粉末涂装缩孔问题的数据化表述

    摘要：对比分析了若干文献中有关缩孔原因和解决方案的论述，并逐项与粉末喷涂的缩孔缺陷相关联以确定缩孔的根本原因，提出粉末涂装生产中常见缺陷的数据化表述方法，列出了几种粉末涂装中出现缩孔的实际例子，提出杜绝缩孔缺陷的可靠方案。

    关键词：粉末涂装；缩孔；控制；数据

    1 引言

    粉末涂装中的缩孔又叫作麻点、缩坑、鱼眼等，是粉末涂装中常见的缺陷。缩孔的危害、产生缩孔的原因、解决缩孔的方法已在早期发表文章中有所涉及[1]；但由于当时的经验及条件所限未能提出更直观的、令所有关心缩孔缺陷解决进展的同行所普遍认同的观点。同时在解决实际问题时，有时仍然感到有一些困惑，如压缩空气已经净化得十分干净了，但由于没有数据证明，出现问题时总感觉仍不能排除。本文拟在原发表文章的基础上提出粉末涂装缩孔产生的原因和解决方法的数据化表述，使得各种隐患最终能以数值的方式展示在所有人眼前，为杜绝缩孔提供人人信服的方案，在增加预防缩孔问题的投入方面更有针对性，得到不错的效果。

    2 缩孔的危害

    缩孔的危害已在文献[1]中详细描述，复述的目的是期望得到粉末原料供应商、设备供应商、粉末涂装厂家的一致认同，为解决缩孔问题创造良好的行业环境。缩孔的出现带来以下几种危害。

    ⑴当产生的缩陷又大又深时，则严重影响涂装工件的外观，次品增多；连续大量出现缩孔时造成停产。

    ⑵严重缩孔的工件往往不能进行返工处理，造成工件的报废；粉末的频繁清理造成巨大的浪费。

    ⑶在分析缩孔原因时，由于原料的嫌疑不能即刻排除，造成原料使用厂家与供应厂商产生分歧；造成缩孔的物质难以视觉发现，有时具有从喷枪出现的特征，使用厂家如果说是粉末问题要求索赔时，粉末厂家拿不出有力的证明，只好默认以求得继续合作。

    ⑷由于解决问题的周期较长，工艺管理人员、设备管理人员与上级领导和实行计件工资的职工关系变得被动，产生信任危机甚至造成误解。引起职工情绪激动而造成连锁反应。而缩孔缺陷在设备条件很差、压缩空气几乎不处理的手动喷涂时很少出现，反而在干燥净化设备齐全的连续喷涂线上出现较多，怀疑设备问题好像不具备充足的理由。

    ⑸原料采购部门、检验部门和使用部门在责任划分上互相推逶，相关人员需要大量精力来解释不属于自己的问题。

    3 文献对缩孔的解释

    很多文献对缩孔产生的原因都有解释，大多比较浅显、笼统、不易懂，且一般具有多个解释，对生产现场不具有针对性。而解决问题需要一一对应，知道有几个方面的原因，但不知道应该对哪一个采取措施。有的解释不具有实践指导意义。如，一般的解释都有“前处理脱脂不干净”，但不脱脂的工件未见有缩孔出现；一般的解释都有“压缩空气中油水含量高”，但在喷涂前的基材上喷上油、水也不出现缩孔；再如，“粉末中有干扰物质存在”，但实际试验并不出现缩孔。这些情况下，谈解决方法只能是一句空话。

    3.1 缩孔产生的表面张力原理

    在许多文献中提到表面张力的问题，是最经得起推敲的有关缩孔原因的解释。即粉末在熔融温度下，由于表面张力低的物质的存在，使得粉末熔融流平时（流动态黏稠液体）出现局部张力梯度，产生缩孔。类似于地板砖上的水膜被点状洗涤剂破坏的日常现象，易于理解。该机理可以解释压缩空气中油的影响、不同粉末间的干扰、硅油的影响、环境飘落物的影响等。表面张力机理的理论基础和实践现象最为符合，应作为解决缩孔问题的首要依据。

    3.2 缩孔出现的静电喷涂原理

    朱长海在《粉末涂料涂装过程中产生的缩孔》一文中提出“反粒子流冲击”理论和“感生电场”理论。认为“电网电流的突变（电压基本不变），影响到静电高压发生器内电流的突变，进而使喷枪电极针突发浪涌突跃放电，导致电晕放电骤然强烈，使电晕区气体放电瞬间产生高温、高频振荡生成高速旋转的等离子体气球团。此时，喷枪相当于气球团的发射源。这些携有高能的粒径大小不等的正离子球体，实际上相对于负离子来说就是‘反离子球体'，瞬间在压缩空气输送力和电场力的作用下飞速撞向正在涂装的弓箭（面板）表面发生‘空爆'形成‘弹坑'，即所看到的‘缩孔'，几乎露底”。问题是，既然空爆发生在喷涂后固化前，应该能够看到，但实际很少看到空爆的弹坑。此外，如果该理论能够成立，用人为的方式故意产生电流突变应该能够得到验证，但文献没有提到试验结果。因此，“反离子流冲击理论”可能只是想象，没有理论和实践基础。

    3.3 借鉴其它涂料涂装中的缩孔现象

    ⑴《建筑涂装常见弊病及解决方法38招》）中对缩孔的描述。

    在涂料施工和干燥的过程中产生了气泡（泡沫），当气泡漆膜破裂后，形成了小而圆的凹坑（缩孔）。产生的原因有：

    ①摇动了未装满的涂料罐；

    ②使用了劣质或存放时间过久的涂料；

    ③涂装（特别是辊涂）速度太快；

    ④所用辊筒的绒毛长度不合适；

    ⑤过度辊涂或刷涂；

    ⑥在多孔的表面上使用了高光或半光的涂料。

    从所表述的内容看，上述建筑涂料的缩孔与粉末涂装的缩孔成因关联度很小，更像是气泡破裂而造成的圆孔。

    ⑵《常见的电泳漆涂装缺陷的解决方法》，见表1。

表1 常见电泳漆涂装缺陷的解决办法

    在电泳涂装设备中所述的对凹坑缩孔原因的分析认为，前处理不净、工件表面沾油是造成凹坑缩孔的原因。油会进入到电泳漆中，团聚的微小油滴在漆膜中成为低表面张力的核心，特别在较高温度下，油类物质表面张力降低，导致缩孔出现。

       ⑶《电泳涂装的漆膜缺陷及其防治》（http://ati.nstl.gov.cn/car/tech/244348.asp）认为电泳涂装缩孔产生的很大一部分原因是源于油污，具体原因有以下几种：

    ①槽液中混有异物（油分、灰尘），油漂浮在电泳槽液表面或乳化在槽液中；

    ②被涂工件被异物污染（如灰尘、运输链上掉落的润滑油、油性铁粉、面漆尘埃、吹干用的压缩空气中有油污）；

    ③前处理脱脂不良、磷化膜上有油污；

    ④电泳后冲洗时清洗液中混入异物（油分、灰尘）及纯水的纯度差；

    ⑤烘干炉内不净或循环风内含油分；

    ⑥槽液内颜基比失调；

    ⑦补给涂料或树脂溶解不良（不溶解粒子）。

    以上表述中，多次提到的油分，是与粉末涂装相关联的内容。

    ⑷多数专业杂志、粉末涂装设备说明书、粉末供应商说明书对粉末涂装缩孔的原因归类多有以下几种：

    ①前处理不干净，工件表面有油；

    ②压缩空气含有油、水；

    ③粉末潮湿；

    ④工件未烘干；

    ⑤粉末被污染；

    ⑥粉末间的相互干扰；

    其中的③和④所描述的出现缩孔的情况值得商榷，可能并不是产生缩孔的原因。

    4 缩孔问题的数据化描述

    4.1 对有无缩孔的数据化表述

    缩孔缺陷是粉末涂装（甚至液体涂装）常见的缺陷，其数量多少、严重程度有很大不同，简单用有或无来描述其出现情况在交流时容易引起误解，它的出现不是0或1的数字化情况，而是连续出现的。如缩孔直径大小，可以从零点几mm连续到2~5mm甚至更大，粉末涂装的缩孔多在5mm以下，油漆涂装大的缩孔有时称为“发笑”。缩孔深度有几μm到几十μm直至露出基材，与直径大小成正比；缩孔数量从1个到数十个、数百个直至布满喷涂面不计其数。

    假设一个比较科学的数据化表述，可以认为：

    ⑴对表面具有美术花纹、具有掩盖缩孔的纹理或表面特征、产生微量小缩孔不影响外观质量可以不必返工处理的工件、对于要求较低的内部件等，当工件没有因缩孔造成的返工及报废时，可以认为该涂装的缩孔缺陷为0，即没有缩孔。

    ⑵与上述情况相对，当缩孔缺陷影响外观、需要（能够）返工处理、有因为缩孔造成的工件报废，即因缩孔造成的报废数量不为0、但缩孔不是第一位的缺陷时，可以描述为有缩孔，缩孔缺陷为1，或称为有缩孔。

    ⑶当缩孔成为某一时间内的第一位缺陷、缩孔工件无法返工即报废、缩孔缺陷影响生产的完成等情况出现时，可以描述为严重缩孔，数据化表述为1+，或称为严重缩孔。严重缩孔将显著影响企业效益，必须首先解决。

    如上三级分类将有助于在交流中对缩孔的严重程度进行界定。某企业日常生产时缩孔缺陷为1，有时为1+，知道了上述数据化表述的定义，就很容易理解出现缩孔的状况。

    4.2 对表面张力的数据化描述

    表面张力理论是解释缩孔成因的最好的理论，表面张力对缩孔的解释又与表面能有关。对某一体系而言，若组成一定，它的表面张力在一定温度和压力下是恒定的，若增加表面积ΔA，体系能量的增加ΔG有如下的公式：

    ΔG=yΔA

    当一个过程的自由能变化ΔG＜0时，则该过程会自发进行，体系都是趋向处于能量最低的状态。公式表明，同一种液体则y一定，只有趋向于表面积ΔA＜0，才能使体系的能量降低；当2种不同表面张力的液体相遇时，则低表面张力的液体又趋向占据更大的表面积。粉末涂料熔融后固化前是可以流动的液态，此时如其中含有该温度下低于熔融涂料表面张力的物质，如微小油滴、异种粉末涂料等，涂膜必将断裂以利于低张力表面最大化分布，从而造成缩孔缺陷。物质的表面张力是可以测定的，单位是dyn/cm，SI单位是mN/m。表2是几种常见物质的表面张力，在粉末施工现场，应避免具有低表面张力的物质干扰。如来自前处理未洗净的液态的表面活性剂、来自压缩空气的油、现场喷漆施工产生的溶剂液滴、悬链雾化加油的油滴、其它低表面张力的粉末等。

表2 一些常见液体的表面张力

    表面张力是在特定温度下测定的，随着温度的上升，表面张力具有下降的趋势（见表3），参考常温的测定结果，可以大致判断高温下的表面张力参考值，从而判定对粉末涂装的影响情况。如果具有低表面张力的物质容易挥发，在粉末熔融、流平时不复存在，则该物质不会造成缩孔缺陷。一些特殊的表面活性剂具有极低的表面张力（见表4），且此类表面活性剂用途广泛。除具有一般表面活性剂的去污、洗涤、乳化、分散等功能外,还在润湿、渗透、扩散、起泡、抗氧、黏度调节、柔软、抗静电、增溶、消泡、稳泡以及防止晶析等方面显示了独特的功能;还具有高表面活性和易在极性表面展布,无毒、生理惰性、耐候、耐高低温等特点,因而被广泛应用于日化、食品、医药、生物工程、合成树脂、纺织、染料、农药、涂料、纤维、石油化工等方面，文献[2]记录了由于注塑车间使用硅油类脱模剂引发涂膜缩孔的案例。范宏等[3]利用有机硅中间体合成了有机硅改性聚酯树脂。相对于纯聚酯树脂，有机硅质量分数为l％可使树脂的表面张力从49．5mN/m降到28．4mN/m。考虑到粉末涂料还有其它材料、助剂的加入，一般粉末涂料的熔融表面张力推断居于40.0~60.0mN/m之间。

表3 水的表面张力系数随温度的变化

表4 几类表面活性材料的表面张力

    4.3 对压缩空气质量的描述检验

    笔者认为，粉末涂装特别是自动涂装中应将压缩空气视为涂装的原料之一。应像前处理原料、粉末涂料一样纳入原料管理的范畴。

    压缩空气质量在数据化方面的表述有以下几点。

    4.3.1 压力

    压力是压缩空气的基本参数，涉及到所提供的动力是否足够。粉末喷涂需要至少0.4MPa的压力。通过气压表可以读出和调整，为保持空气的连续稳定供给，储气罐是不可缺少的，也有设备要求气压达到0.6MPa以上，是为了获得更好的气源保障，以克服不同距离输气管道的压力损失。气体的压力损失见表5[4]。

表5 气体压力损失与气路长度的关系

    4.3.2 压力露点

    露点是考察压缩空气中水分含量的一个指标，压缩空气中的水汽在低温下冷凝析出。同时由于油分也具有冷凝析出的特点，露点低的空气具有更好的油、水洁净度。干燥机出口压缩空气的纯净度见表6。

表6 干燥机出口压缩空气的纯净度

    对不同的粉末涂料、不同的涂装方式、不同的外观质量标准等要求的空气等级不同，选取原则是具体分析、就高不就低。

    4.3.3 含油量

    压缩空气含油量是比含水量更重要的指标，是造成涂装缩孔的一个重要因素。常见的对压缩空气含油量的描述均来自油过滤装置的参数，见表7。

表7 ISO8573.1标准压缩空气质量等级

    注：A为活性炭过滤器0.01μm，S为超精密过滤器0.01μm，F为精密过滤器1.00μm，G为通用过滤器5.00μm，C为粗过滤器25.00μm。

    对粉末涂装而言，粒径为0.01μm的油滴，仅相当于大气中气体分子的直径，不会产生缩孔。在高压和高流速下部分穿过过滤器的液滴，在粉末熔融的表面相当于低表面张力的中心，将引起缩孔缺陷。压缩空气中油滴的粒径、含油量难于检测，说明目前尚无办法“看到”压缩空气的质量。仍需要行业同仁联合其它研究机构继续探讨合适的检测方式，以便于“看到”压缩空气的含油状况，为杜绝缩孔提供充足的依据。

4.3.4 油水混合物

    压缩空气中，由压力露点指示的水分含量和含油量指标指示的油分含量并不是孤立的，在压力体系中二者存在的状态是一样的，即水和油组成了乳状液，该乳状液可以从排水阀看到。乳状液中的水不会造成缩孔（表面张力大、高温下易于挥发），留下的油，更确切地是油水共沸点的混合物，将产生缩孔。推论状况是：纯的微小油滴形成没有中心的缩孔，油水共沸点混合物、带有油的杂质颗粒等形成有核心的缩孔。

    4.4 对不同粉末间干扰的描述

    粉末间的干扰还是不同粉末熔融时表面张力的差异，熔融粉末需要高温条件，其表面张力难于检测，难于获得高温条件下的表面张力数据。一旦检测方法出现，粉末间相互干扰出现的缩孔情况也是可见的。少量表面张力小的粉末会导致表面张力大的主体涂层产生缩孔。熔融粉末涂料的表面张力数据应成为未来控制的缩孔的基础数值供使用方参考。弥补上述检测技术缺憾的方法是不同粉末的混合试验，分别取极大差别量的粉末喷涂样板，不出现异常时才可以混合使用。

    4.5 对精密过滤器的数据化描述

    在4.3中说明了除油过滤器的一些参数，过滤精度和压缩空气含有量具有相关性，遗憾的是使用厂家不具备相应的检测手段来证明经过滤的空气确实达到了要求，即便是过滤器提供者也不具备该条件。所以，数据就成了说不清的问题，安装了最最精密的过滤器也不能保证不产生质量问题。数据不能检验，等于无数据。

    过滤器上的压差指示装置是可以看到的数据。它仅显示过滤器的堵塞情况，压差数据正常同样不能保证过滤的精度。对于按要求配置过滤器的压缩空气供气系统，精密过滤器上压差计的读数从没有达到超标状况。所以压差数据不能表示过滤状态。过滤器的更换周期是另一个难于掌握的数据。不同厂家空气用量不同、空气质量不同、前期处理不同都导致过滤器的寿命差异很大；此外，以检验的方式判定更换周期也有不妥，过滤器滤油后会源源不断地将液态油沿滤材排除，不能以过滤器滤芯上油的多少判断滤芯的失效与否。精密过滤器中空气的流速会影响过滤的效果，压力越高、速度越快越不利于油雾的去除，所以选用流量大的过滤器或将多个过滤器并联使用有助于过滤的洁净度提高。对精密过滤器的数据化描述最终还应当归结于检测压缩空气中含油的状况。

    4.6 压缩空气的干燥

    4.6.1 冷冻式干燥

    压缩空气净化系统的冷冻干燥设备是常见的空气净化装置，其冷冻能力对压缩空气的质量影响最大，特别是在夏季、高用气量的情况下，若冷冻温度达不到要求，压缩空气中的油、水会影响涂装质量甚至产生缩孔。冷冻系统看得到的是设备上的冷媒压力和温度，该温度越低说明压缩空气中的水分的去除越彻底，当该温度升高接近环境温度时，就需要注意缩孔出现的情况，如果相关，则应采取措施改善。冷冻过程也会净化压缩空气中的油气，所以压缩空气的压力露点数值也是判定油含量的一个指标。

    4.6.2 吸附式干燥

    吸附式压缩空气干燥设备内材料（活性氧化铝）本身具有独特的微孔，根据毛细作用吸附空气中的水分，同时吸附剂对水分具有高压吸附、低压脱附的特性。吸附干燥设备一般制成双筒形式，在程序控制器的控制下，两筒交替工作。冷冻式干燥器虽能提供大量的优质干燥空气，但大气压露点只能达到-17℃。吸附式干燥器体积小、质量轻、易维护，大气压露点可达-30~-50℃，但处理流量小，最大流量不大于780L/min，故适合处理空气量小但干燥程度要求高的场合。但吸附式干燥剂对油类吸收效果不好。粉末涂装系统中将冷冻干燥、吸附干燥和过滤除油结合，以得到高质量的压缩空气。

    4.7 对环境的描述

    环境内存在的表面活性物质会导致粉末喷涂的缩孔产生，主要是指在喷涂范围5m之内具有分散特性的油类等液滴影响严重。如悬链加油的喷雾装置、喷漆造成的分散成颗粒状的稀释剂等。扩展到喷涂以外的环境，需增加涂装前处理工序，异常的原料和加料是产生缩孔的原因之一，这可以从现场出现缩孔的经历中得以验证。空气中存在气态的油气分子。该分子状态的物质甚至是更低表面张力的表面活性材料，不会产生缩孔.

    5 几种出现缩孔的现场经历

    ⑴喷淋式前处理磷化液中加入了稀料而产生缩孔。因现场的油漆稀释剂与磷化液料桶完全一样，职工将稀释剂加入磷化液中，导致了批量缩孔的产生。⑵前处理磷化液中加入了乳化剂。因为脱脂欠佳，供应商单独提供乳化剂让应用方加到脱脂槽中，因操作工理解原因，将乳化剂加到了磷化液中，导致溶液聚集处缩孔严重。⑶前处理脱脂液中的消泡剂。消泡剂是表面张力低于乳化剂的物质。在试验一种常温脱脂剂时，从溶液中析出了消泡剂，经该槽溶液处理的所有工件均出现大量缩孔，有连片出现的情况，大的缩孔直径达到5mm以上。试验发现造成缩孔的物质难溶于冷水、热水、酒精、丙酮中。起初配槽时消泡剂没有析出，处理的工件正常。⑷喷漆造成缩孔。生产线工件输送经过正在喷漆的大门，结果该段出现了缩孔。试验发现，喷涂的油漆稀料是造成缩孔的原因。⑸干燥设备异常。冷冻干燥设备的压缩机损坏、冷却风扇损坏都会对应缩孔缺陷数量的增加。说明压缩空气中的油分是致缩孔的重要物质。⑹粉末干扰出现缩孔。在试用一家新的厂家的粉末原料完毕时，换回的原涂料涂装工件出现大量细密的缩孔，缩孔直径1mm左右；应用一家粉末涂料对另一家涂料进行干扰性试验时出现大量直径近5mm的缩孔，而等比例混合喷涂时样板正常。⑺喷枪枪体中的粉末造成缩孔。由于静电喷粉枪内粉管磨损，枪体内积满以前的粉末（低光泽粉末），在更换该磨损粉管时将粉末吹出，回收设备开启。重新喷涂时（高光泽粉末）发现大量缩孔，最大直径约3mm，部分缩孔较小而浅。此次缺陷是清理喷枪的动作造成积存粉末（致缩孔物质）的分散，异种粉末造成缩孔，并非喷枪粉管本身造成。清理后缩孔消失。以上列举缩孔实例有助于快速解决问题，有类似情况可以采取针对措施。

    6 出现缩孔缺陷情况的复杂性

    缩孔缺陷是粉末涂装行业的一个实际课题，大多数厂家都经历过或正在出现缩孔缺陷；该课题的难度在于缩孔出现的复杂性和原因的广泛性，且不能提前发现及纠正，成为缩孔事实后无法区分造成的原因，不便采取应对措施。出现缩孔的复杂性通过以下事例可以看出：⑴将柴油分散成点状于磷化试板上，喷涂固化后无缩孔出现；将柴油分散成点状于喷涂粉末后的试板上，出现缩孔；将柴油倒入粉末中混合，喷涂后不出现缩孔。⑵粉末制造中加入低表面张力助剂（如硅油类），减低熔融粉末表面张力，减小了干扰物（如压缩空气中的油类）与熔融粉末的表面张力差，有助于减轻缩孔的出现；但该低表面张力的粉末会成为其它高表面张力粉末的污染源。相同的物质既可防止缩孔的产生，又可导致缩孔的产生。⑶粉末之间的干扰只有在不均匀状况时才会出现，造成混合越少干扰越重的现象。2种表面张力差较大的粉末均匀混合，会形成中间张力的粉末，不会出现缩孔。⑷前处理原料的影响对喷淋方式与浸渍方式造成的结果不同，如前述5.3中的药品，在喷淋生产线上并不出现缩孔，原因是剧烈的喷射和搅拌作用使得消泡剂难于团聚，在溶液中分布是均匀的；或者团聚的消泡剂被滤网过滤，无法到达工件表面。

    7 结语

    有低表面张力的异物存在、该物质分布不均匀是造成缩孔的原因。对粉末涂装设备而言，该物质还需要高温下不挥发或粉末流平时尚未挥发完全的条件才能造成缩孔。对油漆涂装、电泳漆涂装等，不同来源的低表面张力的物质都是产生缩孔的因素。出现缩孔后需要排除所有造成缩孔的因素，找到真正的成因才能对症下药。要找到真正的原因，需要用特定的数据来表述造成缩孔的原因，如压缩空气中含油量、油滴粒径以及粉末涂料的熔融表面张力等。有了数据化的描述，就会“提前”发现缩孔缺陷并采取应对措施，减少涂装的损失。