Органические покрытия

Категория:
Покрытия


Органические покрытия

Нанесение полимерных органических покрытий является самым распространенным способом облагораживания таких конструкционных материалов, как металлы и древесина, хотя в ряде случаев возникает необходимость их нанесения и на стекло, керамику, пластмассы. Ведущее место среди этих покрытий принадлежит лакокрасочным.

Лакокрасочные покрытия могут быть прозрачными и непрозрачными. К первым из них относятся различные олифы и лаки, вторые представлены обширным ассортиментом красок и эмалей. Прозрачные пленки состоят в основном из отверженных пленкобразователей, а непрозрачные содержат белые, черные или цветные пигменты, равномерно диспергированные в массе пленкообразующего вещества.

Роль пигментов в покрытии не ограничивается только тем, что они придают ему определенный цвет и укрывистость. Природа, степень дисперсности и форма частиц пигмента оказывает существенное влияние и на физико-химические свойства покрытия, повышая его твердость, износостойкость, улучшая атмосферостойкость и т. п.

Процесс отверждения лакокрасочных пленок в зависимости от свойств пленкообразующей основы протекает по-разному. Первой стадией высыхания пленок, характерной для подавляющего большинства лакокрасочных материалов, является испарение летучих растворителей. Для некоторых пленкообразователей, например изготов ленных на основе эфиров целлюлозы, формирование покрытия на этом заканчивается. Однако в большинстве случаев отверждение пленки лакокрасочного покрытия происходит после испарения растворителей, в результате сложных химических превращений в самой пленке. Поэтому лакокрасочные покрытия на основе пленкообразователей типа эфиров целлюлозы называются непревра-щаемыми, или обратимыми, в отличие от остальных, которые представляют класс превращаемых необратимых покрытий. Первые при действии на них соответствующих растворителей легко переходят в раствор без изменения, в то время как превращаемые под действием растворителей разрушаются.

Большинство непревращаемых лакокрасочных покрытий термопластичны и при нагревании способны размягчаться в то время как превращаемые пленки обладают термореактивными свойствами.

Покрытия на основе обратимых непревращаемых пленок могут полностью отверждаться при комнатной температуре. Для превращаемых характерно высушивание при повышенных (90—200 °С) температурах. Здесь уместно отметить, что прочность и долговечность покрытий, полученных горячей сушкой, как правило, выше, чем у пленок, отвержденных при комнатной температуре.

Технологический процесс получения покрытий на обезжиренной поверхности деталей состоит из подготовки лакокрасочных материалов, собственно нанесения покрытия и его сушки. Подготовка лаков и красок заключается в их фильтрации и доведении вязкости до значения, соответствующего выбранному способу окраски (нанесения). При этом следует помнить, что качество покрытия и, в первую очередь, его декоративные достоинства непосредственно зависят от чистоты и вязкости лакокрасочного материала. Наличие в нем твердых частиц, видимых невооруженным глазом, приводит к образованию соринок на покровной пленке, особенно заметных на гладких и блестящих покрытиях.

Неправильно выбранная вязкость лаков и эмалей может стать причиной наплывов и подтеков, пузырей и непрокрашенных участков, особенно на углах и ребрах Деталей. Уменьшение вязкости осуществляется добавле-пнем необходимого количества растворителей или разбавителей, определенных для данного вида лакокрасочного материала, и контролируется при помощи стандартного вискозиметра. Повышение вязкости может быть достигнуто испарением части летучих компонентов под вытяжным устройством при перемешивании.

Нанесение лакокрасочных пленок на конструкционные материалы может выполняться различными способами: кистью, окунанием, распылением и некоторыми другими, менее распространенными способами.

Кистевой способ окраски при серийном и массовом производстве имеет ограниченное применение; однако он является незаменимым при получении некоторых видов комбинированных покрытий.

Работа кистью, по сравнению с другими способами окраски, весьма трудоемка и требует большого навыка. Кроме того, кистевой способ не пригоден для нанесения быстросохнущих лакокрасочных материалов, обладающих плохим розливом. Под термином розлив принято понимать способность жидкой лакокрасочной пленки, нанесенной, например, кистью, затягивать следы, образуемые волосками щетины.

Здесь нет надобности останавливаться на технике кистевой окраски, знакомой художнику больше, чем технологу.

Среди промышленных способов нанесения лакокрасочных покрытий самым экономичным и высокопроизводительным является окраска окунанием (погружением).

Наиболее старым и распространенным вариантом этого способа является обычное окунание деталей, закрепленных на соответствующих подвесках, в емкости, содержащие подготовленный лакокрасочный материал. Процесс окунания сравнительно легко механизируется, включается в поточную линию подготовки, окраски и сушки: В серийном и массовом производстве ванны для нанесения лаков и эмалей методом окунания снабжаются фильтрующей и дозирующей аппаратурой, поддерживающей заданную вязкость и уровень окрасочного раствора. Несмотря на простоту и несомненные преимущества метода, применение его ограничивается конфигурацией, а в известных пределах и размером деталей.

На необтекаемых изделиях сложной формы трудно, иногда просто невозможно получить покрытие без подхеков, наплывов и других дефектов. Значительные трудности представляет нанесение покрытий методом погружения на крупногабаритные детали, требующие больших емкостей с развитым зеркалом испарения, а также полых деталей или изделий из древесины, которые выталкиваются окрасочным раствором.

В последнее время за рубежом и у нас стал широко применяться способ окунания или струйного облива с последующим выдерживанием (перед сушкой) в парах растворителя. Сущность метода заключается в том, что изделие после ванны для окунания или камеры для облива краской поступает в паровой туннель-камеру, в атмосфере которой содержится определенное (заданное) количество паров растворителей, входящих в летучую часть лакокрасочного материала. Пары растворителя способствуют стеканию излишков лакокрасочного материала и равномерному распределению его по поверхности изделия без натеков и наплывов, поскольку в присутствии паров растворителя лакокрасочная пленка не «схватывается», а свободно растекается.

Способ окунания или облива с последующим выдерживанием в парах растворителей может применяться для изделий довольно сложной конфигурации и отличается большой производительностью. К недостаткам его следует отнести повышенный расход растворителя и необходимость в сравнительно больших производственных площадях. Процесс окраски ведется при комнатной температуре; концентрация паров растворителя в туннеле поддерживается в пределах 15—25 г/м\ Время выдерживания окрашенных изделий в парах колеблется от 5 до 12 мин в зависимости от свойств применяемых лакокрасочных материалов и требований, предъявляемых к покрытию. Преимущества способа погружения с последующим выдерживанием в парах растворителей проявляются в полной мере при серийной и массовой поточной окраске деталей такой формы, при которой их нельзя окрашивать методом обычного окунания. Новой и весьма перспективной разновидностью способа нанесения лакокрасочных покрытий погружением является электрофоретическое окрашивание, которое лишено основных недостатков, присущих обычному способу окунания.

В основе процесса электрофоретического окрашивания лежит применение водорастворимых лакокрасочных материалов, представляющих собой коллоидный или истинный раствор полимера в воде. Если в стальную ванну, наполненную таким раствором, погрузить металлические детали и пропускать через раствор постоянный электрический ток так, чтобы корпус ванны был катодом, а детали—анодом, то под влиянием наложенного электрического поля частицы краски, имеющие отрицательный заряд, будут двигаться к аноду (деталям) и разряжаться на нем, образуя водонерастворимую пленку. При напряжении постоянного тока 30—150 в, покрытие с предельной толщиной 20—25 мкм образуется в течение 2 мин, после чего процесс электрофореза практически заканчивается. Те места деталей, на которых плотность тока больше, окрашиваются в первую очередь. На углубленных участках по мере течения процесса плотность тока постепенно увеличивается за счет возрастания изолирующего действия покрытия на ранее окрашенных местах.

В результате саморегулирующегося перераспределения плотности тока образуются равномерные по толщине беспористые покрытия даже на деталях весьма сложной конфигурации.

Полученный слой покрытия после извлечения деталей из окрасочной ванны промывают проточной водой, при этом вода уносит только ту часть лакокрасочного материала, которая осталась на изделии за счет обычного процесса окунания. Электрофоретический слой при этом не нарушается. Промытые детали высушивают. Существенными преимуществами метода являются возможность полной автоматизации процесса и большая экономия пленкообразующей основы и летучих растворителей. Кроме того, процесс весьма совершенен в санитарно-гигиеническом и противопожарном отношении. К недостаткам электрофоретического окрашивания следует отнести возможность получения только однослойных покрытий на металлических поверхностях и ограниченный пока ассортимент пригодных для этого метода лакокрасочных материалов.

Несмотря на большое количество работ в СССР и за рубежом, посвященных разработке этого варианта окраски погружением, до сих пор удается использовать для электрофоретического окрашивания только лакокрасочные материалы горячей сушки. Здесь уместно отметить, что до настоящего времени не существует совершенного и производительного способа массовой окраски мелких деталей сложной конфигурации. Попытка использования электроосаждения в колокольных и барабанных ваннах может оказаться весьма перспективной в этом отношении.

Наиболее универсальным среди промышленных способов окраски является распылительный, имеющий несколько принципиально различных конструктивных решений.

Характерным для всех известных вариантов является устройство, обеспечивающее получение направленного и управляемого факела, состоящего из потока мелкодисперсных капелек лакокрасочного материала.

Прародителем современных экономичных и высокопроизводительных способов окраски распылением является обычный пневматический способ, все еще широко применяемый в производственной практике. Сжатый воздух, очищенный от воды и масла в специальном фильтре, под давлением 3—4 ат поступает по гибкому шлангу к пистолету-распылителю, устройство которого основано на инжекторном принципе.

Усовершенствование способа распыления с целью сокращения непроизводительного расхода лакокрасочных материалов и растворителей, увеличения производительности и улучшения качества окраски развивалось в двух основных направлениях. Первое из них сводилось к разработке установок для безвоздушного распыления нагретых лакокрасочных материалов. Они основаны на подаче подогретого и отфильтрованного красящего раствора под высоким давлением при помощи насоса к распылителю специальной конструкции; эти установки выгодно отличаются от пневматических экономичностью, а также лучшими санитарно-гигиеническими условиями, которые достигаются за счет снижения туманообразова-ния лакокрасочных материалов.

При безвоздушном распылении лакокрасочный материал, нагретый до температуры 70—100 °С, под давлением 40—60 кГ/см2 подают к соплу распылителя, в котором он приобретает большую скорость. Скорость достигается за счет превращения потенциальной энергии краски, находящейся под давлением, в кинетическую при выходе ее в атмосферу. Благодаря изменению давления с 40—60 кГ/см2 до 1 кГ/см2 быстролетучая часть растворителя, входящего в лакокрасочный материал, мгновенно испаряется, что сопровождается огромным увеличением объема и вызывает мелкодисперсное дробление краски.

Образующийся при безвоздушном распылении факел краски четко очерчен и почти не образует тумана, так как защищен от атмосферы оболочкой паров растворителя, предотвращающей рассеивание частиц краски.

Рис. 1. Схемы различных способов распыления краски в электростатическом поле:
1 — вспомогательный электрод; 2, 5 — окрашиваемая поверхность; 3 — коронирующая сетка-электрод; 4 — коронирующий распылитель.

Благодаря этому смежные зоны окраски почти не перекрываются, а при двухцветной окраске удается получить резко очерченные контуры без тщательной защиты соседних участков.

Покрытия, полученные безвоздушным распылением подогретой краски, беспористы и хорошо сцеплены с основой, так как горячие частицы краски лучше внедряются в микрорельеф основы.

Вторым направлением, совершенствующим способ окраски распылением, явилось применение его в зоне электрического поля высокого напряжения, создаваемого высоковольтно-выпрямительными устройствами или электростатическими генераторами.

Сущность метода заключается в том, что частицы лакокрасочного материала, распыленные вблизи отрицательного коронирующего электрода, приобретают отрицательный заряд и устремляются к положительному электроду, которым являются заземленные окрашиваемые детали.

Применяемые в практике способы окрашивания в электростатическом поле по типу аппаратуры и физической сущности протекающих при этом процессов де-тятся на две группы, отличающиеся между собой различным механизмом распыления и зарядки частиц лакокрасочного материала.

К первой группе относится пневматическое или безвоздушное распыление краски и перенесение частиц на поверхность деталей под действием заряда, приобретаемого ими в электрическом поле.

Вторую группу представляют способы электрической зарядки и распыления частиц краски с острой корони-руюшей кромки электростатических распылителей (чашечных, грибковых, дисковых и щелевых) с перенесением заряженных частиц на окрашиваемую поверхность деталей.

В отличие от обычного пневматического распыления электростатическое окрашивание дает значительную экономию лакокрасочных материалов и возможность автоматизации процесса окраски. За счет резкого уменьшения туманообразования повышается культура производства и улучшаются санитарно-гигиенические условия труда.

Однако метод не лишен существенного недостатка, заключающегося в том, что благодаря известным законам распределения силовых линий в электрическом поле попадание краски в углубления деталей сложной конфигурации или на взаимно экранированные их участки затруднено.

Электроокрашиванию в поле высокого напряжения могут подвергаться не только металлы, но и древесина, имеющая влажность не менее 10%. Определенные конструктивные приемы позволяют наносить электростатически лакокрасочные материалы и на различные диэлектрики.

При окрашивании способом распыления даже в электростатическом поле, не говоря уже об обычном пневматическом распылении, часть краски, выходящей из сопла распылителя, не достигает окрашиваемой поверхности изделия и в виде тумана распространяется в окружающую среду. Красочный туман и содержащиеся в нем пары растворителей вредно действуют на здоровье работающих и, кроме того, могут служить очагом пожара или даже взрыва. Из-за указанных недостатков метода расцыления окрашивание необходимо производить в специальных распылительных камерах, оборудованных интенсивной вентиляцией и фильтрами для очистки отсасываемого воздуха от красочной пыли.

В зависимости от размера изделий и степени механизации процесса окраски распылительные камеры бывают самых различных габаритов и конструкций. Однако все они делятся на два основных типа — тупиковые и проходные; последние применяются на поточных автоматизированных линиях.

Искусственное высушивание лакокрасочных покрытий осуществляется тремя основными способами — конвекционным, радиационным или индукционным. Наиболее распространенным способом является конвекционный, при котором процесс высушивания происходит в среде горячего, постепенно обновляющегося воздуха, равномерно омывающего поверхность окрашенных деталей.

Характер теплопередачи при конвекционном высушивании обусловливает интенсивное высыхание верхней части лакокрасочного слоя, что затрудняет испарение растворителя из более глубоких слоев. Это обстоятельство тормозит процесс высыхания (некоторые превращаемые пленки высыхают только за 2—3 ч) и при попытке его интенсификации может привести к образованию пузырей и разрывов в покровной пленке.

Конвекционные сушильные камеры представляют собой закрытые прямоугольные коробки с дверями (тупиковые) или проемами (проходные), чаще всего металлические, обшитые теплоизоляционным материалом. Их обогрев производится нагревательными приборами, размещенными внутри или вне камеры.

Чаще всего применяют камеры с выносными паровыми, электрическими или газовыми калориферами. Воздух, нагретый в калорифере, при помощи вентилятора циркулирует в замкнутой системе калорифер — камера; время от времени его частично обновляют для удаления паров растворителей.

Терморадиационное высушивание основано на принципе передачи тепла с помощью лучистой энергии и поглощения лакокрасочной пленкой и окрашенным изделием тепловых (инфракрасных) лучей. При этом способе тепло передается почти мгновенно и без потерь, так как инфракрасные лучи, проходя через воздух со скоростью света, не успевают терять свою энергию.

В отличие от конвекционной сушки при терморадиационном способе передача тепла лакокрасочному слою в основном происходит от поверхности металла, на который он нанесен и который нагревается за счет поглощения инфракрасных лучей. Нагреваясь снизу, лакокрасочный слой не препятствует свободному выходу паров растворителей.

Источниками инфракрасных лучей являются ламповые и «темные» излучатели, причем последние обладают безусловными конструктивными и эксплуатационными преимуществами перед первыми.

Способ инфракрасного радиационного высушивания в 3—6 раз более производителен, чем конвекционный. Он очень удобен, поскольку может быть осуществлен не только в закрытых камерах, но и с помощью переносных экранов, размещаемых в непосредственной близости от окрашенного изделия.

Непременным условием эффективного высушивания является прямое облучение окрашенной поверхности; экранированные детали или отдельные их участки высыхают намного медленнее.

Самым совершенным и производительным способом высушивания лакокрасочных покрытий является индукционный с применением токов промышленной и высокой частоты. Сушильные устройства, работающие на токах промышленной частоты (220—380 в), представляют собой трансформаторные установки, первичной обмоткой которых в одном из конструктивных вариантов является соленоид (индуктор), а вторичной—служат внутренние металлические стенки сушильной камеры. При прохождении переменного тока по виткам первичной обмотки (соленоида) создается переменное магнитное поле, вызывающее появление вихревых токов во внутренней обшивке сушильной камеры, в результате чего внутренние стенки ее нагреваются до температуры 150—400 °С и излучают тепловые инфракрасные лучи. Такие камеры работают по комбинированному конвекционно-радиаци-онному механизму.

Высушивание лакокрасочных покрытий при помощи токов высокой частоты (ТВЧ) основано на том, что при пропускании через контур проводника тока большой силы и высокой частоты внутри контура создается мощное переменное магнитное поле. Поверхность помещенного в это поле металлического окрашенного предмета быстро нагревается за счет вихревых токов.

Способ индукционного нагрева создает идеальные условия для высушивания лакокрасочного слоя, так как нагрев его и высыхание происходят постепенно, начиная от внутренних слоев, прилегающих к металлу, и кончая наружной поверхностью пленки. Скорость такого высушивания превышает скорость обычного конвекционного в 10—30 раз. В поле токов высокой частоты время высыхания различных лакокрасочных материалов колеблется от 1,5 до 5 мин, при этом пленки получаются с лучшими физико-химическими и механическими свойствами, чем в случае конвекционного высушивания.

Для получения органических покровных пленок наряду с лакокрасочными материалами успешно применяются различные пластмассы в виде тонкодисперсных некомкующихся термопластичных порошков. Перспективность полимерных покрытий обусловлена в первую очередь тем, что их получение не связано с применением дорогостоящих и токсичных летучих растворителей, а также с длительным процессом сушки характерным для многих лакокрасочных покрытий. Кроме того, применение порошкообразных пластмасс для нанесения полимерных пленок позволяет получать покрытия на основе таких пленкообразователей, которые не могут быть использованы в виде лакокрасочных материалов. Некоторые покрытия, полученные из порошкообразных полимеров, по своей прочности и химической стойкости намного превосходят лучшие из лакокрасочных покрытий- Например, пленки на основе фторопласта-4 по коррозионной стойкости превосходят даже золото. Существенным недостатком покрытий, полученных на основе порошкообразных полимеров, является их пониженная по сравнению с лакокрасочными пленками адгезия, для ее улучшения применяются различные способы подготовки поверхности; одним из них является предварительная грунтовка лакокрасочными материалами.

Добавление к полимерным порошкам мелкодисперсных пигментов — окиси хрома, кадмия желтого или красного, сажи и других, дает возможность получать цветные покрытия с хорошими декоративными свойствами.

Для промышленного нанесения порошкообразных термопластов применяются методы газопламенного и вихревого напыления как в обычных условиях, так и в зоне электрического поля высокого напряжения. Газопламенным методом покрытия можно наносить на металлы, керамику, полимеры и другие, даже не очень теплостойкие, материалы. Метод вихревого напыления для нетеплостойких, легко деформируемых материалов не пригоден. Сущность газопламенного напыления порошков состоит в том, что, попадая в факел пламени, создаваемый воздушно-ацетиленовой струей, частицы полимера, имеющие размер 0,15—0,3 мм, оплавляются до пластичного состояния и при ударе о покрываемую поверхность сцепляются с ней, образуя сплошное покрытие.

Рис. 2. Схема установки для вихревого напыления пластмасс:
1 — сетчатый под; 2 — порошкообразная пластмасса; 3 — вихревой слой, 1 — деталь; 5 — масловодоотделитель; 6 — баллон со сжатым воздухом.

В последнее время стал применяться более экономичный и производительный по сравнению с газопламенным теплолучевой способ, заключающийся в том, что струя порошкообразного полимера подается сжатым воз-Духом в мощный поток тепловых лучей. Нагреватель состоит из нескольких параболических отражателей, в фокусах которых расположены кварцевые лампы. В комплект установки входит аппарат, где создается воздушно-порошковая смесь, поступающая по шлангу к щелевому распылителю.

Для нанесения порошкообразных полимеров на изделия небольших габаритов более совершенным и производительным является вихревой метод нанесения пластмасс в «кипящем слое».

Как видно из рис. 2, изделия помещают в аппарат, представляющий собой открытый сосуд с двумя расположенными на близком расстоянии друг от друга днищами. Нижнее днище сплошное, а верхнее сделано из пористого материала, например из керамики. На верхнее днище насыпают слой высокодисперсного полимерного порошка толщиной 80—100 мм. Затем через это днище под давлением 5—6 ат подают очищенный от влаги и масла воздух или, лучше, азот. Образующийся при этом вихревой (кипящий) слой по объему в 2—3 раза превышает первоначальный. Находящаяся в движении взвесь порошка циркулирует вокруг предварительно нагретой детали и, оседая на нее, частично оплавляется. Окончательное оплавление полимерного порошка и формирование покровной пленки происходит в оплавитель-ных печах, куда детали помещаются после извлечения их из вихревой камеры.

Сравнительно недавно разработана новая технология нанесения полимерных покрытий в ионизированном кипящем слое. Заземленные детали погружают в псевдо-ожиженный слой порошкообразного полимера, находящийся под совместным воздействием электрического поля высокого напряжения и сжатого воздуха. Частицы полимера заряжаются и под действием электростатических сил равномерно оседают и удерживаются на поверхности детали.

Чтобы в псевдоожиженном слое порошкообразного полимера, находящегося в ванне, создать электрическое поле, отрицательный полюс источника постоянного тока высокого напряжения подключают к металлическому каркасу ванны или к металлической сетке, которая служит частью воздухораспределительной системы. Время окунания детали в полимер колеблется от 0,5 до 20 сек. На детали, особенно на ее горизонтальных поверхностях, кроме порошка, осевшего под влиянием электрических сил, имеется избыточный порошок. Поэтому, вынутую из ванны деталь следует слегка встряхнуть или повернуть, чтобы избыточный порошок осыпался. Затем ее перемещают в печь, где полимер плавится, образуя равномерное и плотное покрытие. Время оплавления полимера зависит от материала детали и толщины нанесенного слоя. Последняя обусловлена электрическими свойствами детали и полимера, величиной напряженности электрического поля, степенью дисперсности полимера.

Конструктивные формы оборудования для получения покрытий в ионизированном кипящем слое порошкообразных полимеров зависят главным образом от габарита деталей, на которые наносят покрытия, и серийности производства- При малосерийном производстве, а также производстве мелких деталей применяют небольшие установки, технологические операции обычно не механизированы. В крупносерийном производстве создают поточные линии с замкнутым конвейером.


Реклама:



Читать далее:



Статьи по теме:


Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум