专利名称：高分子材料冷喷涂系统及涂层的制备方法
技术领域：
本发明属于高分子材料制备技术领域，涉及一种高分子材料的制备系 统，具体涉及一种高分子材料冷喷涂系统，本发明还涉及利用该系统制备涂 层的方法。
背景技术：
高分子材料作为一种有效地防腐涂层，已在工业上得到广泛的应用。特 别是近年来，将高密度聚乙烯等高分子材料用于输油管道的防腐,，使管材免 受管道内流体的腐蚀和管道外土壤的腐蚀。
目前，将高分子材料涂覆于需采取防腐措施的基体表面的方法，有火焰 喷涂法和静电喷涂法。火焰喷涂法对基体的预热温度要求较高，容易影响基 体组织结构，同时喷涂火焰易引起高分子材料如高密度聚乙烯、环氧树脂粉 末等的烧损和降解。静电喷涂法采用的静电喷涂系统无法用于化工容器和输 油输气管道防腐施工的现场，使得输油输气管道现场焊接的接头、三通等零 部件的防腐，只能采用刷涂法在其表面制备防腐涂层，涂刷的高分子材料一 舉为环氧树脂涂料，环氧树脂涂料中含有有机溶剂，有机溶剂挥发后，导致 防腐涂层出现微孔，形成涂层腐蚀的隐患，且涂刷的涂层较薄，需经过多次
涂刷，涂层厚度才能达到lmm，施工周期长；同时，输油输气主管道喷涂 的防腐涂层与管道接头处刷涂的方法得到的涂层厚度、质量不均一，使管线 的接头、阀门和三通等地方成为腐蚀防护的薄弱环节。
发明内容
本发明的目的是提供一种高分子材料冷喷涂系统，可用于化工容器的防 腐及输油输气管道防腐施工的现场，在较低温度下将高分子材料喷涂于管道 表面，形成具有防腐功能的涂层，避免高分子材料的氧化、烧损和降解，并 不需对基体进行高温预热处理，避免基体组织结构的变化。
本发明的另一目的是提供一种采用上述高分子材料冷喷涂系统制备涂
层的方法。
本发明所采用的技术方案是， 一种高分子材料冷喷涂系统，包括并联设 置的送粉管路、预热管路和喷涂固化管路，该三条管路分别与气体通入管道
相通，所述的送粉管路按气体流动方向依次设置有气体流量控制器A、粉斗 和套管式喷枪，预热管路按气体流动方向依次设置有气体流量控制器B和空 气加热器A，空气加热器A与电压控制器A相连接，喷涂管路设置有空气 加热器B，空气加热器B与电压控制器B相连接，喷涂管路通过空气加热 器B后分为两条并联的支路， 一条支路通过气体流量控制器D，其末端与套 管式喷枪固接，另一条支路设置有气体流量控制器C。
本发明所采用的另一技术方案是，利用上述高分子材料冷喷涂系统制备 涂层的方法，按以下步骤进行-
步骤l:对需喷涂涂层的工件的表面进行处理
对需喷涂涂层的工件的表面，按常规方法进行除油、除锈和喷砂粗化处 理，然后，用丙酮清洗；
步骤2:在处理后的工件表面喷涂固化涂层
采用一高分子材料冷喷涂系统，该系统包括并联设置的送粉管路、预热
管路和喷涂固化管路，该三条管路分别与气体通入管道相通，所述的送粉管
路按气体流动方向依次设置有气体流量控制器A、粉斗和套管式喷枪，套管 式喷枪固定于送粉管路的末端，预热管路按气体流动方向依次设置有气体流 量控制器B和空气加热器A，空气加热器A与电压控制器A相连接，喷涂 管路设置有空气加热器B，空气加热器B与电压控制器B相连接，喷涂管 路通过空气加热器B后分为两条并联的支路， 一条支路通过气体流量控制器 D，其末端与套管式喷枪固接，另一条支路设置有气体流量控制器C，
开启预热管路中的空气加热器，控制其电压为220V，对通过该空气加 热器的空气进行加热，调节气体流量控制器，控制喷向经步骤1处理后的工 件表面的气体压力'为0.8MPa 1.0MPa、气体流量为1.8 m3/h 2.0m3/h、气体 温度为200°C 240°C，使得预热后工件的温度为80°C 120°C;
开启送粉管路，调节送粉管路中设置的气体流量控制器，控制气体流量 为2.3m3/h 2.5m3/h，该气体将由粉斗下部进入管路的高分子材料粉末送进 固接于送粉管路出口的套管式喷枪中的送粉管内，
打开喷涂固化管路中的气体加热器，通过电压控制器控制气体加热器的 电压为260V 280V，对通过该气体加热器的空气进行加热，加热后的空气 的温度为160°C 200°C，分别进入套管式喷枪和固化支路，调节与套管式喷 枪相连的气体流量控制器，控制进入套管式喷枪的热气体流量为2.3 m3/h 2.5m3/h，该热气体经过喷枪体，在气体压力的作用下从套管式喷枪前端设置 的喷口套的出口喷出，同时，进入送粉管的高分子材料粉末自送粉管的出口 喷出，该粉末与热气体在喷口套内充分混合，高分子材料粉末被塑化，并通 过热气流的动能，将高分子材料喷涂于预热后的工件表面，获得未完全流平
固化的涂层，喷涂过程中采用工艺参数为喷涂距离50mm 80mm、喷涂 角度85° 95°、喷涂速度8 cm/s 10 cm/s，
调节设置于固化支路的气体流量控制器，控制该支路中的气体流量为 1.0m3/h 1.2m3/h，喷向涂层，对涂层加热，使其流平交联固化，得到厚度为 0.6mm 1.0mm的涂层。
本发明系统的有益效果是
1. 采用热气流作为热源，通过调节电压，控制气体流量、温度和速度，. 降低基体的预热温度和喷涂时的喷涂温度，避免基体预热温度过高而引起的 组织结构变化以及粉末受热导致的降解。
2. 设备体积小，可现场施工。
3. 涂层性能较好，其与基体的结合强度与静电喷涂相当，0.3mm的涂层 用电火花检漏仪检测无气孔。
图1是本发明系统的结构示意图2是本发明系统中套管式喷枪的结构示意图；其中，a是主视图，b 是俯视图，c主视图的A-A剖视图。
图中，l.气体流量控制器A， 2.气体流量控制器B， 3.空气加热器A， 4. 粉斗，5.气体流量控制器C， 6.套管式喷枪，7.气体流量控制器D， 8.空气加 热器B， 9.电压控制器A， IO.电压控制器B， ll.工件。
其中，6-l.喷口套，6-2.支架，6-3.喷枪体，6-4.套管，6-5.连接盖，6-6. 送粉管，6-7.挡板，6-8.进气口。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明进行详细说明。
本发明系统的结构，如图1所示。包括并联设置的送粉管路、预热管路 和喷涂固化管路，该三条管路分别与气体通入管道相通。送粉管路上按气体
流动方向依次设置有气体流量控制器A1、粉斗4和套管式喷枪6，套管式喷 枪6固定于送粉管路的末端，其喷口朝向工件ll;预热管路上按气体流动方 .向依次设置有气体流量控制器B2和空气加热器A3，空气加热器A3与电压 控制器A9相连接，预热管路的出口朝向工件ll;喷涂管路上设置有空气加 热器B8，空气加热器B8与电压控制器B10相连接，喷涂管路通过空气加 热器B8后分为两条并联的支路，其中一条支路通过气体流量控制器D7后， 其末端与套管式喷枪6固接，另一条支路设置有气体流量控制器C5，该支 路的出口朝向工件ll。
本发明系统中套管式喷枪的结构，如图2a、 2b、 2c所示。包括环状的 喷枪体6-3，喷枪体6-3的侧壁设置有进气口 6-8，喷枪体6-3的一端固定有 喷口套6-l，喷枪体6-3的另一端固接有连接盖6-5，连接盖6-5与环形的套 管6-4固定连接，套管6-4的一端伸入喷枪体6-3内，并通过均布的三个支 架6-2固接于喷枪体6-3的内壁，套管6-4的另一端穿过连接盖6-5伸出套 管式喷枪外；套管6-4内设置有与套管6-4同轴的中空的送粉管6-6，送粉管 6-6通过对称分布的两块挡板6-7与套管6-4的内壁固定连接，送粉管6-6与 两块挡板6-7将套管6-4的内孔分为互不相通的两部分。
本发明系统中，
预热管路通过电压控制器A9调节空气加热器A3的功率，并通过气体 流量控制器B2调节预热气体的流量，控制预热气体的温度为60°C 300°C， 以达到有效预热基体的目的，同时，预热气流不对喷涂气流形成干扰。
送粉管路通过调节气体流量控制器Al控制粉斗4出粉的速度和系统的 喷涂速度。
喷涂固化管路通过电压控制器B10调节空气加热器B8的输入电压，控 制气体的温度，并通过气体流量控制器控制气体的流量，实现对高分子材料 粉末的可控加热。通过气体流量控制器D7控制套管式喷枪6的气体流量， 调节高分子材料粉末的加热时间和飞行速度，将熔融的高分子材料粉末喷涂 于基体表面；调节气体流量控制器C5可控制固化气体流量，使喷涂于基体 表面的熔融高分子材料固化，且该气体流不对处于固化流平过程中的涂层形 成冲击，以免影响涂层表面质量。
套管式喷枪6中套管6-4内壁与送粉管6-6之间的间隙通有冷水，避免 高分子材料粉末受热黏附于送粉管6-6的内壁，造成送粉管6-6堵塞，送粉 管6-6与挡板6-7将套管6-4内孔隔为互不相通的两部分，形成冷水的进水 腔和出水腔，构成一个冷却水循环管道，喷口套6-l起收縮气流，提升喷涂 气流速度的作用。
本发明系统利用可控加热气体作为喷涂热源，并通过套管式喷枪将高分 子材料喷涂于基体表面，形成涂层。采用该系统制备涂层的方法，具体按以 下步骤进行
步骤l:对需喷涂涂层的工件的表面进行处理
对需喷涂涂层的工件表面，按常规方法进行除油、除锈和喷砂粗化处理， 然后，用丙酮清洗；
喷砂粗化处理，砂粒喷射方向与基材表面的夹角，即喷砂角度为60°
80°，以防止90。方向喷砂时砂粒嵌入工件表面。 步骤2:在处理后的工件表面喷涂固化涂层
采用一高分子材料冷喷涂系统，开启预热管路中的空气加热器，控制其 电压为220V，对通过该空气加热器的空气进行加热，调节气体流量控制器， 控制喷向经步骤1处理后的工件表面的气体压力为0.8MPa 1.0MPa、气体 流量为1.8m3/h 2.0m3/h、气体温度为200。C 240。C,使得预热后工件的温 度为80。C 120。C;
开启送粉管路，调节送粉管路中设置的气体流量控制器，控制气体流量 为2.3m3/h 2.5m3/h，该气体将粉斗下部进入管路的高分子材料粉末送入接 于套管式喷枪的送粉管内。
打开喷涂固化管路中的气体加热器，通过电压控制器控制气体加热器的 电压为260V 280V，对通过该气体加热器的空气进行加热，加热后的空气 的温度为160°C 200°C，分别进入套管式喷枪和固化支路，调节与套管式喷 枪相连的气体流量控制器，控制进入套管式喷枪的热气体流量为2.3 m3/h 2.5m3/h，该热气体经过喷枪体，在气体压力的作用下从套管式喷枪前端设置 的喷口套的出口喷出Z同时，进入送粉管的高分子材料粉末自送粉管的出口 喷出，该粉末与热气体在喷口套内充分混合，高分子材料粉末被塑化，并通 过热气流的动能，蒋高分子材料喷涂于预热后的工件表面，获得未完全流平 固化的涂层，喷涂过程中采用工艺参数为喷涂距离50mm 80mm、喷涂 角度85° 95°、喷涂速度8cm/s 10cm/s，
调节设置于固化支路的气体流量控制器，控制该支路中的气体流量为 1.0mVh 1.2mVh，喷向涂层，对涂层加热，使其流平交联固化，得到厚度为0.6mm 1.0mm的涂层。 实施例1:
取石油管线防腐专用环氧树脂粉末和过渡层粉末，加入高分子材料冷喷
涂系统的粉斗内。取X70管线钢，按常规方法对其表面进行除油、除锈和喷 砂粗化处理，然后，用丙酮清洗；喷砂粗化处理的喷砂角度为60° 80°。开 启预热管路中的空气加热器，控制其电压为220V，对通过该空气加热器的 空气进行加热，调节气体流量控制器，控制喷向处理后的工件表面的气体压 力为0.8MPa、气体流量为1.8m3/h、气体温度为20(TC，使得预热后工件的 温度为8(TC;开启高分子材料冷喷涂系统中的送粉管路，调节送粉管路中的 气体流量控制器，控制气体流量为2.3mVh，该气体将由粉斗下部进入管路 的高分子材料粉末送进固接于送粉管路出口的套管式喷枪中的送粉管内，打 开喷涂固化管路中的气体加热器，通过电压控制器控制气体加热器的电压为 260V，对通过该气体加热器的空气进行加热，加热后的空气的温度为160°C， 分别进入套管式喷枪和固化支路，调节与套管式喷枪相连的气体流量控制 器，控制进入套管式喷枪的热气体流量为2.3mVh，该热气体经过喷枪体， 在气体压力的作用下从套管式喷枪前端设置的喷口套的出口喷出，喷涂距离 为50mm、喷涂角度为85。、喷涂速度为8cm/s，同时，进入送粉管的高分子 材料粉末自送粉管的出口喷出，该粉末与热气体在喷口套内充分混合，高分 子材料粉末被塑化，并通过热气流的动能，将高分子材料喷涂于预热后的工 件表面，获得未完全流平固化的涂层；调节设置于固化支路的气体流量控制 器，控制该支路中的气体流量为l.OmVh，喷向未固化的涂层，对其加热， 使之流平交联固化，得到厚度为0.6mm的涂层。
对该涂层进行检测。通过拉伸法测得其结合强度为22.4MPa;采用电火 花法检测涂层的孔隙率，在12KV电压下该涂层未被击穿；使用硬度计测量 的涂层的韦氏硬度为24.8HW;采用3%的NaCl和Na2S混合溶液，在60°C 条件下腐蚀240小时，涂层的腐蚀速率小于0.1,mm/a。
实施例2
取高密度聚乙烯粉末，加入高分子材料冷喷涂系统的粉斗内。取X70 管线钢，按常规方法对其表面进行除油、除锈和喷砂粗化处理，然后，用丙 酮清洗；喷砂粗化处理的喷砂角度为60° 80°。开启预热管路中的空气加热 器，控制其电压为220V，对通过该空气加热器的空气进行加热，调节气体 流量控制器，控制喷向处理后的工件表面的气体压力为l.OMPa、气体流量 为2.0mVh、气体温度为240。C，使得预热后工件的温度为120。C;开启高分 子材料冷喷涂系统中的送粉管路，调节送粉管路中的气体流量控制器，控制 气体流量为2.5mVh，该气体将由粉斗下部进入管路的高分子材料粉末送进 固接于送粉管路出口的套管式喷枪中的送粉管内，打开喷涂固化管路中的气 体加热器，通过电压控制器控制气体加热器的电压为280V，对通过该气体 加热器的空气进行加热，加热后的空气的温度为180°C，分别进入套管式喷 枪和固化支路，调节与套管式喷枪相连的气体流量控制器，控制进入套管式 喷枪的热气体流量为2.5mVh，该热气体经过喷枪体，在气体压力的作用下 从套管式喷枪前端设置的喷口套的出口喷出，喷涂距离为80mm、喷涂角度 为95°、喷涂速度为10cm/s，同时，进入送粉管的高分子材料粉末自送粉管 的出口喷出，该粉末与热气体在喷口套内充分混合，高分子材料粉末被塑化， 并通过热气流的动能，将高分子材料喷涂于预热后的工件表面，获得未完全
流平固化的涂层；调节设置于固化支路的气体流量控制器，控制该支路中的 气体流量为1.2mVh，喷向未固化的涂层，对其加热，使之流平交联固化， 得到厚度为l.Omm的涂层。
对该涂层进行检测。采用拉伸法测得其结合强度为7.67MPa采用电火 花法检测其孔隙率，在12KV电压下未发生击穿；采用二氯乙烷浸泡腐蚀72 小时，涂层没有发生鼓泡、翘曲、软化等现象；采用3%的NaCl和Na2S溶 液，在6(TC条件下腐蚀240小时，涂层的腐蚀速率小于0.08mm/a。
实施例3
取高密度聚乙烯粉末，加入高分子材料冷喷涂系统的粉斗内。取X70 管线钢，按常规方法对其表面进行除油、除锈和喷砂粗化处理，然后，用丙 酮清洗；喷砂粗化处理的喷砂角度为60。 80。。开启预热管路中的空气加热 器，控制其电压为220V,对通过该空气加热器的空气进行加热，调节气体 流量控制器，控制喷向处理后的工件表面的气体压力为0.9MPa、气体流量 为L9mVh、气体温度为220"C，使得预热后工件的温度为IO(TC;开启高分 子材料冷喷涂系统中的送粉管路，调节送粉管路中的气体流量控制器，控制 气体流量为2.4m3/h，该气体将由粉斗下部进入管路的高分子材料粉末送进 固接于送粉管路出口的套管式喷枪中的送粉管内，打开喷涂固化管路中的气 体加热器，通过电压控制器控制气体加热器的电压为270V,对通过该气体 加热器的空气进行加热，加热后空气的温度为20(TC，分别进入套管式喷枪 和固化支路，调节与套管式喷枪相连的气体流量控制器，控制进入套管式喷 枪的热气体流量为2.4m3/h，该热气体经过喷枪体，在气体压力的作用下从 套管式喷枪前端设置的喷口套的出口喷出，喷涂距离为65mm、喷涂角度为
90°、喷涂速度为9cm/s，同时，进入送粉管的高分子材料粉末自送粉管的出 口喷出，该粉末与热气体在喷口套内充分混合，高分子材料粉末被塑化，并 通过热气流的动能，将高分子材料喷涂于预热后的工件表面，获得未完全流 平固化的涂层；调节设置于固化支路的气体流量控制器，控制该支路中的气 体流量为l.lm3/h，喷向涂层，对其加热，使之流平交联固化，得到厚度为 0.8mm的涂层。
对该涂层进行检测。采用拉伸法测得其结合强度为10.18MPa;采用电 火花法检测其孔隙率，在12KV电压下未发生击穿；采用二氯乙烷浸泡腐蚀 72小时，涂层没有发生鼓泡、翘曲、软化等现象；采用3%的NaCl和Na2S 溶液，在60'C条件下腐蚀240小时，涂层的腐蚀速率为0.1mm/a
本发明系统采用温度可控的热气流作为热源，将高分子材料粉末与热气 流充分混合，并在热气流中被塑化，通过热气流的动能，将高分子材料喷涂 到基体表面，冷却形成高分子涂层。降低了喷涂加热温度，避免高分子材料 粉末颗粒的氧化、烧损和降解等现象；同时，降低基体预热温度，避免基体 组织结构的变化。
权利要求
1. 一种高分子材料冷喷涂系统，其特征在于，包括并联设置的送粉管路、预热管路和喷涂固化管路，该三条管路分别与气体通入管道相通，所述的送粉管路按气体流动方向依次设置有气体流量控制器A(1)、粉斗(4)和套管式喷枪(6)，所述的预热管路按气体流动方向依次设置有气体流量控制器B(2)和空气加热器A(3)，空气加热器A(3)与电压控制器A(9)相连接，所述的喷涂管路设置有空气加热器B(8)，空气加热器B(8)与电压控制器B(10)相连接，喷涂管路通过空气加热器B(8)后分为两条并联的支路，一条支路通过气体流量控制器D(7)，其末端与套管式喷枪(6)固接，另一条支路设置有气体流量控制器C(5)。
2. 根据权利要求1所述的冷喷涂系统，其特征在于，所述的套管式喷枪 (6)包括环状的喷枪体(6-3)，喷枪体(6-3)的侧壁设置有进气口 (6-8)，喷枪体(6-3)的一端固定有喷口套(6-1)，另一端固接有连接盖(6-5),连 接盖(6-5)固定连接有环形的套管(6-4)，套管(6-4)的一端伸入喷枪体 (6-3)内，并与喷枪体(6-3)的内壁固定连接，套管(6-4)内设置有中空 的送粉管(6-6),送粉管(6-6)通过两块挡板(6-7)与固接于套管(6-4) 的内壁，送粉管(6-6)与两块挡板(6-7)将套管(6-4)的内孔分为互不相 通的两部分。
3. 根据权利要求2所述的冷喷涂系统，其特征在于，所述的送粉管(6-6) 与套管(6-4)同轴。
4. 根据权利要求2或3所述的冷喷涂系统，其特征在于，所述的两块挡 板(6-7)对称于送粉管(6-6)设置。
5. —种利用权利要求1所述的高分子材料冷喷涂系统制备涂层的方法， 其特征在于，按以下步骤进行步骤l:对需喷涂涂层的工件的表面进行处理对需喷涂涂层的工件的表面，按常规方法进行除油、除锈和喷砂粗化处 理，然后，用丙酮清洗；步骤2:在处理后的工件表面喷涂固化涂层采用一高分子材料冷喷涂系统，该系统包括并联设置的送粉管路、预热 管路和喷涂固化管路，该三条管路分别与气体通入管道相通，所述的送粉管 路按气体流动方向依次设置有气体流量控制器A (1)、粉斗(4)和套管式喷枪(6)，套管式喷枪(6)固定于送粉管路的末端，所述的预热管路按气 体流动方向依次设置有气体流量控制器B (2)和空气加热器A (3)，空气 加热器A (3)与电压控制器A (9)相连接，所述的喷涂管路设置有空气加 热器B (8)，空气加热器B (8)与电压控制器B (10)相连接，喷涂管路 通过空气加热器B (8)后分为两条并联的支路， 一条支路通过气体流量控 制器D (7)，其末端与套管式喷枪(6)固接，另一条支路设置有气体流量 控制器C (5)，开启预热管路中的空气加热器，控制其电压为220V，对通过该空气加 热器的空气进行加热，调节气体流量控制器，控制喷向经步骤1处理后的工 件表面的气体压力为0.8MPa 1.0MPa、气体流量为1.8 mVh 2.0mVh、气体 温度为200°C 240°C，使得预热后工件的温度为80°C 120aC;开启送粉管路，调节送粉管路中设置的气体流量控制器，控制气体流量 为2.3m3/h 2.5m3/h，该气体将由粉斗下部进入管路的高分子材料粉末送进 固接于送粉管路出口的套管式喷枪中的送粉管内，打开喷涂固化管路中的气体加热器，通过电压控制器控制气体加热器的电压为260V 280V，对通过该气体加热器的空气进行加热，加热后的空气 的温度为160°C 200°C，分别进入套管式喷枪和固化支路，调节与套管式喷 枪相连的气体流量控制器，控制进入套管式喷枪的热气体流量为2.3m3/h 2.5mVh,该热气体经过喷枪体，在气体压力的作用下从套管式喷枪前端设置 的喷口套的出口喷出，同时，进入送粉管的高分子材料粉末自送粉管的出口 喷出，该粉末与热气体在喷口套内充分混合，高分子材料粉末被塑化，并通 过热气流的动能，将高分子材料喷涂于预热后的工件表面，获得未完全流平 固化的涂层，喷涂过程中采用工艺参数为喷涂距离50mm 80mm、喷涂 角度85° 95°、喷涂速度8cm/s 10cm/s，调节设置于固化支路的气体流量控制器，控制该支路中的气体流量为 1.0m3/h 1.2m3/h，喷向涂层，对涂层加热，使其流平交联固化，得到厚度为 0.6mm 1.0mm的涂层。
全文摘要
本发明公开了一种高分子材料冷喷涂系统及涂层的制备方法，该系统包括并联设置的送粉管路、预热管路和喷涂固化管路，送粉管路设置有气体流量控制器A、粉斗和专为本系统设计制造的套管式喷枪，预热管路设置有气体流量控制器B和空气加热器A，喷涂管路设置有空气加热器B，并分别与气体流量控制器C和套管式喷枪连接，利用该系统将高分子材料粉末在热气流中塑化，并通过热气流的动能，将高分子材料粉末喷涂于经过预处理的工件表面，冷却后形成高分子材料涂层。本发明系统可用于化工容器的防腐和输油输气管道防腐施工现场，降低了喷涂加热温度，避免高分子材料粉末颗粒的氧化、烧损和降解等现象；同时，降低工件预热温度，避免基体组织结构的变化。
文档编号B05D7/24GK101380622SQ20081023177
公开日2009年3月11日 申请日期2008年10月16日 优先权日2008年10月16日
发明者冯拉俊, 史惠辉, 李光照, 雷阿利 申请人:西安理工大学