纸张表面静电喷涂工艺及其专用高压静电喷涂系统

摘要

本发明公开了一种纸张表面静电喷涂工艺，包括如下步骤：(1)先建立一个工作电场，该电场以喷枪接负高压电极，形成高压负极；另做一个金属板，接地后形成正极；(2)配制喷涂涂料；(3)让纸张在两电极形成的电场中，紧贴正极金属板运动，将喷涂涂料输入喷枪，由喷枪喷出的带电涂料粒子，在高压电场的作用下，向正极金属板运动，被纸张接受沉积于纸张表面，形成涂布层。此外，本发明还公开了上述工艺的专用高压静电喷涂系统。本发明能实现较大粒径颜料的涂布，生产的纸张光泽好，闪烁效果强，且涂料利用率高，涂布面均匀平整一致，空间飞尘少，能批量生产。

说明书

技术领域

本发明涉及一种纸张表面的涂布工艺，尤其涉及一种纸张表面的静电喷涂工艺，也可以用于非导电卷材(如织物，簿膜等)的表面涂布；此外，本发明还涉及专用于上述工艺的高压静电喷涂系统。

背景技术

利用新型的效果材料(如珠光粉、闪光粉等)对纸张表面进行涂布可以给纸张表面增加艺术效果，目前应用较多的是采用珠光粉对纸张表面进行涂布，从而生产珠光纸。

具体的涂布工艺是将一定量的珠光粉，添加到树脂中配制成珠光涂料，采用凹版印刷的方法对纸面进行涂布印刷。该工艺的特点是涂布定量准确，速度快、效率高，因凹版的凹穴大小，可以容纳相应粒径的固体颗粒于涂料之中而不影响涂布质量。

在实际使用中珠光粉粒径在15um-60um之间，可以用不同线数的凹版辊筒进行涂布。

珠光粉的一个特点是粒径越粗，光泽越好，闪烁效果就越强。然而，粒径大于100um的珠光粉虽然效果好，但受涂布凹板辊筒的凹穴空间的尺寸限制而无法应用(一般，凹板辊筒的凹穴深度在30um之内)。因此，按照现有的纸张加工中的涂布方法，很难将粒径较大的装饰颜料涂布于纸张上，生产的珠光纸张的闪烁效果不尽人意。于是，我们想到采用喷涂的方法，经试验，证明可以用喷涂的方法实现较大粒径颜料的涂布，但是，存在的问题是，涂料利用率很低，涂布面无法均匀平整一致，空间飞尘多，无法批量生产，因此，研究一种喷涂工艺来克服以上问题是非常必要的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种纸张表面静电喷涂工艺方法，能实现较大粒径颜料的涂布，生产的纸张光泽好，闪烁效果强，且涂料利用率高，涂布面均匀平整一致，空间飞尘少，能批量生产。为此，本发明还提供一种专用于上述工艺的高压静电喷涂系统。

为解决上述技术问题，本发明提供一种纸张表面静电喷涂工艺方法，包括如下步骤：(1)先建立一个工作电场，该电场以喷枪接负高压电极，形成高压负极；另做一个金属板，接地后形成正极；(2)配制喷涂涂料；(3)让纸张在两电极形成的电场中，紧贴正极金属板运动，将喷涂涂料输入喷枪，由喷枪喷出的带电涂料粒子，在高压电场的作用下，向正极金属板运动，被纸张接受沉积于纸张表面，形成涂布层。

步骤(1)中所述工作电场的工作电压在60～90KV之间。

步骤(2)所述的配制喷涂涂料具体为：将树脂、溶剂与涂料颜料混合配制成喷涂涂料。

所述的树脂为氯醋树脂，所述的溶剂为醋酸丁酯和醋酸乙酯，所述树脂与溶剂的添加比例为约10比6，所述的涂料颜料为珠光粉，所述珠光粉的添加量为树脂和溶剂总量的10％-25％。

本发明还提供一种专用于上述纸张表面静电喷涂工艺方法的高压静电喷涂系统，该系统包括：纸张收放卷装置、烘干装置、高压静电喷涂装置和供应涂料装置，所述的纸张收放卷装置包括收卷器、放卷器；所述的高压静电喷涂装置包括接负高压电极的喷枪、接地后形成正极的金属板、喷枪和金属板之间形成一个工作电场；所述的供应涂料装置包括料桶、泵和稳压器；料桶中的涂料通过泵和稳压器输送到喷枪；纸张通过放卷器放卷后，在喷枪和金属板形成的工作电场中紧贴金属板运动，由喷枪喷出的带电涂料粒子，向金属板运动，喷涂纸张，然后纸张通过烘干装置烘干，最后进入收卷器。

所述的料桶中的涂料通过泵和稳压器大部分输送到喷枪，剩余部分再次回到料桶中回收。

所述的金属板的面积和要涂布的纸张幅面相适应。

所述的喷枪与金属板之间的距离为200～250mm。

所述的喷枪为单个或多个，采用多个喷枪时，每个喷枪之间的距离是单枪喷幅的1.5倍。

所述的所述的高压静电喷涂装置，在金属板两侧增设两条防脏电极线，该防脏电极线是负高压电极或接地的正极。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明主要用于大粒径颜料的纸张涂布。采用本发明对纸张进行涂布，生产的纸张光泽好，闪烁效果强，大大提高了纸张的艺术效果，且涂料利用率高，涂布面均匀平整一致，空间飞尘少，能批量生产，给市场提供了一种全新的选择。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1是本发明的静电喷涂原理中电晕放电起始电压与极性关系的示意图；

图2是本发明纸张表面涂布工艺中静电喷涂的示意图；

图3是本发明中的多腔室稳压器的示意图；

图4是本发明高压静电喷涂系统的结构示意图；

图5是本发明中喷涂电压与喷涂效率的关系示意图；

图6是本发明中极间距离与涂装效果的关系示意图；

图7是本发明中涂布层的截面分布示意图；

图8是本发明中多喷枪布置的示意图；

图9是本发明的喷枪旋杯式喷杯的截面示意图。

具体实施方式

静电喷涂是在喷枪和被涂工件之间形成一个高压静电场，一般被涂工件接地为正极，喷枪接上负高压，当电场强度E足够高时，喷枪口附近的空气即产生电晕放电(电晕放电起始电压与极性关系如图1所示)，使空气发生电离，当涂料粒子通过喷枪口带上电荷成为带电粒子，便会沿着电场方向，向着被涂工件运动，沉积于被涂工件表面，形成涂布层。

由于本发明的被涂工件纸张不是导体，无法通过接地而形成正极，也就无法形成有效电场。因此，本发明采用如下技术方案：如图2所示，先建立一个工作电场2，该工作电场2以静电喷枪口1接负高压电极3，形成高压负极；另做一个金属板5，其面积和要涂布的纸张4幅面相适应，接地后形成正极，让纸张4在两电极形成的电场2中，紧贴正极金属板5运动，由静电喷枪口1喷出的带电涂料粒子，在高压电场2的作用下，向正极金属板5运动、被纸张4接受沉积于纸张4表面，形成涂布层。部分涂料粒子在飞越纸张4边缘后，又被正极拉回，其中一小部分落在纸张4背面，使得纸张4背面带脏。为此，本发明在金属板5两侧增设2条防脏电极线6。防脏电极线6可以是负高压电极，利用同性相斥的原理，使飞越纸张4边缘的涂料粒子的运动偏离纸张4，防止纸张4背面带脏。防脏电极线6也可以是接地的正极，将飞越纸张4边缘的涂料粒子吸附其上而不会落于纸张4背面，通过实验，接地的正极防脏电极线6，安装方便、安全，对正面涂布没有不良影响，效果很好。

静电喷涂技术对涂料有一定的介电常数要求，涂料输送的一端是喷枪口为负高压电极，从安全角度出发，本发明放弃了由电动机带动输料泵的输料方法，转而考虑用压缩空气做动力的输料方法，综合各种方案，本发明采用开放式涂料桶，配气动隔膜泵驱动。

开放式涂料桶便于涂料的随时添加，有利于连续生产，空气作动力的隔膜泵，消除了电动机被高压电损坏的可能，该泵也有很好的防堵塞功能。

实际应用时，由于隔膜泵是往复运动，脉动输出，使运动到喷枪口的涂料压力有很大的压差，造成涂布量随隔膜泵往复运动而大小不一致，为此，经长期实验，终于成功制作了多腔室自动稳压器，将该稳压器接入系统后有效克服了隔膜泵工作时产生的涂料压力的脉动变化，使喷涂量变得稳定可控。

如图3所示，多腔室稳压器包括多个用管道A2串连的腔室A1，该多个腔室A1连接固定在同一平板A3上，每个腔室A1内设有进料口A4和出料口A5。该多腔室稳压器的工作原理是：当涂料被送入第一个腔室时，由于涂料在管道中流动的阻力存在，它会使腔室中的空气受到弹性压缩，压缩后的空气作用于腔室中涂料面，推动涂料由出料口排出腔室，由于腔室内空气的压缩弹性，削减了隔膜泵输出的压力差，削减了压力差的涂料被送入第二个腔室，第二个腔室重复了第一个腔室的过程，使得输送过程中的涂料压力差进一步削减，以此类推直至压力差削减到涂布工艺要求的范围。如图3所示，本发明采用的多腔室稳压器，有五个腔室，可根据不同的涂料和喷涂工艺选择，在本发明中使用三个腔室已能满足涂布工艺要求。

本发明用于上述纸张表面静电喷涂工艺方法的高压静电喷涂系统如图4所示，该系统包括：纸张收放卷装置、烘干装置、高压静电喷涂装置和供应涂料装置，所述的纸张收放卷装置包括收卷器B1、放卷器B2；所述的高压静电喷涂装置包括接负高压电极的喷枪B3(图4中有两个喷枪)、接地后形成正极的金属板B4、喷枪B3和金属板B4之间形成一个工作电场；所述的供应涂料装置包括料桶B5、隔膜泵B6和多腔室稳压器B7；料桶B5中的涂料通过隔膜泵B6(进压缩空气)和多腔室稳压器B7输送到喷枪B3；纸张通过放卷器B2放卷后，在喷枪B3和金属板B4形成的工作电场中紧贴金属板B4运动，由喷枪B3喷出的带电涂料粒子，向金属板B4运动，喷涂纸张，然后纸张通过烘干装置B8烘干，最后进入收卷器B1。

其中，料桶B5中的涂料通过隔膜泵B6和多腔室稳压器B7大部分输送到喷枪B3，剩余部分再次回到料桶B5中回收。

系统参数如下所示：

A、电压

静电喷涂电压是一个十分重要的参数，如图5所示当电压低于40KV时喷涂效率仅20％左右，随着电压升高、喷涂效果迅速升高，在60KV时涂布效率可达80％，电压再升高涂布效率变化趋于饱和，过度的高电压可能出现被高压击穿的危险，本发明的工作电压在60～90KV之间，优选90KV作为系统的工作电压。

B、喷枪与被涂纸张的距离

图6是本发明中极间距离与涂装效果的关系示意图。一般1CM空气间隔能承载10KV电场作用，本发明选90KV的电场强度，则极间距离(即喷枪与被涂纸张的距离)不得小于9CM，低于此距离就会有极间击穿产生火灾的可能，一般的金属被涂工件必须取3倍的安全系数，但本发明的被涂工件是纸张，经实验，选择2-2.5的安全系数。本发明喷枪与被涂纸张(或金属板)之间的距离为200～250mm。

C、喷枪的布置

本发明喷枪的喷杯采用旋杯式喷杯，其喷雾轨迹是一中空圆环，在工件表面形成涂层的截面分布情况如图7所示，单枪喷涂的有效喷幅达620mm。由于单枪喷涂的幅面限制，对幅宽较大的纸张喷涂可以采用多枪联喷，枪与枪之间的距离一般可掌握在单枪喷幅的1.5倍，具体可参考图8所示的方法进行。

D、喷杯口径

涂料粒子半径r与旋杯式喷杯口径R的关系如下式：

$r=\frac{1}{\mathrm{RE}}\sqrt{\frac{{\mathrm{KW}}_C\sigma }{2\mathrm{\pi ϵ}}},$其中，$K=\frac{3{\sin }^2\mathrm{\beta Logctg}\frac{\beta }{2}\times {10}^{-5}}{\cos \beta }$

式中，R-旋杯半径(如图9所示)，E-电场强度，σ-涂料的表面张力，ε-涂料的介电常数，β-旋杯锥面与水平的夹角(如图9所示)，W_C-总喷涂量，r-涂料粒子半径。

由上式可见，旋杯的半径越大，则涂料粒子越细，但随之中空区也就越大，因此应根据实际情况确定合时的旋杯口径。本发明的旋杯口径选择60mm。

E、旋杯速度

在旋杯式静电喷涂系统中涂料的初级雾化主要依靠旋杯的高速旋转产生的离心力的作用，其次在高压静电场的作用下，涂料粒子进一步被静电雾化。

静电喷涂时涂料雾化是很重要的环节，为了保证雾化效果，旋杯速度越高越好，但涂料粒子过高的运动速度不利其在电晕区的充分电荷，影响喷涂效果。

因此应根据喷杯的口径大小，电场强度，涂料的介电常数来确定合适的旋杯速度，以获得最佳的喷涂效果。旋杯速度视实际涂布效果在3000～10000转/分钟之间可调。

F、涂料粘度

涂料一般是粘度愈高雾化性能愈差，对喷涂效率产生不利影响，但是从质量因素考虑，提高涂料固含量，粘度会升高，但可以提高光泽和丰满度，所以综合考虑，涂料粘度可以掌握在15～20S(涂-4杯)。

G、涂料的电性能

根据静电涂装的原理，涂料粒子在电场中荷电荷的能力与涂料的电性能有关，其主要参数——介电常数。普通涂料的极性很低，其阻抗往往大于100MΩ，为使涂料能适应静电涂装的需要，必须用介电常数较高的溶剂来调整涂料的阻抗，使其在5～50MΩ之问。

常用涂料的溶剂特性见下表：

静电喷涂常用溶剂特性

  类别  溶剂名称  电阻率  /M  Ω.cm  介电常  数  (ε)  沸点  /℃  闪  点  /℃  表面张力  /(×  10^-3N/m)  醇类  甲醇  正丁醇  乙醇   二丙酮醇  苯甲醇  异丙醇  0.62  1.4  1.9   2.8  3.2  20  32.1  17.4  24.3   27.5  14.5  20.4  64.5  117.3  78.3   169.2  205.0  82.3  12  37  14   60  96  12  22.6  24.8  22.3   31.4   23.8     酮类    甲乙酮(MEK)  异佛尔酮  甲基异丁基酮   (MIBK)  环己酮  7.7  18  21   39   19.5  20.5  14.1   18.2   79.6  215.2  116.0   156.7   -5  92  16   47     24.2   35.2     酯类    乙二醇丁醚  醋酸丁酯   乙二醇乙醚酸酯  乙二醇乙醚  14  17   70  85  9.5  5.1   8.0  14.7  171.2  126.1   156.3  153.1  61  27   52  43   25.2   

    芳香类  甲苯   二甲苯  2.8×  10³   1.8×  10⁴  24   24  109.9～   110.4   138.2～  139.9  5   27     28.5   23.8   

实施例1

配制喷涂涂料：将树脂氯醋树脂100克、溶剂醋酸丁酯和醋酸乙酯60克与珠光粉16克混合配制成喷涂涂料。采用上述高压静电喷涂系统，让纸张在喷枪和金属板形成的工作电场中，紧贴正极金属板运动，该工作电场的工作电压是90KV，喷枪与金属板之间的距离为200mm，喷枪旋杯口径为60mm，旋杯速度为3000转/分钟。将上述配制的喷涂涂料输入喷枪，由喷枪喷出的带电涂料粒子，在高压电场的作用下，向正极金属板运动，被纸张接受沉积于纸张表面，形成涂布层。

实施例2

配制喷涂涂料：将树脂氯醋树脂200克、溶剂醋酸丁酯和醋酸乙酯120克与珠光粉80克混合配制成喷涂涂料。采用上述高压静电喷涂系统，让纸张在喷枪和金属板形成的工作电场中，紧贴正极金属板运动，该工作电场的工作电压是60KV，喷枪与金属板之间的距离为250mm，喷枪旋杯口径为60mm，旋杯速度为10000转/分钟。将上述配制的喷涂涂料输入喷枪，由喷枪喷出的带电涂料粒子，在高压电场的作用下，向正极金属板运动，被纸张接受沉积于纸张表面，形成涂布层。

实施例3

配制喷涂涂料：将树脂氯醋树脂300克、溶剂醋酸丁酯和醋酸乙酯180克与珠光粉96克混合配制成喷涂涂料。采用上述高压静电喷涂系统，让纸张在喷枪和金属板形成的工作电场中，紧贴正极金属板运动，该工作电场的工作电压是80KV，喷枪与金属板之间的距离为220mm，喷枪旋杯口径为60mm，旋杯速度为5000转/分钟。将上述配制的喷涂涂料输入喷枪，由喷枪喷出的带电涂料粒子，在高压电场的作用下，向正极金属板运动，被纸张接受沉积于纸张表面，形成涂布层。