1 前言

    粉末喷涂作为铝型材的表面处理方式之一，由于其4E特性以及表面效果多样化，深受消费者喜爱。随着生活水平提高以及市场多样化需求，金属粉末喷涂型材的使用更加广泛，在喷涂型材中占据的比例越来越高。但是，由于金属粉末种类、规格、金属粉品质、粉末质量各不相同，再加上型材生产厂家所用喷涂设备有一定区别，金属粉末施工效果并不十分理想，其主要问题是表面金属效果与标准之间的差异，批次生产的色差以及施工不稳定。

    本文从金属粉末的制备以及喷涂施工工艺角度出发，根据生产现场实际经验分析了金属粉末喷涂的施工要点，以供行业专家参考。

    2 金属粉末喷涂机理

    众所周知，静电粉末喷涂过程中，粉末涂料流化过后通过气流输送至喷枪，喷枪通过高压静电发生器，在喷头的电极针产生电晕放电，在电极附近产生了密集的负电荷，粉末从枪头喷出时，捕获电荷成为带电粉末，在气流、电场以及自身重力的作用下，飞向接地工件，并吸附在型材表面上。金属粉末静电喷涂与常规粉末静电喷涂原理一致，但是由于金属粉的特殊性，其喷涂机理需要作进一步说明。

    假设喷枪是处于水平状态的管道，粉末颗粒从喷枪中喷出初始阶段受到压缩气传送力、静电力作用，我们可以将其视为多颗粒系统的气力输送状态以及电场力的叠加，根据Barth推导公式，外加电场多颗粒传输系统的动力方程为：

    其中，ρ指的是输送气体密度，ρP指的是粉末颗粒密度，ε指空隙度，λ*Z指的是碰撞压力损失系数，fL为fanning摩擦系数，c指管道内颗粒速度，νε指的是气体实际速度，Ex指实际电场强度。

    由上式可以看出，粉末喷出动力状态与空气输送密度ρ（流速）、粉末颗粒密度ρP（粒径）、空隙度ε（粉量）电场强度Ex以及粉末带电量q密切相关，而与碰撞力、摩擦力以及涡流曳力等阻力可以忽略不计。粉末喷出过程中，空气输送密度、空隙度、电场强度属于外界因素，因此，金属粉与普通粉的区别就在于粉末颗粒密度（ρP）、带电量（q）的区别。

    普通粉末经过粉碎、过筛后，其颗粒接近球体形状，而金属粉并非都是球状颗粒，为了获得涂层表面闪光效果，部分铝银粉、铜金粉以及珠光云母粉呈片状颗粒。这类颗粒在喷枪与型材之间的运动过程中，其重力、涡流干扰力影响十分明显，其流动阻力公式为：

    AP表示颗粒在流体流动方向上的投影面积，ξ表示曳力系数，与颗粒运动的雷诺系数有关。片状金属粉在喷枪与型材之间飘忽不定，AP值也始终处于变化过程中，当金属粉末粒径较小的时候，阻力相对减弱。

    其次，铝银粉、铜金粉以及云母粉的密度不一致，其中铝银粉密度较小，铜金粉密度较大，由于重力的作用，如果以干混的方式加入涂料中则喷粉过程中容易分离，处于bonding状态的金属粉则能够与底粉保持一致性。

    另外，铝银粉、铜金粉以及云母粉的导电性差异十分明显，大多数未经过处理的云母粉几乎处于绝缘状态，而铝银粉、铜金粉导电性非常好，因此喷涂过程中的差异也就非常明显。

    3 金属粉末涂料制备

    金属粉末涂料生产包括熔融挤出法、干混法以及bonding技术。熔融挤出法与传统的粉末制备工艺一致，只是在原料中加入了金属颜料，然后高速预分散、熔融挤出、压片破碎、磨粉筛分而制成成品，这种方法工艺虽然简单，金属粉与基粉得到均匀混合，但是生产工艺存在高温基础以及高温剪切，容易造成金属表面氧化、金属粒片破碎变形，喷涂过后的型材往往得不到理想的金属效果。

    干混法是将金属粉加入预先制备好的基粉中，通过高速混合制成成品，这种方法的优点是金属粉末不容易被破坏，喷涂后的金属效果充分发挥，其明显不足是金属粉与基粉的分离现象很明显，尤其在喷涂过程中由于重力、形状、带电量与基粉颗粒不一致，造成型材表面色差、金属效果不一致，同时容易对粉泵、文丘管、喷枪电极针、扁平枪嘴造成磨损。

    bonding技术是在干混法的基础上改进而来的，金属粉与基粉混合均匀后，在惰性气体保护下，将温度均匀稳定的升到树脂软化点，使基粉颗粒与金属粉颗粒相互粘附，甚至部分包裹金属粒片，从而使金属粉与基粉物化性能趋于一致，这就使喷涂过程中，金属粉能够良好的分散在型材表面，达到较好的金属效果。干混法与bonding技术比较，干混的金属粉添加量只能控制在7%以下，而bonding技术可以添加到20%，随着其工艺的成熟，bonding技术的应用将更加广泛。

    为了达到用户要求的表面效果，金属粉的材质、规格、品质都必须通过严谨的挑选。目前，全球颜料工厂较多，提供的金属粉种类各异。较为常见的分为铝银粉、铜金粉以及珠光云母粉。其中铝银粉分为浮型和非浮型，浮型铝银粉容易漂浮到涂层表面，形成一层金属表面，但是耐化学品和耐候性很差；非浮型浮的倾向性相对较弱，但是能够与基粉良好的结合，涂层的理化性能较好，而且能够达到较好的金属效应，非浮型铝粉通常经过表面处理，常见的有TiO2包覆处理，溶胶包覆处理以及有机聚合物处理。

    铜金粉的组成主要是铜或铜锌合金，为了达到较好的铜金效果，铜粉颗粒表面也往往覆盖一层保护膜，而保护膜的厚度影响了其光的反射衍射，导致其表面呈现金色、红色、古铜或者青金颜色。云母粉横断面类似于珍珠的结构，人工云母粉根据这一原理，在云母芯片上包裹一层具有高折射指数的金属氧化物，如，TiO2、Fe2O3等，高折光指数的金属氧化物和低折光指数的云母芯片并行排列，从而产生了可视的彩虹颜色，如果控制金属氧化物的厚度或者配比，云母粉的颜色更加丰富。

    4 金属粉施工工艺

    4.1喷涂工艺参数

表格1 粉末喷涂工艺参数

    根据生产现场实际操作经验，金属粉末喷涂与常规粉末喷涂工艺大致相同，但是为了达到较为理想的金属效果，还需要根据金属粉的种类、金属粉粒径来调整枪距、电压、粉量、雾化气压等工艺参数。

    由于回收粉的循环使用，金属效果出现了梯次波动的现象；而且固化工艺对部分金属粉影响也十分明显。为了研究这些因素的影响，通过正交试验，根据金属粉种类、粒径分布、枪距、电压、粉量、雾化气压、回收粉添加、固化工艺8个因素来对比喷涂样板表面金属效果与标准色板的一致性。

    4.2试验方法

    按照粉末种类分为干混粉及bonding粉，细分为铝银粉、铜金粉、云母粉三大类，分别取样5种，测试粒径分布后，依次调节枪距、电压、雾化气压、粉量、回收粉添加、固化工艺6个因素，每种测试3块试验板，用以与标准板对比试验结果。

    使用低倍镜观察喷涂表面单位面积内金属闪光数目，金属效果一致性即试验板金属闪光数目与标准板的比值，最后目视对比验证数据的准确性，得出一系列影响金属效果的工艺因素。

    4.3枪距对金属效果的影响

    取干混铝粉、铜金粉、云母粉分别按照枪距250～400mm进行调节，电压设定为80kv，粉量、雾化气压、不添加回收粉、固化工艺固定不变，得出枪距与金属粉效果的关系。

    由图1可以看出，金属粉施工过程中，金属粉效果随枪距越远，效果越差。其中铝粉在枪距处于250mm的时候金属效果与标准板十分接近，效果最佳；而铜金粉由于其更好的带电效果以及自身重力作用下，在枪距较短时，金属效果比标准板更好，但是试验板上出现了反电离现象，因此枪距太近表面综合效果并不理想；而云母粉由于喷涂时被涂层覆盖，闪光效果相对较差。

    4.4电压对金属效果的影响

    取干混铝粉、铜金粉、云母粉分别按照电压40～100kv进行调节，枪距、粉量、雾化气压、不添加回收粉、固化工艺固定不变，得出喷涂电压与金属粉效果的关系。

    由图2可以看出，由于铝粉的导电性较铜金粉、云母粉更好，当电压很低时，铝粉金属效果更明显，达到标准板金属效果所需电压也最低；随着电压的增加，金属效果与标准板的差异越来越小，当电压超过80kv时，铝粉和铜金粉试验板上出现反电离现象，粉末涂层被击穿，表面金属效果反而不理想，因铝粉带电性更好，受到的反电离现象更明显，金属效果亦下降更快；云母粉其导电性很弱加之自身重力影响，金属效果随着电压继续增加而越来越明显，与标准板之间的差异逐渐变小。

    4.5雾化气压对金属效果的影响

    取干混铝粉、铜金粉、云母粉分别按照雾化气压0.05～0.20MPa进行调节，枪距、电压、粉量、不添加回收粉、固化工艺固定不变，得出雾化气压与金属粉效果的关系。

    由图3可以看出，保证其他施工参数不变的条件下，当雾化气压在0.05MPa时，金属效果最佳，随着雾化气压的增加，金属效果反而下降。由于受重力（云母粉＞铜金粉＞铝粉）影响，重力越大，粉末下降速度越快，金属效果越差。

    4.6喷粉量对金属效果的影响

    喷粉量的大小决定了涂层的厚度，在保证其他施工参数不变的条件下，涂层表面效果受型材的断面、挂料的方式和密度、喷涂链速的快慢、设备的导电性影响。金属粉施工和普通粉的区别是，随着喷粉量的增加，粉末中颜料被型材吸附的速度大于树脂，表面金属效果被树脂覆盖，与标准板差异明显；另外，部分粒径小的金属颜料受电场力较弱，喷涂时易边缘化，影响涂层质量。

    4.7回收粉对金属效果的影响

    金属粉施工过程中，回收粉的合理使用至关重要，直接影响到涂层的金属效果，并且关系到生产成本（粉末利用率）。回收粉添加比例不一致，将会引起批次色差、金属粉含量少等质量缺陷，尤其是干混金属粉，颜料在回收系统中易被粉碎，单位重量内颜料比重减少、粒径变小、带电量减弱，加之批次粉末颜料比重可能不一致，涂层金属效果不理想。

    一般情况下，回收粉与新粉的掺加比例为1：（4～6），且尽量边产生边回收使用，不能直接使用的要及时打板确认合格后回收，部分质量差的金属粉由施工方退回生产厂家返工合格后才能使用，对颜色鲜艳的金属粉，回收粉比例应适当降低。

    4.8固化工艺对金属效果的影响

    金属粉的固化工艺与普通粉基本一致，只有高光泽和纹理类例外。涂膜固化时，必须保证型材充分固化，事先设定好固化炉的最高固化温度，掌握固化炉的加热速度，型材表面的升温速度及保持时间，这些参数都直接影响涂膜的金属色彩效果。如高光泽、锤纹、砂纹类金属粉要求固化升温速度快、固化温度高一些，而纹理类金属粉固化温度升温速度快金属纹理会变小变细，升温速度慢则会变大变粗，所以严格稳定的固化工艺是金属粉施工十分必要的。

    5 结束语

    金属粉因含有金属颜料而导致静电喷涂施工时与普通粉有较大差异，涂层质量和工艺稳定性很难保证。金属粉末制备工艺和型材厂家静电喷涂设备不尽相同，其施工参数和金属效果有很大差异；通过对金属粉静电喷涂机理进一步梳理，得出金属粉与普通粉的区别在于粉末颗粒密度（ρP）、带电量（q）的区别；结合施工现场经验和正交试验数据，总结出影响金属粉施工效果的8大因素，为各类金属粉施工提供了依据。点击原文阅读查看往期历史

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