Химия и технология лакокрасочных покрытий

НАНЕСЕНИЕ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ

В электрическом поле можно наносить порошковые материа­лы на не нагретые изделия. Благодаря этому, а также легкости ав­томатизации, возможности получения тонких покрытий и ряду других достоинств способ получил широкое распространение; бо­лее 80 % порошковых лакокрасочных материалов наносят этим способом.

Основы способа. В основе процесса нанесения лежит принцип действия сил электростатического поля на заряженные частицы краски в направлении электропроводящей поверхности заземленно­го изделия. При этом лакокрасочный материал предварительно пе­реводится в аэрозольное состояние с помощью воздуха.

Зарядка частиц порошков (контактная или посредством ионной адсорбции) достигается воздействием внешнего электрического поля

Или трением частиц. Как и в случае аэрозолей жидкостей, заряд час­тиц является функцией их радиуса, диэлектрической постоянной материала и напряженности электрического ноля.

Вследствие высокого электрического сопротивления порошко­вых красок (ру = 108— 1014 Ом • м) приобретенный их частицами заряд длительно сохраняется при контакте с любой (в том числе электро­проводящей) поверхностью, что позволяет транспортировать заря­женные частицы (аэрозоль), а также изделия с нанесенным на них порошком, не опасаясь ссыпания частиц с поверхности. Предвари­тельная зарядка частиц в специальном межэлектродном простран­стве с последующей их подачей к изделию позволяет избежать неблагоприятного воздействия сильных электрических полей на процесс осаждения, устранить обычно встречающийся эффект элек­тростатического рассеяния и тем самым обеспечить получение рав­номерных покрытий на изделиях достаточно сложной конфигура­ции. Этот принцип нашел применение при разработке промыш­ленных установок.

С другой стороны, медленная разрядка частиц как фактор высо­кого электрического сопротивления материалов, способствует нако­плению зарядов в слое и возникновению явления обратной короны. В результате предельная толщина наносимых слоев обычно не превы­шает 100-150 мкм (в расчете на готовое покрытие). Для получения более толстых слоев применяют меры, направленные на снижение электрического сопротивления порошковых красок (см. гл. 4) или используют при распылении импульсные источники высокого на­пряжения.

Аэрозоли порошковых красок (в отличие от жидких материалов) менее дисперсны; при контакте с поверхностью их частицы не де­формируются, контактная поверхность мала. Это обусловливает не­полноту осаждения материалов. Неполное осаждение является ре­зультатом многих факторов: полидисперсности частиц порошковых красок, скорости движения воздуха, конфигурации изделий. В ре­зультате степень осаждения (переноса частиц) при распылении мо­жет колебаться от 50 до 85 %. Во избежание запыленности окрасоч­ного участка и для более полного использования красок их наносят в замкнутом цикле в окрасочных камерах с применением системы ре­куперации порошков.

Различают два способа нанесения красок в электрическом поле - Электростатический (с зарядкой в поле коронного разряда) и Трибо­статический (с зарядкой за счет трибоэффекта) (рис. 7.43).

При зарядке порошка в поле коронного разряда высокое неодно­родное электрическое поле создается между зарядным электродом

Распылителя (знак и заземленным окрашиваемым изделием (на­водится знак "+") в так называемом электродном пространстве. В ре­зультате ионизации воздуха (коронного разряда) в нем образуется огромное количество ионов, которые, осаждаясь на частицах распы­ленного порошка, сообщают им заряд. Заряженные частицы и сво­бодные, не связанные с ними ионы по силовым линиям перемеща­ются к изделию и осаждаются на нем, передавая свой заряд. Поскольку силовые линии замыкаются прежде всего на выступающих участках поверхности изделия, порошок осаждается преимущественно на них. Труднодоступные участки поверхности оказываются вне воздейст­вия электрического поля (эффект клетки Фарадея) и, соответственно, плохо окрашиваются этим способом. Нанесение красок обычно про­водят при напряжении 50-100 кВ.

Так называемый трибостатический способ зарядки частиц по­рошковых материалов основан на возникновении зарядов при тре­нии. В результате трения разнородных (в первую очередь, диэлек­трических материалов) с разными значениями энергии происходит переход электронов из материалов с меньшей энергией в материал с большей энергией, при этом обе трущиеся поверхности заряжаются противоположными знаками. Наилучшим материалом в качестве за­рядной поверхности почти для всех порошковых красок являются фторопласты.

Величина возникающего при трении заряда зависит от многих факторов: размера частиц, уровня загрязнения контактной поверх­ности, длительности и эффективности контакта, интенсивности по­тока воздушно-порошковой смеси и др.

Практика показывает, что более крупные частицы порошков за­ряжаются лучше, чем мелкие. Заряд частиц полидисперсных порош­ков (каковыми являются практически все порошковые краски) изме­няется в прямой зависимости от их размера. Поэтому в красках же­лательно иметь в минимальном количестве (не более 10 %) частицы с размером менее 15 мкм.

Особенно большое влияние на величину заряда оказывает влаж­ность воздуха. Последний должен быть сухим с точкой росы не выше -10 °С.

Продолжительность и эффективность контакта частиц с тру­щейся поверхностью определяется конструктивными особенностя­ми зарядной системы: величиной контактной поверхности, длиной трубок зарядного устройства. Наиболее эффективна многоканаль­ная система трубок, собранных в спирали. Контакт частиц с тру­щейся поверхностью особенно значителен при турбулентном дви­жении воздушно-порошковой смеси. Важным моментом является также эффективность отвода заряда, накапливающегося на заряд­ном устройстве (заземление трубок).

Нанесение порошковых красок трибостатическим способом не устраняет образования электрического поля вокруг окрашиваемо­го изделия. Тем не менее отсутствие свободных ионов воздуха соз­дает более благоприятные условия для окрашивания сложных по профилю изделий, а также при получении многослойных покры­тий.

Оба способа нанесения - как трибостатический, так и с зарядкой частиц в поле коронного разряда - примерно равнозначны по масштабам применения; каждый из них имеет свои положительные стороны и недостатки:

Электростатический способ

Возможность нанесения любых порош­ковых ЛКМ

Высокая производительность Высокая степень осаждения порошка Неподверженность влиянию влажности окружающего воздуха

Повышенная стоимость устано­вок из-за наличия высоковольт­ной аппаратуры

Потребность в источнике питания Трудность перекрашивания изде­лий с глухими отверстиями и уг­лублениями

Трибостатический способ

Хорошее перекрашивание участков с глухими отверстиями и углублениями Равномерность осаждения порошка на выступающих и вогнутых участках Отсутствие обратной ионизации Невысокая стоимость установок

Необходимость подготовки воз­духа (кондиционирования) Необходимость введения анти­статических добавок в гибридные и полиэфирные краски Пониженная производительность

Применяемое оборудование. Комплект оборудования для элек­тростатического распыления порошков включает: распылительную камеру, распылитель порошкового материала, питатель, установку рекуперации порошка (принципиальная схема установки приведена на рис. 7.44, а узла нанесения - на рис. 7.45).

Рис. 7.45. Схема узла нанесе­ния порошковых красок:

1 - распылитель; 2 - пульт управления; 3 - эффектор; 4 - Трубка для забора порошка; 5 - пористая перегородка; 6 - кор­пус питателя; 7 - заземленное изделие

Распылители различаются по конструкции, принципу работы, способу подвода высокого напряжения, подачи и зарядки порошково­го материала.

В равной степени находят применение распылители электроста­тические (с зарядкой порошка в поле коронного разряда) и трибоста­тические (с зарядкой трением), стационарные (в автоматических кон­вейерных линиях) и ручные (при единичном и серийном производ­ствах).

Из электростатических распылителей доминируют устройства с внешней зарядкой. Они просты в изготовлении, надежны в эксплуа­тации и обеспечивают более высокую степень осаждения красок по сравнению с распылителями с внутренней зарядкой частиц. Такие распылители могут быть со встроенным и внешним источником вы­сокого напряжения. При ручном нанесении более предпочтительны распылители первого типа, так как при этом обеспечивается более высокая безопасность работы: питание источника осуществляется от выносного блока низкого напряжения (5-24 В). К распылителям с внешним источником высокого напряжения питание подводится вы­соковольтным кабелем, что приемлемо при автоматическом нанесе­нии, но неудобно при ручном.

Трибостатические распылители относят к числу распыляющих устройств с внутренней зарядкой частиц. Существующие конструк­ции распылителей этого типа в основном различаются формой и строением зарядного устройства - трубок из диэлектрика (фторо­пласта или полиамида). Они могут быть прямыми, свернутыми в спираль, представлять собой одну жилу или набор жил (трубок мень­шего сечения). Удельный заряд порошков возрастает с увеличением поверхности их контакта с трибоэлектризующим элементом и ско­
рости движения по трубе. Дополнительная электризация порошка может быть достигнута применением фторопластовых наконечни­ков (насадок) разной формы. При такой конструкции распыляющих устройств коэффициент осаждения красок на поверхность достигает 85 % и более.

Параметры работы распылителей разных типов неодинаковы:

Производительность Расход воздуха, по краске, кг/ч м3/ч

С внешней зарядкой С внутренней зарядкой Т рибостатический

Производительность большинства отечественных распылителей по окрашиваемой поверхности - 90-200 м[3]/ч. При больших объемах работ установки комплектуются несколькими распылителями (от 2 до 6), также используют механизм перемещения типа "Робот". На­против, если требуется обойтись очень малым количеством краски, применяют распылители с автономным питанием (краска подается не от питателя, а из бачка, укрепленного на распылителе).

Оптимальное расстояние от распылителя до изделия 20-30 см.

Питатели Для дозирования и подачи порошковых красок в рас­пылители работают по принципу эжекционного отбора порошка воздухом и образования аэровзвеси с определенным содержанием твердых частиц. Наиболее распространены питатели с забором по­рошка из псевдоожиженного слоя (рис. 7.46).

Для увеличения скорости потока аэровзвеси и требуемой пороз - ности предусматривается дополнительная подача дозирующего воз-

Духа. Оптимальное соотно­шение между количеством подаваемого и дозирующего воздуха устанавливается опыт­ным путем.

Имеются также конструк­ции питателей с гравитацион­ной подачей порошка в эжек­тор или эжекторным забором

Рис. 7.47. Схема распылительной камеры:

1 - корпус; 2 - источник высокого на­пряжения; 3 - распылитель; 4 - сборник порошка; 5 - вибросито; 6, 7 - кассет­ный и плоский фильтры; 8 - коллектор;

9 - вентилятор; 10- Покрываемое изде­лие

Его из емкости (коробки). При этом для разрыхления и устране­ния арочных эффектов дополни­тельно воздействуют на порошок механически, например с помо­щью вибрации.

Распылительные камеры для нанесения порошковых красок по конструкции и габаритам весьма разнообразны. Они могут быть стационарными и движущимися, тупиковыми и проходными, одно - и двухходовыми, различаются расположением транспортных и ра­бочих проемов, направлением движения запыленного воздуха (иметь поперечный или нижний отсос), конструкцией днища и системы от­бора с него порошка. Схема одной из них приведена на рис. 7.47.

Имеются конструкции камер, предусматривающих очистку воз­духа не в аспирационном устройстве, а в самой камере посредством установленных в ней фильтров или движущейся фильтрующей лен­ты из пористого материала. Стенки камеры обычно выполняют из стали, стекла или пластмасс (чаще всего полипропилена, содержаще­го антистатик). Скорость движения воздушных потоков Ц/ выбирают с учетом среднего размера частиц и плотности наносимого порош­кового материала; в открытых проемах обычно принимают = 0,6- 0,8 м/с, внутри камеры 0,1-0,4 м/с.

Установки рекуперации предназначены для улавливания не осев­шего на изделия порошка и возврата его в производственный цикл. Рекуперационные установки различны по конструкции и принципу работы. Применяют установки как с двухступенчатой системой улав­ливания (сначала в циклоне, где осаждается до 95-98 % краски, затем на фильтре), так и с одноступенчатой (только на фильтре). Широко используются патронные фильтры из металлической сетки или тка­невые, обеспечивающие степень улавливания порошка 99,5-99,8 %. Применяют откатные фильтры и установки (модули) стационарные и откатного типа.

Электростатическим способом, используя разные типы распы­лителей, можно окрашивать изделия разных типоразмеров и групп

Участок подготовки поверхности

_1____ _1____ Ш ЛПГ

"------------------ '-------- Ч:

"V

Ч/

Участок формирования

Покрытия

А-ТГ7Г-7ЧІ

“г

ІР"

Рис. 7.48. Типовая схема произ­водства покрытий способом элек­тростатического распыления:

1 - агрегат подготовки поверхности;

2 - сушилка для удаления воды; 3,4- Камеры электростатического нане­сения краски (автоматического и ручного соответственно); 5 - сис­тема улавливания порошка; 6 - печь для формирования покрытия

Сложности и применять при этом практически любые виды порош­ковых ЛКМ. Необходимое требование к изделиям - объемная или поверхностная электрическая проводимость. Оно легко реализуется при окрашивании металлов. В случае неэлектропроводящих мате­риалов (древесина с влажностью менее 12 %, стекло, пластмассы) принимают меры для увеличения проводимости: например, поверх­ность обрабатывают антистатиками - растворами ПАВ или токопро­водящими грунтовками.

Технология покрытий. Типовой технологический процесс полу­чения покрытий из порошковых красок способом электростатиче­ского распыления включает три основные стадии: подготовку по­верхности, нанесение порошкового материала, формирование из не­го покрытия (рис. 7.48). Качество покрытий зависит от строгого соблюдения технологических режимов всех стадий процесса.

Не исключается получение и комбинированных покрытий, на­пример с применением порошковых, жидких и металлических мате­риалов. При этом возможны разные сочетания слоев. Нанесение жид­кого ЛКМ (грунтовки, эмали, лака) может предшествовать нанесению порошковой краски или завершать процесс получения комбиниро­ванного покрытия. Цель привлечения других материалов - придать недостающие свойства покрытиям из порошковых красок: обеспечить высокую и стабильную адгезию, улучшить глянец и декоративные свойства, решать различные целевые задачи. Такой подход нередко практикуют при окрашивании транспортных средств (автомобили, велосипеды, мотоциклы), труб и других изделий.