения распылителей, как это имеет место, например, в роботизированных системах.
E. Использование воздуха, модифицированного азотом/кислородом/аргоном, обеспечивает оптимальную однородность распыления в псевдоожиженном слое при условии, что смесь является безводной, а также его оптимальный захват в трубах для распределения к распылителям.
F. Струя азота/кислорода/ аргона устраняет относительную влажность, присутствующую в продуктах, которая препятствует оптимальной адгезии порошка и созданию микропузырьков.
G. Использование смеси азота/кислорода/аргона устраняет проблемы, связанные с формированием скоплений или агрегатов порошка в псевдоожиженном слое, при условии, что последний является безводным, т.е. не содержит влаги.
Предпочтительно согласно изобретению можно предусмотреть, кроме того, чтобы поток рабочей смеси был распределен для использования по трубам с покрытием из проводящего политетрафторэтилена (PTFE) с наполнителем из стекловолокна, например, из материала, доступного на рынке под торговым названием Teflon, поскольку в этом техническом решении проходящие внутри трубы ионы не рассеиваются.
Таким образом, тефлон устраняет проблему рассеивания ионов несущей смеси по тракту внутри трубы.
На фиг. 3 схематично описана установка для нанесения покрытия на подложку 1 в камере 25 для окрашивания распылением, в которой порошок 4, испускаемый распылителями 17, собирается накопителем 26, установленным под решеткой 30 плоскости покрытия, и перемещается через первый канал в накопительный контейнер 28 и через второй канал 29 в контейнер 2 с псевдоожиженным слоем согласно изобретению.
Предпочтительно благодаря изобретению порошок 4, собранный накопителем, переносится электростатически заряженной смесью азота/кислорода/аргона, которая уменьшает образование агломератов и повышает эффективность восстановления порошка.
Данное изобретение описано в соответствии с предпочтительными вариантами его осуществления, однако могут быть разработаны эквивалентные варианты без выхода из объема правовой охраны изобретения.