Коронный разряд для полимерно-порошковых покрытий

ХИМИЯ, ТЕХНОЛОГИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОЛИМЕРОВ

УДК 621

В. А. Гаврилова, Н. Ф. Кашапов КОРОННЫЙ РАЗРЯД ДЛЯ ПОЛИМЕРНО-ПОРОШКОВЫХ ПОКРЫТИЙ

Ключевые слова: коронный разряд, полимерно-порошковые покрытия, процесс нанесения

покрытий, полимеризация.

Исследованы параметры коронного разряда в процессе нанесения полимерно-порошковых покрытий и разработана технология получения полимерно-порошковых покрытий с заданными свойствами.

Keywords: corona discharge, a polymer-powder coating, coating process, polymerization.

Parameters of corona discharge in the process of applying a polymer-powder coatings are investigated and the technology for production of polymer-powder coatings with desired properties is developed.

В настоящее время в мире все большую популярность получают технологии порошкового напыления. Для обоснования целесообразности перехода на порошковую технологию нанесения полимерно-порошковых покрытий отмечают следующие их преимущества по сравнению с традиционными лакокрасочными материалами:

1. возможность получения покрытий, обладающих высокими физикомеханическими, химическими, электроизоляционными, защитно-декоративными свойствами при наличии широкой цветовой гаммы - «металлики» различных цветов, структурированные поверхности (мелкая и крупная структура, «эффект кожи», «антики», «муар»), покрытия различной степени блеска (глянцевые, полу глянцевые, полуматовые, матовые), покрывные и транспарантные лаки различных цветов;

2. процесс формирования покрытия позволяет достигнуть большой толщины при однократном нанесении ППК (возможность варьировать толщину покрытия от 40 до 500 мкм);

3. безопасность условий работы (отсутствие риска возгорания и относительно низкой токсичности ППК) и их хранения;

4. экологическая полноценность: загрязнение окружающей среды практически отсутствует, поскольку при отверждении покрытия в атмосферу переходит менее 1% летучих продуктов. Современная система рекуперации ППК позволяет легко избежать выбросов неиспользованного порошка из окрасочной камеры.

Методы нанесения полимерно-порошковых покрытий на поверхность весьма разнообразны. В основу их классификации могут быть положены разные признаки: конструктивные формы применяемого оборудования; физическое состояние осаждаемого материала (твердые частицы, расплавленные частицы, аэрозоли и т. д.); принцип осаждения (схема) и удержания порошка на твердой поверхности. Классифицировать методы нанесения также можно по природе носителей частиц порошкового материала; по

характеру энергетического воздействия на порошковый полимер, приводящего к формированию покрытия и т. д.

Наибольшее признание получили следующие способы нанесения порошковых материалов на поверхность: в кипящем слое, в ионизированном кипящем слое, газопламенный, струйный, электростатическое распыление, насыпание, в облаке заряженных частиц, плазменный и др.

Зарядка коронным разрядом является наиболее широко используемой технологией зарядки полимерного порошка. Ее популярность обусловлена следующими достоинствами: высокой эффективностью зарядки почти всех порошковых материалов, применяемых в покрытиях; высокой производительностью систем нанесения покрытий; относительно низкой чувствительностью к влажности окружающего воздуха; надежностью оборудования и низкими затратами на техническое обслуживание и ремонт [1].

Полимерно-порошковое покрытие (ППП) - это твердая дисперсная

многокомпонентная система, в состав которой входят пленкообразующие смолы, отвердители, пигменты, наполнители и целевые добавки. Плёнкообразователями для порошковых красок могут служить как олигомеры (например, эпоксидные и полиэфирные смолы), так и различные полимеры - поливинилбутираль, поливинилхлорид, полиакрилаты, полиамиды, полиэтилен, фторопласты, пентапласт, эфиры целлюлозы, полиуретаны

Широким распространением ППП (особенно термоотверждаемые на основе эпоксидных, полиэфирных и полиуретановых полимеров) обязаны прежде всего тому, что они не содержат растворителей и на 99,5% состоят из веществ, которые при отверждении превращаются в тонкослойное, практически непроницаемое для влаги, кислорода, кислот, солей и других химических веществ высокопрочное и твердое абразивостойкое покрытие со сроком службы, превышающим порой срок службы изделия [2].

В зависимости от состава ППП подразделяются на следующие группы [3], представленные в таблице 1.

Нанесение полимерно-порошковых покрытий в электростатическом поле включает в себя 2 этапа: напыление и полимеризацию.

Напыление происходит в специальной камере. Камера для нанесения порошковых полимерных материалов на металлические изделия предназначена для предотвращения разлета и централизованного сбора частиц порошковой краски не осевших на окрашиваемые изделия. Представляет собой стальной шкаф с центральным проемом в передней стенке, куда на специальных оснастках подвешиваются металлические изделия, и происходит напыление за счет прилипания наэлектризованных частиц полимера к изделию. Камера напыления снабжена блоком фильтров, который включает в себя три фильтровальных устройства - фильтровальные рукава и предназначен для улавливания неосевших на изделие частиц полимера.

При электростатическом напылении аэрозоль порошковой краски создается распылительными устройствами. Порошок наносится на холодную деталь. Последующее формирование покрытия проводится нагреванием.

Для зарядки микрочастиц порошка использовался способ придания заряда частицам с помощью униполярного коронного разряда. Толщину слоя, его плотность регулируются параметрами высоковольтного источника.

Процесс напыления покрытия проводился с помощью пистолета-распылителя - агрегата для нанесения полимерно-порошковой краски, обеспечивающий получение смеси пороша с воздухом, образование факела и придания частицам порошка электрического заряда [4].

Наименование

покрытий

Общая химическая формула

Физико-

механические

свойства

Применение

2

3

4

5

Эпоксидные

Полиэфирные

Эпокси-

полиэфирные

Полиурета-

новые

/°х

✓с-сч

[(0)СРС(0)-0Р'0—]п и [-РС(0)-0-]п,

где К и К двухвалентные орградикалы

В состав входят эпокси- и полиэфирные плёнкообразователи, реагирующие друг с другом при отверждении.

[3/4Д3/40С0НМ3/4Д' -МНС003/4]п,

где А — углеводородный остаток, А' — остаток диизоцианата).

Высокая химическая стойкость, эластичность, ударная прочность, влагостойкость

Атмосферостойкие, очень высокими механические свойства

По сравнению с эпоксидными красками эпокси-полиэфирные обладают более высокой стойкостью к пожелтению

Особый декоративный эффект - текстура жатого шелка.

Для объектов, используемых внутри и вне помещения

Для объектов,

используемых вне помещения

В декоративных целях

Для защиты изделий, подвергающихся трению, абразивному износу

Термопластичные порошковые краски

Поливинилбутира ль

Поливинилхлорид

[—СН2—СН Бензостойкие и

(ОСОСН3)—] п абразивостойкие,

выдерживают

воздействие водных и

солевых сред при

комнатной

температуре

(-СН2-СНС!-)п Устойчивые к

действиям моющих

средств,

атмосферостойкие

Для окраски объектов внутри помещения.

Для окраски объектов внутри помещения и для внешних

объектов

2 3 4 5

Полиамид Полиэлифинового типа (-Р-МНС0-)п СН2 = СН2 Адгезия недостаточно высока и нестабильна. По устойчивости к превосходят все другие виды покрытия, имеют привлекательный внешний вид, высокую твердость и прочность, устойчивы к истиранию, к воздействию растворителей. Повышенная адгезионная прочность, склонность к растрескиванию, атмосферостойкость не очень высока Для внутренних и наружных работ Для защиты поверхностей

К электродам распылителя подается высокое напряжение, и между распылителем и заземленной деталью создается сильное электрическое поле. Частицы порошка, попадая в область коронного разряда, приобретают заряд. Напряженность электрического поля достигает максимального значения у конца зарядного электрода, и при достижении некоторого уровня здесь происходит коронный разряд. Если электрическое поле за пределами области коронного разряда имеет достаточную напряженность, то ионы, в свою очередь будут присоединяться к частицам порошка по мере его распыления. В результате между распылителем и деталью создается поток заряженных частиц порошка и свободных ионов под воздействием подачи воздуха [5].

Дисперсный состав полимерного порошка важен для анализа эффективности зарядки и осаждения краски на деталь.

Проследим, как меняются основные распределения величин в промежутке распылитель - образец в зависимости от размеров частиц полимерного порошка. Исследовались частицы с размерами 10 мкм, 20 мкм, 40 мкм.

Все эти частицы принадлежат к диапазону стоксовского приближения, полностью увлекаются несущим воздушным потоком, поэтому различия в характеристиках процесса в зависимости от размера, являются по существу отражением различия в электрической подвижности частиц.

В = д/блц ,

где Вд - электрическая подвижность частиц; q - удельный заряд полимерно-порошкового материала; ц - вязкость воздуха.

В начальной зоне течения, за рассекателем, плотности объемного заряда достаточно близки для всех размеров частиц, однако в основной части промежутка различие в подвижностях начинает сказываться на характере изменения величин плотности объемного заряда. Интенсивное электростатическое рассеяние крупных частиц, обладающих наибольшей подвижностью, приводит к более низким значениям плотности объемного заряда на оси промежутка по сравнению с частицами меньшего размера. То же явление определяет и более равномерное продольное распределение напряженности поля по промежутку для крупных частиц. Для мелких же частиц изменения напряженности поля вдоль промежутка очень существенны - от -9 кВ/см у рассекателя до 5 кВ/см у плоскости осаждения. Сильное влияние крупности частиц обнаруживается и в радиальном направлении.

4 8 12 16 20 см

Рис. 1 - Влияние размера частиц на распределение плотности объемного заряда (а) и напряженности поля (б) по оси промежутка «распылитель - образец»: 1 - размер частиц - 10 мкм; qo = 1 мКл/кг; 2 - размер частиц - 20 мкм; qo = 1мКл/кг; 3 - размер частиц - 40 мкм; qo = 1 мКл/кг; 1’ - размер частиц - 10 мкм; qo = 2мКл/кг; 3’ - размер частиц - 40 мкм; qo = 2 мКл/кг

Формально эти расчеты выполнялись при одних и тех же величинах входных параметров и, в частности, при постоянном значении удельного заряда. Для разных размеров частиц зарядка их в зарядном устройстве пистолета-распылителя происходит в разных электрических условиях (при Езар Ф const). Нас интересует сопоставление режимов при одних и тех же условиях зарядки, когда, как известно, заряд частиц пропорционален их среднему размеру. Одинаковые условия зарядки приведут к дифференциации удельного заряда от размеров частиц полимерного порошка. Например, для мелких частиц размером 10 мкм составит 2*10"3 Кл/кг, а для крупных частиц размером 40 мкм - 0,5*10"3 Кл/кг. Результаты расчетов режимов напыления при единых условиях зарядки для мелких и крупных частиц полимерного порошка обозначены на графиках пунктиром. Качественно эти кривые (1’ и 3’) повторяют соответствующие зависимости в условиях постоянства удельного заряда, однако отличия от базового режима проявляются рельефнее [6].

Был проведен эксперимент по нанесению различных ППК на металлические подложки при различных давлениях (0,2 кПа, 0,4 кПа) и расстояниях между иглой пистолета-распылителя и образцами (10 см, 15 см, 20 см, 25 см, 30 см).

Возникает проблема, связанная с осаждением частиц порошка на образец. При напылении ППП в центре детали возникает сгусток, образованный частицами порошка, который в последствие приводит к неравномерному по толщине слою.

Рис. 2 - Внешний вид полученных покрытий: а) ППП наносилось при расстоянии 10 см от иглы пистолета-распылителя до образца; б) ППП наносилось при расстоянии 20 см от иглы пистолета-распылителя до образца

Выбраны оптимальные условия работы пистолета-распылителя при различных расстояниях от иглы пистолета-распылителя до опытного образца для Результаты представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Оптимальные рабочие условия пистолета-распылителя при различных расстояниях от иглы пистолета-распылителя до опытного образца

№ образца Расстояние от иглы до образца, мм Давление подаваемого воздуха, кг*с/см2 Напряжение на конце иглы пистолета-распылителя, кВ Время нанесения покрытия, с

1 100 0,2 70 5

2 150 0,4 60 5

3 200 0,4 70 5

4 250 0,6 60 5

5 300 0,8 60 5

После нанесения изделие со слоем порошковой краски направляют на стадию формирования покрытия, включающую процессы оплавления слоя порошковой краски с получением пленки, ее отверждения и заключительного охлаждения.

Проведение этой операции связано с процессами сплавления частиц, растекания расплава и химического отверждения (в случае термореактивных красок). Выбраны условия формирования ППП. Результаты представлены в таблице 3.

Наименование ППК Температура отверждения, °С Время отверждения, мин

Эпоксидные 140 - 170 15

Полиэфирные 150 - 200 10 - 15

Эпокси-полиэфирные 160 - 200 5 - 20

Полиуретановые 150 - 180 10 -15

Термопластичные порошковые краски 180 - 200 15

Особенно важно соблюдение режима отверждения термореактивных красок, поскольку любое отклонение от него неблагоприятно сказывается на свойствах получаемых покрытий. Недоотверждение (недогрев), в первую очередь, влияет на механические свойства (покрытия хрупко разрушаются при ударе и изгибе), переотверждение (перегрев) - на цвет и блеск покрытий.

Процесс оплавления проходит в несколько стадий: сначала порошок проходит вязко-текучее состояние; затем проходит сплавление частиц порошка с образованием монолитного слоя; одновременно со сплавлением происходит смачивание покрываемой поверхности и растекание расплава полимера; на конечной стадии происходит удаление из расплавов газовых включений, то есть воздуха, находившегося в порах и между частицами порошка в слое, и газов, образующихся при деструкции полимера [7].

чни|> анилин расп—т

при чкпцщмм ирнивим

Рис. 3 - Процесс формирования полимерно-порошкового покрытия

Для оплавления, образования пленки и отверждения покрытия использовалась сушильная камера. Она представляет собой стальной шкаф, где за счет высоких температур происходит нагрев изделий, сплавление полимерных частиц и окончательное формирование покрытия [8].

Объем аппарата — 6,5 м3;

Температура - 250°С;

Теплоизоляция - минеральная вата.

Полимерно-порошковые покрытия отверждались при температуре 180°С в течение 15 минут.

Покрытия характеризуют по внешнему виду поверхности, физико-механическим свойствам и устойчивости к воздействию окружающей среды. Состояние поверхности, блеск и цвет являются важными характеристиками покрытий и могут быть оценены посредством визуального осмотра и сравнения с эталоном.

Был проведен эксперимент по нанесению полимерно-порошковых покрытий на металлическую подложку [9, 10]. Были взяты три образца: один из них мы покрыли тефлоном марки сталафлон ФС-4В; второй - полиэфирной краской PD510226 RAL 6029 («BECKER» Польша); третий - эпокси-полиэфирной краской EP110022G RAL 9016 («BECKER» Польша).

Проводились испытания физико-механических свойств покрытия, результаты которых представлены в таблице 4.

Таблица 4 - Физико-механические свойства покрытия и методы его испытания

Показатель Образец с тефлоновым покрытием Образец, покрытый полиэфир ной краской PD510226 Образец, покрытый эпокси- полиэфирной краской EP110022G Испытательное оборудование

Прочность при ударе, см 50 50 50 Прибор У 1-А

Гибкость, мм 4,1 3,4 4,8 Пресс Эриксена

Блеск, % 6 56 44 Фотоэлектрический блескомер ФБ-2

Твердость 0,81 0,52 0,80 Маятниковый прибор ТМЛ

Толщина пленки, мкм 70 126 137 Прибор для измерения толщины МТ-41НЦ ГОСТ 4381-87

Износостойкость (ГОСТ 2081175) гр. 0,68 0,59 0,63 Устройство для определения прочности покрытия к истиранию шлифовальной шкуркой типа УИЛ-2 по ТУ 6-2310-89

Время нанесения покрытия 5 5 5 Секундомер

Выводы

1. Движение заряженных частиц: движение, их взаимодействие между собой зависит от параметров коронного разряда (давления, напряжения), размеров и концентрации частиц в процессе нанесения ППП. Исследование процесса нанесения полимерно-порошковых материалов электростатическим способом позволило выявить оптимальные рабочие условия пистолета-распылителя при различных расстояниях от иглы пистолета-распылителя до опытного образца.

2. Были выбраны оптимальные условия формирования различных ППП в сушильной камере.

3. Подбор оптимальных рабочих характеристик коронного разряда, оптимизация процесса формирования покрытий позволит получать полимерно-порошковые покрытия с заданными свойствами.

Литература

1. Яковлев, А. Д. Порошковые краски и покрытия / А. Д. Яковлев. - Л.: Химия, 1987. - 216 с.

2. Музыкантов, В. Н. Нанесение полимерных порошковых композиций на металлические и неметаллические изделия/ В. Н. Музыкантов// Лакокрасочные материалы и их применение. -2006. - № 4. - С. 38-41.

3. Глинка, Н. П. Общая химия / Н. П. Глинка. - М.: «Интеграл-Пресс», 2008. - 728 с.

4. Пат. 2146563 Российская Федерация МПК7 Б05Б5/025, Б05Б5/047. Устройство для нанесения покрытий из дисперсных материалов / В.А.Алексеев [и др.]; заявитель и патентообладатель Татарский республиканский центр новых технологий «НУР». - 98111463/12; заявл. 15.06.1998; опубл. 20.03.2000, Бюл. №8 БИМПМ. - 5 с.

5. Рейбман, А. И. Защитные лакокрасочные покрытия / А. И. Рейбман. - Л.: Химия, 1982. - 320 с.

6. Артамонов, А. Ф. Роль дисперсного состава порошковых ЛКМ в процессе окраски /

A.Ф. Артамонов, А. В. Панюшкин // Лакокрасочные материалы и их применение. - 2009. - № 8. -С. 40-44.

7. Гаврилова, В. А. Оборудование для нанесения полимерно-порошковых покрытий/

B.А. Гаврилова, Н. Ф. Кашапов // Научная сессия (2-5 февраля 2010 года). - Казань: Изд-во Казан. госуд. технол. ун-та, 2010. - С. -132.

8. Вольберг, В.В. Устройство и эксплуатация окрасочно-сушильных агрегатов в машиностроении / В. В. Вольберг. - М.: Высшая школа, 1986. - 246 с.

9. Гаврилов, В.А. Коронный разряд в процессах нанесения покрытий/ В. А. Гаврилова, Н.Ф. Кашапов // Научная сессия (4-8 февраля 2008 года). - Казань: Изд-во Казан. госуд. технол. ун-та, 2008. - С. - 274.

10. Гаврилова, В.А. Нанесение полимерно-порошковых покрытий коронным разрядом / В.А. Гаврилова // Научная сессия (2-5 февраля 2010 года). - Казань: Изд-во Казан. госуд. технол. ун-та, 2010. - С. - 255.

© В. А. Гаврилова - асп. каф. технологического оборудования медицинской и легкой промышленности КГТУ, vika1985@list.ru; Н. Ф. Кашапов - д-р техн. наук, проф., зав. каф. технологического оборудования медицинской и легкой промышленности КГТУ, kashnail@mail.ru.