رنگ پودری الکترواستاتیک (قسمت دوم)

رنگ پودری الکترواستاتیک (قسمت دوم)

ته‌نشین شدن پودر و ساختمان لایه‌ها:

شکل( ۵) چگونگی تأثیر نیروها بر یک ذره شارژ شده را در حرکتش از گان پاشش تا قطعه ارت شده تشریح می‌کند. باید به خاطر سپرده شود که البته نیرویی که ذره را به سمت قطعه ارت شده هدایت می‌کند به طور مساوی شامل نیروی الکتریکی شارژ ذره، و قدرت میدان الکتریکی می‌باشد. جهت جریان هوا از سمت ذره به سوی قطعه می‌باشد، البته اگر ذره شارژ شده نباشد یا قدرت میدان الکتریکی مناسب نباشد ذره از روی قطعه فلزی جدا شده و به وسیله جریان هوا پراکنده شده یا به واسطه نیروی جاذبه به پایین سقوط می‌کند. نیروی الکتریسیته از ذره در قبال نیروی ایرودینامیک و نیروی جاذبه محافظت نموده و باعث باقیماندن ذره بروی سطح می‌شود تا زمانیکه نیروی دیگری برقرار گردد.

این نیروی جدید جاذبه بین ذره شارژ شده و سطح فلزی ارت شده می‌باشد. بیشتر مواد استفاده شده برای پوشش پودری از نوع نارسانای قوی می‌باشند و هنگام شارژ، مانع دشارژ شدن سریع می‌شوند. در حقیقت بیشتر مواد استفاده شده برای پوشش پودری، حالت شارژ خود را برای حداقل چندین ساعت حفظ می‌کنند، حتی اگر ذرات کوچک بر روی سطح فلزی ارت شده قرار گیرند. هنگامی که یک ذره پودر شارژ شده در مجاورت سطح فلزی قرار می‌گیرد، شارژی به میزان برابر ولی با پولاریته معکوس در درون فلز ایجاد می‌کند (شکل ۶) در مفهوم ساده؛ این امر در نتیجه جریان الکترونها در داخل فلز که منطقه را تا نقطه اتصال ذره پودر و سطح فلزی تخلیه می کند،اتفاق می افتد.هنگامی که الکترونها حرکت می‌کنند، آنچه بجا می‌ماند منطقه‌ای با افزایش شارژ مثبت، مساوی با میزان شارژ منفی ذره پودر است. این شارژ مثبت اصطلاحاً شارژ معکوس نامیده می‌شود. در هنگامی که شارژ مثبت به داخل فلز القا می‌گردد، دو شارژ با اندازه مساوی و پولاریته معکوس پس از همدیگر ایجاد می‌گردد، که بوسیله سطح فلزی از هم جدا می‌شود. این دو شارژ نه تنها بر یکدیگر تأثیر می‌گذارند و پودر را چسبیده به سطح فلز نگاه می‌دارند همچنین یک میدان الکتریکی را بین خودشان ایجاد می‌کنند. هرچه میزان ذره پودر به روی سطح فلزی بیشتر بوده و دارای شارژ قویتری باشد، میدان الکتریکی قویتری نیز بین ذره و تصویر معکوسش ایجاد می‌شود. بنابراین جاذبه الکترواستاتیکی قویتری نیز بین آنها بوجود می‌آید. (شکل ۶) در واقع جاذبه بیشتر ذرات بزرگتر نسبت به سطح فلزی باعث ایجاد مشکل (پوشش پوست پرتقالی) در لایه‌های نازک رنگ پودری می‌گردد. پس از ته‌نشینی لایه اول پودر بر روی سطح فلزی ذرات لایه‌های بعدی شارژ معکوسی را بر بالای لایه‌های نارسانا که قبلاً تشکیل و ته‌نشین شده‌اند ایجاد می‌کنند. لایه‌های ایجاد شده پودر نارسانا فرآیند القا را از بین می‌برد (چون تماس مستقیم بین ذرات پودر و سطح فلزی وجود ندارد) شارژ کمتر ذرات کوچکتر ممکن است جهت ایجاد نیروی جاذبه قوی و کافی برای باقیماندن ذرات بر بالای لایه‌های قبلی کافی نباشد. ذرات برزگتر پودر معمولاً شارژ قوی‌تری را ذخیره می‌کنند و بنابراین نیروی جاذبه بین آنها و تأثیر القایی آنها همچنان قوی می‌باشد. نتیجتاً ذرات بزرگتری بر روی لایه‌های قبلی ته‌نشین می‌شوند. بنابراین اگر از بالا به سطح توجه گردد میانگین اندازه ذرات در لایه‌های پایینی نسبت به لایه‌های بالایی کوچکتر می‌باشد. اگر مواد پاشش پودری به خوبی در فرآیند پاشش جریان نیابند ذرات بزرگتر لایه‌های بالاتر ممکن است به طور کامل جریان نیابند و لایه‌هایی که عمل پاشش در آن انجام نشده باقی بمانند که این امر باعث کاهش براقیت ـ اثر چکشی ـ و پوست پرتقالی در پوشش رنگ می‌گردد. پس یونیزاسیون ـ کیفیت‌ نهایی و کار آیی انتقال:

ما فرآیند ته‌نشینی ذرات پودر را بر روی سطح فلزات ارت شده تحلیل کردیم. اگر ما به پاشش پودر شارژ شده به سطح مشابه ادامه دهیم فرآیند پس‌یونیزاسیون اتفاق می‌افتد. (شکل 7c-7b-7a) هنگامی که پودر شارژ شده بر روی یک سطح فلزی پاشیده می‌شود، قدرت میدان الکتریکی داخل لایه‌های پودر افزایش می‌یابد. هر ذره پودر جدید ۱ـ شارژ تجمعی لایه‌های پودر شارژ شده را افزایش می‌دهد. ۲ـ شارژ معکوس داخل فلز را افزایش می‌دهد. ۳ـ قدرت الکتریکی داخل لایه‌های پودر را افزایش می‌دهد. در ادامه پاشش پودر شارژ شده، قدرت میدان‌های الکتریکی لایه‌های داخل پودر باعث یونیزاسیون هوای بین ذرات پودر می‌گردد. فرآیند یونیزاسیون داخل لایه‌ها بسیار شبیه فرآیند یونیزاسیون در اطراف الکترود هنگامی که الکتریسیته با ولتاژ بالا به آن اعمال می‌گردد، می‌باشد. الکترون‌های پراکنده موجود در هوا در میدان الکتریکی حرکت می‌کنند، مولکول‌های هوا را می‌شکافند و تعداد زیادی الکترون منفی و یون مثبت تولید می‌کنند. به دلیل جاذبه شارژ معکوس، الکترون‌های منفی به سمت زمین ( مثبت )رانده می‌شوند و یون‌های مثبت سعی در فرار از لایه‌های پاشش شده به طرف الکترود منفی گان می‌کنند. بر اثر این جریان متمرکز الکترون‌ها و یون‌ها، جریان بین لایه‌های پودر بوجود می‌آید یک جریان می‌تواند به صورت یک نور کوچک یا جرقه‌ای در میان لایه پودر دیده شود. در داخل یک جریان تعداد زیادی الکترون و یون‌های مثبت در خلاف جهت هم حرکت می‌کنند جریان‌ها می‌توانند به صورت سوراخ‌های برافروخته بر روی سطح پودر دیده شوند. فرآیند جریان در لایه‌های پودر دقیقاً مانند یونیزاسیون کورونا در اطراف الکترود با ولتاژ بالا بر روی گان می‌باشد. بنابراین این جریان به پس یونیزاسیون معروف است. پس یونیزاسیون دلیل دیگری برای ایجاد حالت پوست پرتقالی در سطح پاشش شده می‌باشد همچنین آن، نیروی نهانی است که به عنوان محدودیت رنگ پودری از آن یاد می‌شود. زیرا به میزان زیادی باعث کاهش کار آیی عمل انتقال ذرات می‌گردد. چون یون‌های مثبت تولید شده بوسیله پس یونیزاسیون در داخل لایه‌های پودر از لایه‌ها خارج می‌گردند، باعث خنثی‌سازی ذرات پودر نزدیک به کانال جریان هوا می‌گردند. جنبش مستقیم و فعال یون‌های مثبت در طول کانال جریان هوا همچنین مولکول‌های هوا را دچار فرآیندی بنام باد الکتریکی می‌کند. باد الکتریکی ذرات پودری را که توسط یون‌های مثبت در لایه‌ها خنثی‌سازی شده‌اند، از هم جدا می‌کند. این عمل ذرات رنگ را به صورت حفره‌های کوچکی بوجود می‌آورد که به راحتی بر روی سطح پوشش شده به طور مشهودی دیده می‌شوند. اگر مواد پاشش شده پودری در فرآیند پاشش به طور کامل پاشش نشوند و جریان نیابند، حفره‌های ایجاد شده توسط پس یونیزاسیون، به طور کامل جریان نیافته و سطوح موجی شکل را در سطح پاشش شده تشکیل می‌دهند. تأثیر مهم دیگر پس یونیزاسیون در شکل ۷ توضیح داده شده است. هنگامی که یون‌های مثبت راهشان را در خارج لایه‌های پاشش شده پیدا می‌کنند، آنها توسط جاذبه ذرات منفی پودری که به طور مستقر به سطح ارت شده پاشش می‌شوند تحت تاثیر قرار می‌گیرند. تصادم یون‌های مثبت و ذرات پودر منفی باعث می‌گردد که ذرات بار الکتریکی خود را از دست داده و بنابراین قابلیت ته‌نشین شدن را از دست دهند. پس از فرآیند پس یونیزاسیون، پوشش پودر به دلیل وجود یون‌های مثبت در جلوی قطعه ارت شده کاهش می‌یابد. انتقال موثر پودر پاشش شده به دلیل پس یونیزاسیون به میزان زیادی دچار نقصان می‌گردد. در هنگام تحلیل فرآیند کورونا در نوک گان توضیح داده شد که در فضای بین گان و قطعه، میلیون‌ها یون آزاد در کنار ذرات شارژ شده پودر تشکیل می‌شوند. تاکنون در تحلیل فرآیند ته‌نشینی رنگ و پس یونیزاسیون وجود این یون‌های مثبت در سیستم شارژ کورونا نادیده گرفته شد. اجازه دهید تا تأثیر آنها را نیز بررسی کنیم. ما می‌توانیم تولید تجمعی شارژ در پوشش ودر و پس یونیزاسیون را به پر کردن یک سطل با آب تشبیه نماییم. اگر شما سطلی را با سوراخ کوچکی در انتهای آن در اختیار داشته باشید و سعی کنید آن را از آب پر نمایید. مدت زمانی طول می‌کشد تا سطل سرریز گردد. در این تشبیه، جریان آب از شیر نشان‌دهنده جریان ذرات پودر شارژ شده که لایه‌های پوشش شده را می‌سازند، می‌باشد. آب در درون سطل شارژ تجمعی بر روی این لایه‌ها و نشت آب که بواسطه سوراخ ته سطل صورت می‌گیرد، همان میزان کم نشت شارژ است که میتواند در لایه‌ها رخ دهد. سرریز شدن سطل نشاندهنده فرآیند پس یونیزاسیون است به دنیال چنین مقایسه‌ای، وجود یون‌های آزاد در فضای بین گان و قطعه می‌تواند به اضافه کردن یک شلنگ آتش‌نشانی در درون سطل به جهت پر کردن آن تشبیه گردد. همان طور که سطل توسط یک شلنگ بزرگتر فوراً سرریز می‌گردد، فرآیند پس یونیزاسیون نیز در هنگامی که یون‌های مثبت در فرآیند وجود دارند، بیشتر می‌گردد. یون‌های مثبت تحت جاذبه واقع شده و به سمت قطعه ارت نشده در راستای خطوط میدان الکتریکی حرکت می‌کنند تا زمانیکه سطح قطعه توسط لایه‌ای از رنگ پاشش شده پوشیده نگردد، یون‌های مثبت  به سطح آن رسیده و به زمین منتقل می‌گردند. البته اگر سطح فلزی از قبل دارای یک لایه پوشیده شده از پودر باشد، این لایه سطح فلزی را ایزوله می‌نماید و جریان یون‌های آزاد به طرف زمین را محدود می‌نماید. شارژی که به سمت زمین نشت نکند به شدت شارژ تجمعی لایه‌ها را افزایش خواهد داد. و باعث سرعت ایجاد پس یونیزاسیون می‌گردد و باعث تقلیل کار آیی جریان پودر می‌گردد، و کیفیت نهایی و یکنواختی کار را تقلیل می‌دهد.

تاثیر قفس فارادی:

بگذارید ببینیم هنگام پاشش رنگ پودری الکترواستاتیک، در فضای بین گان و قطعه ارت شده چه اتفاقی می‌افتد. در شکل ۸، ولتاژ بالای اعمال شده بر روی نوک گان یک میدان الکتریکی را بین گان و قطعه ارت شده تولید می‌کند که فرآیند شارژ کورونا نامیده می‌شود. تعداد زیادی از یون‌های آزاد تولید شده بوسیله فرآیند کورونا، فضای بین گان و قطعه را پر می‌کنند بعضی از یون‌ها توسط ذرات رنگ جذب می‌شوند، که باعث شارژ ذرات می‌گردند و البته میزان زیادی از یون‌ها آزاد مانده و در طول خطوط میدان الکتریکی به سمت قطعه ارت شده حرکت می‌کنند و با ذرات پودر توسط جریان هوا مخلوط می‌گردند.

همان طور که بیشتر بیان شد یک ابر ذرات پودر شارژ شده و یون‌های آزاد تشکیل شده در فضای بین گان و قطعه پتانسیل تجمعی دارد که شارژ فضا نامیده می‌گردد. مانند ابر طوفانزا که یک میدان الکتریک را بین خود و زمین ایجاد می‌کند (که لاجرم به صورت یک فرآیند نورزا دیده می‌شود) یک ابر ذرات شارژ شده و یونهای آزاد و نیز یک میدان الکتریکی را بین خود و قطعه ارت شده ایجاد می‌کند. بنابراین در یک سیستم قراردادی کورونا، میدان الکتریکی در مجاورت سطح قطعه شامل میدانهای ایجاد شده بوسیله الکترود شارژ شده گان و شارژ فضا می‌باشد. ترکیب این دو میدان فرآیند ته‌نشین شده رنگ بر روی قطعه ارت شده را تسهیل کرد و باعث کار آیی بالای عمل انتقال می‌گردد. تاثیرات مثبت میدان الکتریکی قوی که بوسیله سیستم کورونا ایجاد می‌گردد، در هنگام پوشش سطوح بزرگ، و مسطح در سرعت بالا بیشتر به چشم می‌آیند. متأسفانه میدانهای قویتر الکتریکی سیستم کورونا می‌توانند تاثیرات منفی بر برخی از عوامل داشته باشند. برای مثال در هنگام پوشش قطعاتی با گوشه‌های عمیق و کانالها فرآیند قفس فارادی اتفاق می‌افتد (شکل ۹) هنگامی که یک قطعه دارای گوشه‌ یا کانال بر روی سطحش می‌‌باشد، میدان الکتریکی در راستای کمترین مقاومت به سمت زمین جریان می‌یابد (یعنی مانند لبه‌های گوشه‌ها) بنابراین بابیشترین میدان الکتریکی متمرکز در لبه‌های کانال (هم از گان و هم از شارژ فضا) ته‌نشین پودر      به میزان زیادی در این مناطق بهبود می‌یابد و لایه پوشش یافته به سرعت در این مناطق تشکیل می‌گردد.

متأسفانه، دو تأثیر منفی در این فرآیند همراهی می‌کنند. اول: تعداد کمتری از ذرات شانس رسیدن به داخل کانالها را پیدا می‌کنند در حالتی که ذرات پودر با قدرت تمام توسط میدان الکتریکی به سمت لبه‌های قفس فارادی حرکت دادن می‌شوند. دوم: یون‌های آزاد ایجاد شده بوسیله کورونا خطوط میدان را به سمت لبه‌ها تعقیب می‌کنند و سریعاً لایه‌های ایجاد شده را با بار اضافی اشباع می‌کنند و به طور بسیار سریعی باعث پس یونیزاسیون می‌گردند. پیشتر بیان شد که برای مقابله ذرات با پدیده ایرودینامیک و جاذبه زمین و انجام عمل ته‌نشینی آنها یک میدان الکتریکی مناسب و قوی وجود دارد. در شکل ۹ مشاهده می‌گردد نه میدان الکتریکی ایجاد شده توسط الکترود گان و نه میدان فضای بین گان و قطعه، به داخل قفس فارادی نفوذ نمی‌کنند. بنابراین تنها عامل کمک به پوشش داخلی حفره‌ها میدان ایجاد شده بوسیله شارژ فضای ذرات پودر می‌باشد که بوسیله جریان هوا به داخل کانال و حفره‌ها نفوذ می‌کند. (شکل ۱۰) اگر کانال یا حفره تنگ باشد پس یونیزاسیون به سرعت بر لبه‌ها اثر کرده و یون‌های مثبتی را ایجاد می‌کند که شارژ ذرات پودری که تلاش می‌کنند به داخل قفس فارادی نفوذ کنند را کاهش می‌دهد. هنگامی که این امر اتفاق می‌افتد، حتی اگر به اسپری کردن پودر به داخل کانال ادامه دهیم شارژ فضای ذرات پودر جریان یافته توسط هوا به داخل حفره‌ها برای ایجاد یک نیروی الکتریکی قوی و مناسب جهت ته‌نشینی پودر مناسب نمی‌باشد. بنابراین ساختار میدان الکتریکی و تجمع آنها بر لبه‌های قفس فارادی تنها شکل در پوشش کانال‌ها و حفره‌ها نیست. اگر لازم باشد که در طول زمانی مناسب به داخل حفره‌ها، اسپری کنیم، ما انتظار داریم که وقتی لبه‌ها با لایه نازکی از پودر پوشیده شد سایر ذرات قادر ته نشینی در لبه‌ها نباشند و ناچاراً به داخل حفره ها رفته و ته‌نشین گردند.  متاسفانه این امر به دلیل پس یونیزاسیون اتفاق نمی‌افتد. مثال‌های زیادی از قفس فارادی که نمی‌توانند بدون دانستن اینکه به چه مقدار به آنها اسپری گردد، پوشیده نمی‌شوند وجود دارد. در بعضی موارد این امر به دلیل شکل هندسی حفره‌ها و مشکلاتی در اغتشاش جریان هوا بوجود می‌آید ولی در اکثر مواقع این امر به دلیل پس یونیزاسیون اتفاق می‌افتد.