Применение низкотемпературной плазмы для нанесения полимерно-порошковых покрытий

УДК 678

Р. Ф. Гатиятуллина, А. Н. Бадрутдинова

ПРИМЕНЕНИЕ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ПОЛИМЕРНО-ПОРОШКОВЫХ ПОКРЫТИЙ

Ключевые слова: полимерно-порошковое покрытие, коронный разряд, методы нанесения покрытий.

В статье рассмотрены сферы применения низкотемпературной плазмы для нанесения полимерно-порошковых покрытий, описаны ее преимущества перед остальными методами нанесения покрытий.

Keywords: powder coating, corona discharge, coating methods.

The article discusses the scope of the low temperature plasma for applying powder coating, described its advantages over other coating methods.

Низкотемпературная плазма в настоящее время широко используется для решения не только разнообразных научных, но и конкретных производственных задач. Наиболее привлекательные аспекты ее применения связаны с тем, что по сравнению с традиционными химико-технологическими процессами плазменные процессы не требуют использования каких-либо жидких растворов (то есть потенциально являются экологически чистыми), а также существенно менее энергоемкие [1].

Становление и развитие научной школы в области физикохимии и технологии плазменных процессов в металлургии и обработке материалов происходило под воздействием фундаментальных идей академика Н.Н. Рыкалина. Им была создана теория тепловых процессов при сварке [2].

Монография Ю.В. Цветкова «Низкотемпературная плазма в процессах восстановления», заложила основы ключевых направлений и основных принципов методологии изучения плазменных процессов [3].

Низкотемпературная плазма позволяет формировать функциональные покрытия с заданными оптическими и эксплуатационными характеристиками. Экспериментально и теоретически была исследована низкотемпературная плазма ВЧИ разряда и аномального тлеющего разряда в скрещенных электрическом и магнитном полях при нанесении покрытий; экспериментально исследованы их свойства в зависимости от вида и параметров разряда; что позволило получить оптические покрытия с заданными свойствами [4].

Было выявлено, что плазменное воздействие в процессе получения пленок позволяет наносить тонкопленочные покрытия толщиной до 50 мкм, с повышенными физико-механическими и физико-химическими свойствами (плотностью близкой к плотности объемного материала, адгезионной прочностью не менее 108 - 109 Па, с характерным для диффузионных покрытий переходным слоем в основе материала, улучшенной структурой поверхности [5].

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 с использованием зарядки коронным разрядом;

- относительно - низкой чувствительностью к влажности окружающего воздуха;

- надежностью оборудования и низкими затратами на техническое обслуживание и ремонт.

Обычные системы зарядки коронным разрядом имеют также свои недостатки, которые обусловлены сильным электрическим полем между распылителем и деталью. В некоторых случаях применения это сильное поле может затруднить нанесение покрытия в углах и в местах глубоких выемок. Кроме того, неправильный выбор электростатических параметров распылителя и расстояния от распылителя до детали может вызвать обратную ионизацию и ухудшить качество покрытия [6].

Тот факт, что почти все порошковые материалы могут эффективно заряжаться в поле коронного разряда, делает системы зарядки коронным разрядом предпочтительными для использования. Кроме того, высокая эффективность зарядки и гибкость этого метода могут повысить производительность высокоскоростных производственных линий.

Большое внимание уделяется разностороннему экспериментальному исследованию особенностей положительного и отрицательного коронного разряда и сопутствующих ему процессов. Опубликованы результаты по исследованию зависимости форм коронного разряда и токовых характеристик от напряжения и полярности электродов [7]. Приводятся результаты численного моделирования коронного разряда с учетом кинетических процессов для электронов, результаты сопоставлены с экспериментом.

Физико-математическое описание и математическое моделирование процесса нанесения полимерных порошков в электростатическом поле является сложнейшей проблемой. В диссертационном исследовании Белавиной Р.В. «Моделирование движения воздушно-порошковой смеси в поле коронного разряда при нанесении полимерных покрытий распылителями с внешней зарядкой» проводится

математическое моделирование процесса нанесения полимерных порошковых покрытий в электрическом поле коронного разряда распылителями с внешней зарядкой частиц порошка. Разработаны математические модели течения воздушно-порошковой смеси в канале ствола распылителя, в пространстве между коронирующим электродом и окрашиваемой поверхностью. Рассмотрены вопросы осаждения порошка на покрываемой поверхности. Проведены экспериментальные исследования процесса [8]. Однако предположение, что в процессе нанесения покрытия нет взаимодействия между частицами порошка, и каждая частица движется отдельно, является неверным и говорит о необходимости включения в систему решаемых уравнений уравнения, описывающие взаимодействия между частицами порошка, а также их взаимодействие с плазмой.

Вопросу оптимизации рабочих параметров генератора коронного разряда в процессе нанесения полимерно-порошковых покрытий посвящено множество работ [9].

Основным параметром напыления порошковых полимерных покрытий в электрическом поле с помощью пистолетов - распылителей, влияющим на все характеристики процесса и характеризующим работу распылителей, является удельный заряд порошка, т. е. суммарный заряд частиц, отнесенный к их массе.

Характер движения дисперсной фазы зависит от размера частиц. С практической точки зрения дисперсный состав важен для анализа эффективности зарядки и осаждения краски на деталь, нагрузки на рекуперационную систему. С теоретической точки зрения следует знать влияние дисперсного состава на процессы переноса и осаждения частиц; существует ли оптимальный размер частиц порошка, обеспечивающий высокую производительность процесса [10].

В работе [11] рассматривается роль потока сжатого воздуха в процессе осаждения полимерного порошкового материала на изделие. Рассчитываются аэродинамическая Ба и электрическая Бэ силы, действующие на частицы порошка в межэлектродном промежутке. Расчеты проводились при напряжении и = 5104 В, скорости потока сжатого воздуха VI = 2 м/с, размере частиц d = 30 мкм, межэлектродном расстоянии Н = 250 мм.

В результате расчетов получены Ба = 14*109 Н, Бэ = 14*10-10 Н.

Сделан вывод о том, что аэродинамическая сила является определяющей в перенесении частиц порошка к изделию.

По формуле Стокса оценивается минимальный (критический) диаметр частиц, которые могут соприкоснуться с поверхностью.

В результате получается, что вероятность уноса потоком воздуха частиц диаметром менее 10 мкм велика. Эксперимент подтверждает предположения.

Сделан вывод о том, что влияние скорости потока сжатого воздуха при нанесении порошка распылителем проявляется в уносе за пределы ок-

рашиваемой поверхности мелкой фракции заряженных частиц.

Полученные результаты зондовых измерений потенциала поля коронного разряда способствуют построению физической модели газоразрядных процессов [9].

Наиболее полно процесс движения воздушно-порошковой смеси в поле кронного разряда описан в работах Верещагина И.П. Приведены основы теории электростатического поля, записаны основные уравнения и рассмотрены простейшие примеры полей: плоского и коаксиального конденсаторов; системы электродов игла - плоскость; описаны свойства поля коронного разряда с детализацией для указанных выше случаев. Подробно рассмотрен процесс зарядки диэлектрических частиц в поле коронного разряда, проанализированы различные механизмы зарядки (индукционный, ионный), влияние на заряд несферичности частиц и др. Рассмотрена динамика частиц в межэлектродном промежутке. Выписаны выражения для основных сил, действующих на уединенную частицу. Записаны уравнения движения частицы с учетом анализа сил.

Исследовались свойства обратной короны на окрашиваемой поверхности и ее влияние на движение заряженной частицы. Показано, что обратная корона значительно меняет распределение плотности объемного заряда в межэлектродном промежутке. Появляется область положительного заряда. Плотность отрицательного заряда возрастает. Значительно снижается напряженность поля у поверхности слоя краски. Уменьшается заряд движущихся частиц порошка и их скорость [12].

Одним из направлений в физике пылевой плазмы является исследование плазменно-пылевых структур в стратах тлеющего разряда постоянного тока. Сильная неоднородность плазмы, наличие резких градиентов продольного поля приводят к появлению в плазменно-пылевых структурах тлеющего разряда некоторых характерных для них черт, таких как конвективные потоки пылевых частиц, так называемая пылеакустическая неустойчивость и др.

Фортов В.Е., Храпак А.Г., Якубов И.Т. указывают на новые направления исследования пылевой плазмы: эксперименты в пылевой плазме, индуцированной УФ-излучением, эксперименты в газовом разряде постоянного тока, эксперименты в радиочастотном разряде [6].

Даутовым Г.Ю., Марданшиным Р.М., Сабитовым Ш.Р. разработана и создана экспериментальная установка для получения гетерогенной плазмы путем введения порошка твердых тел в продукты сгорания газа. Экспериментально определены вольтамперные характеристики электрического разряда в плазме, показывающие возможность повышения концентрации электронов и электропроводности плазмы более чем на один порядок [8].

В научно-исследовательской работе "Исследование напряженности электрического поля и концентрации электронов в пылевой плазме» Дау-това Г. Ю. исследуется пылевая плазма, получаемая путем введения в газ мелких твердых частиц. В данной работе получено аналитическое решение урав-

нения Пуассона-Больцмана для пылевой плазмы и найдены формулы для распределения потенциала и концентрации электронов с учетом процессов внутри твердых частиц. Также рассчитано значение напряженности электрического поля у поверхности твердой частицы.

Литература

1. Рыбкин В.В. Низкотемпературная плазма как инструмент модификации поверхности полимерных материалов. СОЖ. Химия. Полимеры, 2000 г.

2. Рыкалин Н.Н. Тепловые основы сварки, ч.1. Изд. АН СССР, 1947, 271 с.; Н.Н. Рыкалин. Расчеты тепловых процессов при сварке. М., Машгиз, 1951, 296 с

3. Цветков Ю.В., Панфилов С.А.. Низкотемпературная плазма в процессах восстановления. М., Наука, 1980. 360 с.; В.В.Кудинов, Г.В.Бобров. Нанесение покрытий распылением. Теория, технология и оборудование. М., Металлургия, 1992, 432 с.; Ю.В.Цветков. Особенности термодинамики и кинетики плазменно-металлургических процессов. В кн.: Физика и химия плазменных металлургических процессов. М., Наука, 1985.

4. Галяутдинов Р.Т., Кашапов Н.Ф., Лучкин Г.С. Технология получения оптических покрытий с помощью низкотемпературной плазмы. XXXIII Международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и УТС, 13-17 февраля 2006г.

5. Абдуллин И.Ш., Галяутдинов Р.Т., Кашапов Н.Ф.. Особенности нанесения покрытий ВЧ плазмой в ди-

намическом вакууме. XXXI Международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и УТС, 16-20 февраля 2004г.

6. Петухова Л.А Влияние начальной загрузки порошка металлического молибдена на накопление его растворенных форм в смешанном растворителе, состоящем из этанола и окисленного этилбензола / Петухова Л.А., Попова В.С., Петухов А.А. // Вестник технологического университета, - №23, - 2013. - С.212-213.

7. Веденов Г.Н., Г.С. Касимова, Кантерова Т.И., Митрофанова Н.Я. Новое в методах и технологии нанесения полимерных порошковых покрытий. Лакокрасочные материалы и их применение. № 3, 1987, с.72-75.

8. Козлов Б.А., Соловьев В.И.. Предельный ток много-острийного коронного разряда. Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 7

9. Дандарон Г.-Н. Б., Шагдаров В.Б., Базарсадаев Б.Ц. Критериальное обобщение вольт-амперной характеристики отрицательного коронного разряда в потоке аргона. Журнал технической физики, 2007, том 77, вып. 3

10. Винайкин М.Ю., Зуев Д.В., Стишков Ю.К. Взаимосвязь кинематики электрического ветра с формой чехла коронного разряда.

11. Ашмарин Г.В., Ким К.С., Токарев А.В. Физика горения линейного коронного факельного разряда.

12. Галяутдинов Р.Т. Высокочастотный индукционный разряд для получения двухслойных просветляющих покрытий / Галяутдинов Р.Т., Кашапов Н.Ф. // Вестник технологического университета, - №15, - 2011. -С.132-133.

© Р. Ф. Гатиятуллина - ст. преп. каф. моды и технологий КНИТУ, renatafg@rambler.ru; А. Н. Бадрутдинова - ст. преп. каф. моды и технологий КНИТУ, badrutdinova@mail.ru.

© R. F. СайуаШШпа - senior lecturer of fashion and technology KNRTU, renatafg@rambler.ru; A. N. Badrutdinova - senior lecturer of fashion and technology KNRTU, badrutdino-va@mail.ru.