Химия и технология лакокрасочных покрытий

КОНВЕКТИВНЫЙ СПОСОБ

Основы способа. При конвективном способе нагревание слоя ла­кокрасочного материала и изделия осуществляется за счет передачи теплоты от окружающего воздуха или топочных газов. Теплота пе­редается поверхности и постепенно распространяется внутрь пленки, поэтому затвердевание покрытия происходит также с поверхности раздела пленка - газовая среда. Такой способ отверждения не являет­ся оптимальным. В случае жидких красок образующийся на поверх­ности слой более высохшего материала замедляет диффузию и отвод растворителя из глубинных слоев пленки; в случае порошковых кра­сок оплавленный с поверхности слой полимера мешает выходу воз­духа из остальной части материала.

Вследствие низкой теплопроводности газов [для воздуха при 100 °С X ~ 0,028 Вт/(м • °С), т. е. в тысячи раз меньше, чем у металлов] в кон­вективной передаче теплоты покрытию принимают участие лишь слои, непосредственно контактирующие с изделием. Для улучшения теп­лопередачи применяют перемешивание нагретых газов, что вызыва­ет дополнительную затрату энергии. Таким образом, конвектив­ный способ отверждения малоэффективен и достаточно энергоемок. Его широкое применение, однако, объясняется рядом достоинств:

Рис. 8.1. Температурно-временная ха­рактеристика конвективной сушки покрытий

Универсальностью (пригоден для отверждения любых лакокрасоч­ных материалов, нанесенных на разные субстраты), мягкостью и равномерностью нагрева (можно нагревать изделия разной степени сложности), простотой конструк­ции и легкостью эксплуатации су­шильных установок.

С теплотехнической точки зрения в процессе отверждения (суш­ки) можно выделить три стадии (рис. 8.1): I - подъем температуры; II - собственно сушка; III - охлаждение покрытия. Стадия I характе­ризуется наличием температурного градиента в пленке & = *с - *п, который тем больше, чем выше температура в сушилке Гс и ниже температура нагреваемого изделия (подложки) £п. Большой перепад температур приводит к неравномерному протеканию процесса от­верждения: в верхней части пленки возможны деструктивные про­цессы, тогда как у подложки процесс может быть полностью не за­вершен. Стадия I при конвективном способе нагрева обычно дли­тельна и во многом определяет общее время отверждения покрытия;

I] зависит от массы и теплофизических параметров материалов по­крытия и изделия и скорости подвода к ним теплоты. Ориентиро­вочно время I] (в мин), необходимое для выравнивания и £с, нахо­дят как утроенное произведение толщины покрываемого изделия 5 (в мм): I] ~ 35. Продолжительность стадии II зависит от скорости протекания процессов в пленке и является функцией температуры (рис. 8.2). Стадия III может быть проведена как в пределах сушиль­ной установки, так и вне ее.

Для определения продолжительности отверждения различных лакокрасочных материалов применяются номограммы и универ­сальная диаграмма, учитывающие температуру в сушилке и твер­дость Н (по маятнику) получаемых покрытий (рис. 8.3). Номограм­мы составлены из расчета толщин подложки и покрытия 1 мм и 20 мкм соответственно. При отклонении от этих толщин пользуются формулами для пересчета. Например, в случае алкидных покрытий на подложках толщиной 1-10 мм такая формула имеет вид:

О,3-Я),5

,

Где т0 - продолжительность отверждения покрытия на подложке с 5 = 1 мм.

Т, г

Г 80

Рис. 8.2. Зависимость продолжительности отверждения масляных покры­тий от температуры

Рис. 8.3. Номограмма режимов отверждения пентафталевой эмали ПФ-115 При конвективном способе нагрева

Для пересчета параметров отверждения (температура, продолжи­тельность) с опытных образцов на производственные изделия поль­зуются ГОСТ 9405-83 ЕСЗКС. Пересчет осуществляется с учетом обобщенного безразмерного коэффициента.

Аппаратурное оформление. Для конвективного отверждения применяют сушилки периодического (тупиковые, или камерные) и непрерывного (проходные, или коридорные) действия, оборудован­ные тепловентиляционными агрегатами. По типу теплоносителя су­шилки подразделяются на паровые, электрические, пароэлектриче­ские, газовые. Для температур 50-110 °С наиболее экономичными считаются сушилки с паровым обогревом, выше 110 °С - с электри­ческим и газовым. Применяют сушилки прямого действия, в кото­рых обеспечивается непосредственный контакт теплоносителя (на­гретый воздух, топочные газы) с изделием, и непрямого действия, в которых теплота передается изделию от теплоносителя (обычно то­почные газы) через стенку. Первый тип сушильных камер наиболее распространен. Их применяют не только для отверждения покрытий (грунтовочные, шпатлевочные, верхние слои), но и для сушки изде­лий от воды при подготовке поверхности, мокром шлифовании и других операциях. Газовые сушилки непрямого действия использу­ют лишь в тех случаях, когда прямой контакт изделия с топочными газами нежелателен, например при получении светлых высокодеко­ративных покрытий.

Тупиковые сушилки изготовляют в виде небольших шкафов, а также в виде одно - и многосекционных камер. Их широко применя­ют на предприятиях с индивидуальным и мелкосерийным производ­ством. В проходные Сушильные камеры Изделия поступают непре­рывно на конвейере. Камеры такого типа используют преимущест­венно на предприятиях с массовым производством при поточной организации окрасочных работ.

Эффективность работы сушилок во многом зависит от харак­тера распределения нагретых газов по сечению камеры, степени омывания ими окрашенных изделий, скорости движения газов. При этом важное значение имеют конструкция камеры и взаимное расположение воздуховодов (рис. 8.4). В случае крупных изделий преимущественно используют схемы я, Б, иногда г, в случае мелких изделий, поступающих в сушилку уложенными на этажерки, - схе­му В ИЛИ 2.

В проходных сушилках режим отверждения удается осуществ­лять в полном соответствии с процессахми, протекающими при фор­мировании покрытия. Лучшими в этом отношении являются много­зональные сушильные камеры. Сушилку условно делят, например, на 3 зоны, каждая из которых имеет свой тепловентиляционный центр. Первая зона рассчитана на частый воздухообмен, большой приток теплоты и свежего воздуха, так как на этом участке требуется подъем температуры и испаряется до 90 % вносимых с лакокрасоч­ным материалом растворителей или воды. Вторая зона не связана с большим расходом теплоты и загрязнениями воздуха растворителя­ми. Третью зону можно рассматривать как зону охлаждения или до - отверждения покрытия, происходящего за счет теплоты, аккумули­рованной изделием.

Кратность обмена воздуха и степень его обновления принимают, исходя из условия поддержания взрывобезопасной концентрации па­ров растворителя в сушилке. Расход свежего воздуха Уишд при этом может быть вычислен по следующим формулам:

А б в г

Рис. 8.4. Схема движения газов в сушильных камерах конвективного типа

Для камер периодического действия

К, мл = 2С, К/га.

Для камер непрерывного действия

/„,ид = 2С,'Юа,

Где Си С - масса растворителя, поступающего в сушилку с лакокрасочным материалом единовременно и в единицу времени соответственно; К- посто­янная, зависящая от температуры, при изменении температуры от 90 до 200 °С К изменяется от 2 до 5; т - время испарения основной массы раство­рителя, т = 5-10 мин; А-Нижний предел взрываемости паров растворителя.

Для обеспечения нормальной работы сушильных камер прини­мают скорость движения (перемешивания) воздуха 0,8-2,5 м/с, раз­ность температур подаваемого и отсасываемого воздуха 10-12 °С. Количество свежего воздуха вводится с таким расчетом, чтобы кон­центрация растворителя в сушильной камере не превышала 25 % от нижнего предела взрываемости.

Перспективные направления повышения эффективности кон­вективной сушки покрытий - увеличение скорости движения энер­гоносителя (воздуха) и введение в него добавок паро - или газообраз­ных веществ, служащих катализаторами отверждения (для покрытий термореактивного типа). В первом случае заслуживает внимания ис­пользование аэродинамического метода нагрева энергоносителя (на­грев происходит равномерно за счет перехода механической энергии, развиваемой ротором центробежного вентилятора, в тепловую при циркуляции воздуха в замкнутом пространстве). При этом скорость движения воздуха достигает 9 м/с. В такой аэродинамической су­шилке скорость отверждения покрытий в 1,5-2 раза выше, чем в обычной калориферной, потребляемая мощность - на 20-25 % ниже.

Второй случай реализуется на практике при отверждении поли­уретановых, эпоксидных и других покрытий. Например, при введе­нии в воздушную среду небольших количеств третичных аминов время отверждения таких покрытий сокращается в десятки раз и со­ставляет 30-60 с.