Orientation control of flake pigments in metallic paint during liquid electrostatic rotary cup spraying: a coupling method of rotation speed, electric field, and solvent evaporation.

AuthorBOSTAR Technical Content CenterTechnical ReviewBOSTAR Spray Application Engineering GroupPublishedJuly 12, 2026UpdatedJuly 12, 2026

Scope: General electrostatic spraying adjustment logic. This does not replace equipment-specific manuals.

The final arrangement of sheet pigments such as aluminum powder and pearlescent mica in metal glitter paint cannot be obtained by increasing the rotation speed of the rotating cup, electrostatic voltage or "accelerating volatilization" alone.A more robust control logic is:

Establish a suitable atomization window with the rotating cup speed: the droplets are uniform and refined enough, but cannot be excessively dissolved, viscous or dry sprayed before reaching the workpiece.

Create a uniform deposition window with a stable but not too strong electric field: the focus is on controlling the trajectory, coating, and film thickness distribution, rather than understanding the electric field as a separate knob that directly “lays” the sheet pigment.

Establish a directional locking window with mixed solvents and flash drying conditions: the wet film should retain sufficient flow time so that the sheet pigment tends to be parallel to the substrate; then it should be adhered and locked in time to avoid continued drift, settlement or flow.

Therefore, what really needs to be optimized is the continuous process of “atomization — deposition - wet film flow — flash dry locking”, rather than three isolated parameters.

本文讨论通用工艺机理,不对应博士达 / BOSTAR 某一具体旋杯型号,也不提供固定转速、电压、电流、流量或溶剂配比。具体设定必须以涂料供应商技术资料、设备说明书、样板试喷和现场安全条件为准。

直接结论

金属闪光漆中铝粉、珠光云母等片状颜料的最终排列,不能靠单独提高旋杯转速、静电电压或“加快挥发”来获得。更稳妥的控制逻辑是:

  1. 用旋杯转速建立合适的雾化窗口:液滴足够均匀、细化,但不能在到达工件前过度失溶、变黏或形成干喷。

  2. 用稳定而不过强的电场建立均匀沉积窗口:重点是控制轨迹、包覆和膜厚分布,而不是把电场理解为直接让片状颜料“躺平”的独立旋钮。

  3. 用混合溶剂与闪干条件建立定向锁定窗口:湿膜要保留足够的流动时间,使片状颜料趋于与基材平行;随后又要及时增黏并锁定,避免继续漂移、沉降或流挂。

因此,真正需要优化的是“雾化—沉积—湿膜流动—闪干锁定”的连续过程,而不是三个孤立参数。

一、先理解片状颜料为什么会产生明暗、随角异色和云斑

铝粉和云母类效果颜料具有明显的片状几何形态。观察角度变化时,片状颜料对入射光的反射、散射和透射关系随之变化,从而形成金属亮度、闪烁感、正侧面色差和随角异色效果。

理想状态下,大部分片状颜料应在漆膜中形成相对一致、接近基材平面的排列。若排列角度离散、局部聚集或不同区域锁定时间不一致,常见结果包括:

  • 正面亮度和侧面颜色不稳定;

  • 局部发花、云斑、阴阳面或条纹;

  • 边缘与大平面的金属感不同;

  • 闪烁颗粒粗细不一致;

  • 同一配方在不同班次、不同工件位置重复性差。

需要特别注意:铝粉、天然或合成云母、表面包覆珠光颜料的导电性、密度、粒径、厚径比和表面处理并不相同。 不应把“金属颜料”视为同一种材料,更不能仅凭颜料名称推定其适用电场或溶剂窗口。

二、旋杯转速:先控制液滴状态,再谈片状颜料排列

旋杯转速主要影响涂料在杯缘形成液膜、破碎成液丝和液滴的过程。它对片状颜料定向的影响,大多通过液滴粒径、液滴速度、单位表面积、飞行失溶量和落膜均匀性间接实现。

1. 转速偏低时的典型风险

转速偏低并不等于一定缺陷,但当液滴明显偏粗且分布不均时,可能出现:

  • 单个液滴携带的湿漆量较大,撞击后产生局部流动和膜厚波动;

  • 局部溶剂释放慢,片状颜料在湿膜内继续迁移;

  • 大液滴与小液滴混合沉积,导致不同区域的流平时间和锁定速度不一致;

  • 颗粒感偏粗,云斑或橘皮与金属排列问题相互叠加。

此时即使提高静电,也可能只是提高沉积量,并不能修复液滴分布本身。

2. 转速处于合适窗口时

较理想的状态不是“越细越好”,而是:

  • 液滴谱相对稳定;

  • 到达工件时仍保有足够湿润性;

  • 湿膜厚度均匀,能发生有限而可控的流平;

  • 片状颜料有机会在湿膜剪切、界面作用和膜收缩过程中趋于平行排列;

  • 不因过度失溶而在落膜瞬间被随机冻结。

3. 转速过高时的典型风险

当转速继续提高,液滴变细、单位体积表面积增大,飞行过程中的溶剂损失往往会增加。如果涂料流量、整形空气、喷距和环境风速没有同步匹配,可能出现:

  • 液滴到达工件前已明显增黏,湿膜流动性不足;

  • 表面快速增黏,片状颜料尚未充分转为平行取向就被锁定;

  • 干喷、粗糙、失光或金属亮度下降;

  • 小液滴更易受气流和电场分布影响,边缘或复杂曲面出现沉积差异;

  • 以为“雾化更细”,实际却牺牲了流平和定向窗口。

判断转速是否合适,不能只看雾化外观。 必须同时观察湿膜状态、膜厚分布、金属正侧面效果、云斑、光泽及重复性。

三、电场强度:主要控制沉积均匀性,不是单独的“颜料定向力”

在液体静电旋杯喷涂中,电场首先改变的是带电液滴的运动轨迹、转移效率、包覆趋势和不同几何位置的沉积量。对于片状颜料,最终取向仍高度依赖液滴落膜后湿膜是否具有合适的流动与增黏过程。

因此,电场对定向排列的关键作用通常是间接控制

  • 沉积越均匀,湿膜厚度和挥发路径越一致,片状颜料越容易形成一致取向;

  • 局部膜厚越大,流动和挥发时间越长,颜料可能继续迁移;

  • 边缘、尖角或局部强场区域若沉积过多,容易形成颜色和金属感差异;

  • 电场波动、工件接地不稳定或涂料电学状态变化,会把“定向问题”表现为区域性外观波动。

电场偏弱时

可能出现转移效率不足、包覆不足、局部膜厚偏薄或沉积不连续。此时金属效果不稳定,未必是片状颜料本身无法定向,而可能是湿膜根本没有建立到可比较的厚度和连续性。

电场过强或局部场强过高时

可能出现边缘堆积、复杂几何位置膜厚失衡、电流波动或喷涂窗口变窄。对于金属闪光漆,过强电场并不必然提高金属感,反而可能通过改变局部沉积量和液滴落点分布,放大云斑、阴阳面或边缘色差。

正确的电场目标

电场设定应服务于三个目标:

  1. 沉积稳定;

  2. 膜厚分布均匀;

  3. 在满足包覆和效率的前提下,避免局部过量沉积。

对铝粉或云母片的“直接电场定向效应”不应脱离颜料导电性、表面包覆、涂料电阻率、溶剂体系和设备结构单独下结论。上述信息未提供时,工程上应把电场视为沉积控制变量,而不是直接设定颜料角度的参数。

四、溶剂挥发速率:决定片状颜料有多长时间完成排列,以及何时被锁定

溶剂挥发过程决定湿膜黏度上升速度。对片状颜料而言,存在一个关键的“开放—锁定”窗口:

  • 前段要有足够开放时间,让液滴融合、湿膜流平、片状颜料趋于与基材平行;

  • 后段要及时增黏,使已经形成的排列被固定,避免继续漂移、沉降、对流或流挂。

挥发过快

可能导致:

  • 液滴飞行阶段失溶过多;

  • 落膜后表面迅速增黏或形成早期表层;

  • 片状颜料来不及完成平面化排列;

  • 干喷、失光、粗糙、金属亮度下降;

  • 不同喷幅重叠区因二次溶解和锁定时机不同而产生条纹或云斑。

挥发过慢

可能导致:

  • 湿膜长时间流动,片状颜料继续迁移;

  • 膜厚差异被放大,立面或边缘出现流挂风险;

  • 局部对流、溶剂梯度或后续气流扰动改变已形成的排列;

  • 闪干不足时进入后续工序,造成外观和重现性问题。

不能只用“快干/慢干”描述溶剂

实际控制应关注整个溶剂组合的挥发梯度,而非只替换一种所谓快溶剂或慢溶剂。还应同时记录:

  • 涂料施工黏度及其随时间变化;

  • 涂料温度;

  • 喷房温湿度;

  • 工件温度;

  • 喷距和飞行时间;

  • 区域风速与闪干风;

  • 单道膜厚、总膜厚和道间闪干时间。

五、三变量的耦合关系:不是三个旋钮,而是三个连续窗口

控制阶段

主要变量

目标状态

偏离后的常见表现

雾化窗口

旋杯转速,同时固定流量、整形空气、喷距

液滴均匀且到达工件时仍有湿润性

偏低可能液滴粗、膜厚波动;偏高可能过度失溶、干喷和定向不足

沉积窗口

电压/电流限制、接地、工件几何

转移稳定、膜厚均匀、边缘不过量

偏弱可能覆盖不足;偏强或局部强场可能边缘堆积、云斑和色差

定向锁定窗口

溶剂组合、涂料温度、喷房环境、闪干

先允许有限流平,再及时增黏锁定

过快随机冻结;过慢继续迁移、流挂或排列被扰动

典型耦合错误包括:

  • 转速提高 + 快挥发体系 + 高风速:三个因素同时推动失溶,极易把液滴变细误判为定向改善;

  • 转速偏低 + 厚膜 + 慢挥发体系:湿膜流动时间过长,局部排列和膜厚更加不稳定;

  • 高电场 + 膜厚偏高 + 闪干不足:边缘或强场位置的颜色差异被放大;

  • 只调电压,不核接地与涂料电学状态:电场表面数值相同,但实际沉积可能已发生变化。

六、推荐的调试顺序

第一步:先冻结不能随意变化的条件

在比较转速、电场和溶剂前,至少固定或记录:

  • 涂料批次、颜料类型和配方;

  • 稀释比例、施工黏度、涂料温度;

  • 涂料流量;

  • 整形空气;

  • 旋杯到工件距离和喷涂姿态;

  • 机器人或往复机速度、喷幅重叠率;

  • 工件材质、几何、接地状态和底材颜色;

  • 喷房温湿度、区域风速和闪干时间;

  • 目标干膜厚度。

这些变量没有冻结时,不能把外观变化归因于转速、电场或挥发速率。

第二步:用中性电场建立基础膜厚

先在设备说明书允许范围内采用稳定、不过度追求包覆的电场条件,确认出漆、雾化、电流、接地和膜厚重复性。若基础膜厚不稳定,先处理设备、供漆、接地或轨迹问题。

第三步:扫描旋杯转速,寻找“细化但不干”的窗口

保持流量、整形空气、喷距和轨迹不变,从保守区间逐步改变转速。每个条件至少比较:

  • 湿膜连续性;

  • 表面粗糙或干喷倾向;

  • 膜厚均匀性;

  • 金属正面亮度和侧面效果;

  • 云斑、条纹和喷幅重叠区;

  • 重复样板之间的离散性。

目标不是选最高转速,而是选外观与重复性共同稳定的区间。

第四步:在已确定的雾化窗口内调整电场

保持转速和涂料状态不变,逐级调整电场,并同步记录电压、电流、转移状态、边缘膜厚及复杂位置颜色。找到满足覆盖效率但不过度放大几何差异的区间。

第五步:最后优化挥发梯度与闪干

在雾化和沉积已稳定后,再通过供应商允许的稀释体系、涂料温度、喷房环境和闪干条件,调整湿膜开放时间。此阶段的判断重点是:

  • 是否有足够流平;

  • 片状颜料是否形成一致的正侧面效果;

  • 是否发生流挂、回溶、云斑或条纹;

  • 不同喷涂间隔和不同工件温度下是否仍可重复。

第六步:做交叉验证,而不是只看一块“最好样板”

最终条件至少应跨多个工件、多个时间点和多个重复样板验证。若最优外观只在单块样板出现,而参数轻微波动就失效,说明窗口过窄,不适合作为量产设定。

七、建议采用的小型 DOE 试验设计

可采用三因素、三水平的筛选思路,但不应直接套用他人转速或电压数值。水平应根据本机说明书、涂料供应商资料和预试喷确定。

因素

  • A:旋杯转速——低、中、高三个安全水平;

  • B:电场——低、中、高三个稳定水平,可同时记录电流限制;

  • C:挥发窗口——偏快、中等、偏慢三种经供应商确认的施工状态。

必须固定的干扰变量

流量、整形空气、喷距、喷涂速度、重叠率、底材、目标膜厚、喷房环境、闪干时间及测量时点。

建议响应指标

  1. 多角度颜色或亮度数据,以客户或企业既定测量程序为准;

  2. 目视云斑、条纹、阴阳面和喷幅重叠痕迹;

  3. 光泽、表面粗糙、橘皮或 DOI 等外观指标;

  4. 膜厚平均值及不同位置离散度;

  5. 流挂、干喷、针孔等伴生缺陷;

  6. 重复样板之间的稳定性;

  7. 电流、转速、流量和环境参数的过程波动。

判定原则

不要只优化单一“最亮”指标。量产窗口应同时满足:

  • 金属效果符合目标;

  • 膜厚均匀;

  • 缺陷可控;

  • 参数波动后仍可重复;

  • 设备和涂料均处于允许范围。

八、常见外观问题与优先排查方向

现象

可能机理

优先验证

金属颗粒显粗、局部发花

液滴谱偏粗或膜厚波动,湿膜流动不一致

先核流量、转速、整形空气、喷距和轨迹,不先提高电压

表面干、亮度不足、闪烁感弱

飞行失溶或表面增黏过快,片状颜料提前锁定

核转速是否过高、喷距/风速、涂料温度及溶剂梯度

边缘比平面更亮或更暗

局部强场导致沉积和膜厚差异

核接地、几何位置、电场、电流及轨迹覆盖

云斑或阴阳面随班次变化

环境、黏度、涂料温度或闪干条件漂移

建立环境与涂料状态记录,比较同一参数下的过程波动

立面流挂或金属排列下坠

湿膜过厚或锁定过慢

核膜厚、慢挥发比例、工件温度和闪干风

重叠区出现条纹

前后喷幅的湿润、回溶和锁定时机不同

核重叠率、轨迹节拍、转速、喷距及挥发窗口

九、安全与边界

金属闪光漆常涉及易燃溶剂、静电高压、旋转部件和喷房通风。任何试验均应在设备说明书、涂料 SDS、现场防爆与接地制度允许的条件下进行。出现异常放电、电流突变、接地无法确认、旋杯振动或涂料与设备兼容性不明时,应停止试喷并由合格人员检查。

本文不替代设备说明书、涂料供应商工艺文件、现场安全评估或量产批准程序。

FAQ

1. 提高旋杯转速一定能让铝粉排列更平吗?

不一定。转速提高可改变液滴细化程度,但若导致飞行失溶过多或湿膜过早增黏,片状颜料反而可能在随机角度被锁定。应以液滴稳定、落膜仍湿润、膜厚均匀和外观重复性为共同判据。

2. 电压越高,金属感越强吗?

没有这种普遍关系。电场主要影响液滴轨迹、转移和膜厚分布。过强或局部不均的电场可能放大边缘堆积和区域色差。金属感仍取决于雾化、湿膜流动、颜料类型和闪干锁定。

3. 快干溶剂能防止铝粉下沉,所以应该尽量加快挥发吗?

不能这样处理。挥发过快会缩短流平和定向时间,导致干喷、失光或片状颜料提前冻结;挥发过慢又可能引起迁移、流挂或排列扰动。需要的是受控的挥发梯度。

4. 铝粉和云母片可以使用同一套静电参数吗?

不能默认相同。两者的导电性、密度、粒径、表面包覆和配方体系可能不同,应分别依据涂料供应商资料和样板试验建立窗口。

5. 调试时最容易犯的错误是什么?

最常见的是同时改变转速、电场、流量、整形空气和稀释比例,最后无法判断哪一个变量真正改善或恶化了外观。应一次只改变一个主变量,并记录膜厚、环境和多角度外观结果。

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