Изобретение метода электростатической покраски стало результатом многочисленных лабораторных экспериментов, которые в течение нескольких лет проводил американский ученый-практик Гаральд Рансбург. В 1941 году Рансбург запатентовал первый электростатический краскораспылитель, а созданная им фирма Ransburg продолжает и в наше время оставаться лидером в области разработок оборудования для электростатической покраски.

Основы метода

Главный принцип электростатической покраски заключается в том, что в процессе распыления жидкий лакокрасочный материал (ЛКМ), со прикасаясь с электродом, которым оборудован каждый электростатический краскораспылитель, получает высоковольтный отрицательный заряд (примерно 60-100 кВ), и после распыления его частицы направленно движутся к заземленному окрашиваемому изделию по силовым линиям электростатического поля, возникающим между краскораспылителем и изделием.

Заметим, что начальное ускорение частичек ЛКМ (в зависимости от разновидности рассматриваемого метода) происходит за счет:воздействия на материал потока сжатого воздуха (пневматическое электростатическое распыление); прохождения материала под высоким давлением через щелевидное сопло (безвоздушное и комбинированное электростатическое распыление);

Последующее формирование окрасочного факела происходит вследствие взаимного отталкивания одноименно заряженных частиц ЛКМ. Кроме этого, силы электростатического поля направляют движение заряженных частиц ЛКМ, препятствуя образованию окрасочного тумана и способствуя повышению коэффициента переноса материала на окрашиваемое изделие, который может достигать 80-98 %.

Помимо экономии ЛКМ, электростатическая покраска во многом облегчает и ускоряет процесс его нанесения. Например, при окраске таких конструкций, как трубы, при традиционном способе окраски потребовалось бы наносить материал, переворачивая изделие 3-4 раза, чтобы равномерно прокрасить его со всех сторон, в то время, как метод электростатической покраски позволяет окрашивать трубу в 1 проход, поскольку частицы ЛКМ будут двигаться по изогнутым линиям электростатического поля, огибая трубу со всех сторон.

Устройство и виды электростатических краскораспылителей

Если сравнивать электростатические краскораспылители с традиционными, то общими чертами можно считать принцип работы материало - и воздухопроводящих каналов, а главными отличиями - наличие электрода, заряжающего ЛКМ, и высоковольтной системы, обеспечивающей наличие электрического потенциала на этом электроде. В дополнение к описанным выше принципиальным отличиям в конструкции краскораспылителей следует также отметить, что корпус традиционных краскораспылителей, как правило, изготавливается из стали или алюминия, в то время как в случае электростатических краскораспылителей корпус обычно выполняется из комбинации изолирующих и токопроводящих пластиков, для того чтобы максимально защитить маляра от поражения электрическим током.

Различают два типа высоковольтных систем электростатических краскораспылителей: классическую и каскадную. Рассмотрим их подробнее.

В случае классических (внешних) высоковольтных систем высокое напряжение постоянного тока подается непосредственно на краскораспылитель от трансформатора (источника высокого напряжения) при помощи высоковольтного кабеля. К достоинствам краскораспылителей, в которых используется классическая высоковольтная технология, относятся простота конструкции и отсутствие электронных элементов в корпусе краскораспылителя; сравнительно малый вес краскораспылителя; встроенная защита от короткого замыкания; меньшая стоимость краскораспылителя и хорошая ремонтопригодность, а к недостаткам - нестабильность высокого напряжения на электроде; отсутствие независимого выключателя электрического питания на краскораспылителе.

В каскадных (встроенных) высоковольтных системах высокое напряжение постоянного тока генерируется на специальном каскадном трансформаторе, встроенном в краскораспылитель.При этом напряжение 12 V постоянного тока подается на краскораспылитель при помощи низковольтного кабеля, а затем преобразуется на каскаде в высокое напряжение постоянного тока.

К достоинствам краскораспылителей с каскадной высоковольтной технологией относятся:

• стабильность высокого напряжения на электроде и связанная с этим равномерность зарядки материала;
• наличие встроенного в краскораспылитель регулятора высокого напряжения и независимого выключателя электрического питания,

а к недостаткам:

• наличие электронных элементов в корпусе краскораспылителя и связанная с этим его высокая стоимость;
• сравнительно высокий вес краскораспылителей.

Электростатические краскораспылители можно разделить на ручные и автоматические, которые, в свою очередь, можно классифицировать, как это показано в таблице 1.

Как уже упоминалось выше, первичное распыление ЛКМ в случае пневматических, комбинированных и безвоздушных электростатических краскораспылителей происходит точно также, как и в соответствующих традиционных краскораспылителях, поэтому они находят схожие области применения, а наличие электростатического поля позволяет повысить коэффициент переноса материала до 70-90 %.

Совсем иначе выглядит процесс нанесения ЛКМ с помощью чашечных и дисковых электростатических краскораспылителей: в этом случае заряженный ЛКМ распыляется исключительно под воздействием центробежных сил, которые возникают при вращении с высокой скоростью чашки или диска, расположенных на краскораспылителе и приводимых в движение сжатым воздухом, а затем переносится на изделие исключительно силой электростатического поля, что гарантирует перенос материала до
90-98 %.

Следует отметить, что ручные чашечные низкооборотные краскораспылители (скорость вращения чашки - до 600 об/мин.), несмотря на максимальный для всех способов распыления коэффициент переноса материала, достигающий 95-98 %, не нашли применения в условиях серийного и массового производства в силу низкой производительности (до 200 мл./мин.), а используются, в основном, для мелкосерийной ручной окраски решетчатых металлоконструкций, поскольку в этом случае трудно найти другой более экономичный способ качественного нанесения ЛКМ.

Характерной особенностью высокооборотных дисковых краскораспылителей является то, что для сужения факела ЛКМ, созданного быстровращающимся диском (скорость вращения диска - до 60000 мин.), используется поддув сжатого воздуха по всей периферии этого факела. Данный тип электростатических краскораспылителей благодаря высокой производительности и экономичности работы (коэффициент переноса материала достигает 90 %) широко используется при конвейерной окраске кузовов автомобилей и их комплектующих, бытовой техники и металлической мебели.

Особенностии ограничения метода
Как уже отмечалось выше, главной отличительной чертой электростатической окраски является наличие в системе высокого напряжения, а главным преимуществом этого метода - высокий перенос материала на изделие, достигающий 90-98 %. Однако, несмотря на очевидные достоинства электростатической окраски, данный метод имеет ряд ограничений.

Ограничение первое: свойства ЛКМ. Для того чтобы ЛКМ смог должным образом зарядиться на электроде, его сопротивление должно быть не менее 30 кОм, иначе эффективность окраски в электростатическом поле резко снизится. Примером ЛКМ с низким сопротивлением могут служить материалы, в состав которых входит большое количество металлической пудры, например, эмали с эффектом «металлик».

До недавнего времени практически невозможно было использовать метод электростатической окраски для нанесения водоразбавляемых материалов, поскольку существовала опасность возникновения короткого замыкания вследствие высокой электропроводимости воды. Однако, новое поколение оборудования для электростатической окраски, благодаря специальному исполнению каждого компонента, позволяет наносить как традиционные, так и водоразбавляемые материалы.

Ограничение второе: свойства поверхности. Также существуют определенные сложности при окраске нетокопроводящих изделий, например, пластиков или древесины. Но и здесь можно найти приемлемые решения: например, на пластик можно нанести традиционными способами токопроводящий грунт, а древесину предварительно увлажнить - а затем нанести ЛКМ с помощью электростатической окраски.

Ограничение третье: форма окрашиваемого изделия. Как было показано выше, заряженные частицы ЛКМ движутся по силовым линиям электростатического поля, возникающего между краскораспылителем и изделием. Однако, как известно из школьной программы физики, в замкнутом токопроводящем контуре напряженность электростатического поля равна нулю, поэтому если изделие имеет карманы, глубокие впадины и т.д., то частицы ЛКМ не смогут попасть внутрь, поскольку там электрическое поле не существует, и они будут оседать на других частях этого изделия. Для того чтобы покрасить подобные труднодоступные места (именуемые также контуром Фарадея), рекомендуется отключить подачу электрического тока, тем самым на время превратив электростатический краскораспылитель в традиционный пневматический или безвоздушный.

С другой стороны, на кромках и выступах напряженность электростатического поля будет максимальной, поэтому в этих местах возможно образование покрытий с толщиной больше средней.

Окрасочные установки для нанесения ЛКМ в электростатическом поле

В состав установки для электростатической окраски, как правило, входят краскораспылитель, источник высокого напряжения, воздушные и материальные шланги, питающий кабель, кабели заземления, оборудование во взрывозащищенном исполнении для подачи ЛКМ на краскораспылитель (диафрагменный или поршневой насос, красконагнетательный бак), причем наличие в системе электрического тока высокого напряжения обязывает строго соблюдать правила техники безопасности и тщательно заземлять основные элементы установки.

В случае работы вне помещения, например, при окраске крупногабаритных металлоконструкций вместо источника высокого напряжения используется мобильный пневматический генератор электрического тока
постоянного напряжения, который позволяет работать автономно от сетей электропитания.

Заключение
Технологии электростатической окраски совершенствуются на протяжении более полувека, и на сегодня электростатическая окраска во всех ее вариациях - это самый экономичный из методов распыления, обеспечивающий получение высококачественного лакокрасочного покрытия при максимальном переносе ЛКМ на окрашиваемое изделие и значительном снижении затрат на переработку отходов ЛКМ. В зависимости от типа применяемого покрасочного оборудования данный метод окраски может использоваться как в условиях массового и серийного производства, так и при мелкосерийном и единичном производстве изделий.