Химия и технология лакокрасочных покрытий

ОКУНАНИЕ И ОБЛИВ

Окунание и облив - наиболее простые и издавна применяемые способы окрашивания. Достоинство их заключается в возможности наносить различные лакокрасочные материалы и получать покрытия достаточно хорошего качества при использовании несложного обо­рудования. Окуная (погружая) изделие в лакокрасочный материал или обливая им изделие, удается прокрашивать практически все уча­стки поверхности, в том числе и скрытые от глаза человека; этого нельзя достичь с помощью многих других способов.

Окунание и облив используют главным образом для получения грунтовочных и однослойных покрытий на изделиях разной слож­ности небольших и средних размеров. Оба способа применяются во многих отраслях промышленности (автомобильной, приборострои­тельной, сельскохозяйственном машиностроении и др.), так как по­зволяют механизировать и автоматизировать процессы окрашивания.

Недостатками способов окунания и облива являются: неравно­мерность толщины покрытий но высоте изделий, невозможность окрашивания изделий, имеющих карманы и внутренние полости, относительно большие потери лакокрасочных материалов, нередко доходящие до 20 % и более. Многие из этих недостатков, однако, ис- юпочаются, если объектом окрашивания служат плоские изделия (де­ревянные щиты, металлические листы, рулонный металл), уложенные горизонтально. Лакокрасочный материал при этом наносят с помо­щью лаконаливных (или лакообливочных) машин. Именно при ок­раске таких изделий, особенно щитовой мебели, нашел наибольшее применение способ облива.

Уменьшение потерь лакокрасочных материалов и разнотолщин - ности покрытий при одновременном улучшении их декоративного вида достигается при выдержке свежеокрашенных изделий в парах растворителей. Этот способ, как разновидность способа облива, под названием Струйный облив получил широкое распространение в про­мышленности. Аналогичным образом можно улучшить покрытия, нанесенные способом окунания. Другими разновидностями способа окунания являются окрашивание длинномерных изделий протяги­ванием и мелких изделий - во вращающихся барабанах.

Окунание и облив в любых вариантах исполнения привлекают особое внимание при нанесении водоразбавляемых лакокрасочных материалов в связи с возможностью организации поточных пожаро­безопасных технологических процессов.

Основы способов

Принцип нанесения окунанием и обливом основан на смачива­нии окрашиваемой поверхности жидким лакокрасочным материа­лом и удержании его на ней в тонком слое за счет адгезии и вязкости материала. Качество и толщина покрытий при окрашивании окуна­нием и обливом определяются свойствами поверхности, а также хи­мическими и структурно-механическими характеристиками наноси­мого материала.

Рассмотрим процесс нанесения жидкой краски посредством оку­нания в нее изделия, например плоской пластинки (рис. 7.21). Пер­воначальный акт - погружение изделия в жидкий материал, т. е. ус­тановление адгезионного контакта. В зависимости от вязкости мате­риала и характера поверхности длительность этого процесса может составлять секунды или минуты. Одновременно с установлением контакта происходит адсорбционное взаимодействие жидкости с твердой поверхностью.

При извлечении изделия, например, со скоростью 1% будет увле­каться не только слой адсорбированной жидкости; вследствие адге­зии и внутреннего трения Р движение будет передаваться параллель­ным слоям жидкости, которые также будут подниматься, но со ско­ростью гу„. Кроме силы Рэти слои будут испытывать действие Силы

Рис. 7.22. Распределение скоростей в слое жидкости при извлечении из нее изделия

Тяжести Р, вызывающей опускание (стекание) жидкого материала со скоростью Wp. Суммарная скорость движения каждого элементарно­го слоя находящегося на расстоянии х от поверхности изделий, таким образом, будет равна:

Wx = Wu - Wp.

При условии ламинарного движения и исключения силы тяже­сти скорость отдельных слоев изменяется равномерно по мере уда­ления от изделия и на расстоянии А становится равной нулю. При этом зависимость Wn -/(Х) прямолинейна (рис. 7.22), а градиент ско­рости Dwn/Dx - const. В реальных условиях, когда воздействует сила тяжести Ру характер зависимости изменяется, объем жидкости, увле­ченной изделием, всегда меньше (на рис. 7.22 он показан в виде за­штрихованной области). Если принять ширину слоя за единицу, а толщину - за Dxy то d V составит:

DV = W3Ax,

А объем всей жидкости, увлеченной таким изделием в единицу вре­мени, будет равен:

А

V=jwxdx.

О

После извлечения изделия из жидкости часть ее стекает и (если это нелетучая жидкость, то независимо от скорости извлечения на по­верхности) остается слой, толщина которого определяется вязкостью,

Рис. 7.23. Зависимость толщины 5 покрытий из алкидной эмали от скорости извлечения изделия из ванны при различной вязкости краски (по ВЗ-246) при 20 °С

Плотностью и энергетическими фактора­ми взаимодействия жидкости с поверхно­стью твердого тела.

При окунании в лакокрасочные мате­риалы процесс усложняется непрерывным изменением вязкости нанесенного на изделие слоя, вследствие чего стекание его замедляется, а затем и совсем прекращается. Нетрудно убедиться, что толщина и степень неравномерности пленки будут тем больше, чем выше скорость извлечения изделия (рис. 7.23), вяз­кость лакокрасочного материала и скорость ее нарастания в момент стекания. Из низковязких материалов (20 с по ВЗ-246 и менее) форми­руются относительно тонкие покрытия с небольшим разбросом тол­щин по высоте изделия. Тот же эффект достигается при малых ско­ростях извлечения изделий из лакокрасочного материала - 0,1 м/мин и менее (рис. 7.24).

Однако на практике это приводит к снижению эффективности окрашивания: с уменьшением вязкости материалов повышается рас­ход растворителей и в ряде случаев появляется необходимость нане­сения нескольких слоев покрытия; уменьшение скорости извлечения изделий снижает производительность работы установок.

При нанесении лакокрасочных материалов способом облива за­кономерности, свойственные окунанию, сохраняются. Слой жидко­сти, подаваемой на единицу поверхности при обливе, в отличие от распыления, превосходит предельную толщину, при которой жид­кость может удерживаться на вертикальных поверхностях за счет сил адгезии и внутреннего трения. Поэтому ее избыток обязательно сте­кает, оставляя на подложке неравномерный по толщине слой, а на нисходящей ее кромке - натеки в виде капель. Продолжительность стекания в основном определяется вязкостью лакокрасочного мате­риала и скоростью испарения вхо­дящих в его состав растворителей и для разных типов лаков и кра­сок составляет 5-15 мин.

Рас. 7.24. Изменение толщины 5 по­крытия из нитратцеллюлозного лака по длине I изделия при различных скоростях извлечения его из ванны

Рис. 7.25. Схема выравнивания слоя лакокрасочного материала при воздействии паров растворителя:

1 - профиль покрытия при обычном окунании; 2 - про­филь покрытия при окунании с выдержкой в парах раство­рителя

Испарение растворителей можно замедлить или исключить, поместив изделие с нанесенным слоем лакокрасочного материала в атмосферу, содержа­щую пары растворителей в относительно высокой концентрации. В результате этого замедляется или прекращается нарастание вязкости и поверхност­ного натяжения лакокрасочного материала и соз­даются условия для его растекания и удаления из­бытка с поверхности (рис. 7.25). Изменяя вязкость исходного мате­риала, концентрацию паров растворителей и продолжительность выдержки в них окрашенных изделий, можно в широких пределах регулировать толщину получаемых покрытий, одновременно улуч­шая их равномерность (рис. 7.26).

Как видно из рис. 7.26, толщина покрытия уменьшается тем ин­тенсивнее, чем выше концентрация паров растворителей в паровой камере; естественно, лакокрасочные материалы с меньшей вязкостью формируют более тонкие покрытия. Опытным путем установлено оптимальное время выдержки покрытий в парах растворителей, при котором сохраняется достаточная толщина и одновременно обеспе­чивается удовлетворительная равномерность покрытий по высоте изделий. При вязкости лакокрасочных материалов 20-40 с по ВЗ-246 и концентрации паров растворителей 15-25 г/м3 это время составляет 8-14 мин.

Рис. 7.26. Зависимость толщины алкидных покрытий от продолжительно­сти выдержки в парах растворителей при вязкости лакокрасочного мате­риала 20 с по ВЗ-246 и разной концентрации паров (а); концентрации паров растворителей 18 г/м3 и различной вязкости лакокрасочного материала (б)

Варианты окрашивания окунанием весьма разнообразны по ап­паратурному и технологическому оформлению (рис. 7.27). В услови­ях мелкосерийного производства применяют стационарные ванны; изделия погружают в них с помощью подъемников, тельферов или вручную (рис. 7.27, А). Для предотвращения распространения испа­ряющихся растворителей в окружающую среду такие ванны, как правило, оборудуются бортовым отсосом. При массовом производ­стве изделия в ванну подают конвейером периодического или непре­рывного действия (рис. 7.27, 6, #), ванну же (стационарную или под­нимающуюся) помещают в камеру, оборудованную вытяжной вен­тиляцией. Ванна непрерывного действия имеет сточный лоток для сбора стекающего с изделий лакокрасочного материала и насос для перемешивания (в случае пигментированных составов). Перемеши­вание красок осуществляется их отбором из верхней части ванны или из кармана и подачей через трубу с отверстиями в нижнюю часть; кратность циркуляции материала 3-5 об/ч. Перемешивать краску в ванне можно также с помощью мешалок или сжатого воздуха; по­следний способ, однако, не распространен.

Окунание с выдержкой в парах растворителей проводится в ван­нах, оборудованных паровым туннелем.

В зависимости от габаритов окрашиваемых изделий объем ванн для окунания колеблется от нескольких литров до нескольких десят­ков кубических метров. Особенно большие по размеру ванны при­меняют при окрашивании сварных конструкций мачт электропере­дач, пола кузовов и кабин автомобилей, щитовых изделий. Ванны для окунания, имеющие объем 0,5 м3 и более, снабжены аварийным сливом - трубой и подземным баком для эвакуации огнеопасного лакокрасочного материала в случае аварийной ситуации. Скорость

А 6 в

Движения конвейеров непрерывного действия при окрашивании оку­нанием обычно не превышает 2,5 м/мин.

Способом окунания можно наносить любые стабильные при хранении лакокрасочные материалы: битумные, глифталевые, пен - тафталевые, мочевино - и меламиноформальдегидные, эпоксидные (горячего отверждения), водоразбавляемые и др. При окрашивании мелких изделий нередко применяют нитратцеллюлозные лаки и эмали. Более удобны для нанесения окунанием непигментирован - ные лакокрасочные материалы. Из пигментированных можно при­менять лишь составы, обладающие высокой седиментационной ус­тойчивостью. Рабочая вязкость лакокрасочных материалов 16-35 с по ВЗ-246. Для их разбавления применяют преимущественно высо - кокипящие растворители: уайт-спирит, сольвент, ксилол, скипидар, этилцеллозольв, бутилацетат. Это уменьшает их потери за счет ис­парения с поверхности ванны и благоприятствует стеканию избытка материала с деталей. В состав маслосодержащих лаков и эмалей вво­дят специальные добавки (кетоксимы, альдоксимы, замещенные фе­нолы), предотвращающие образование пленки на поверхности ван­ны в результате контакта с воздухом.

Для нанесения окунанием пригодны и водоразбавляемые лако­красочные материалы - растворы и дисперсии. В частности, такие материалы нашли применение при окраске автомотодеталей, быто­вых приборов и других изделий массового производства. Для умень­шения поверхностного натяжения и склонности к ценообразованию в состав таких материалов вводят смешивающиеся с водой раствори­тели (спирты, этилцеллозольв, бутилцеллозольв), тиксотропные до­бавки (алкоголяты алюминия, бентонит и др.), полиорганосилокса - ны, а также применяют меры для механического гашения пены (ус­тановка пеногасителя и др.).

Погружение изделий в ванну с краской и их извлечение проводят плавно, без рывков и с умеренной скоростью. Для разравнивания слоя краски на изделиях обтекаемой формы нередко предусматри­вают их вращение после изъятия из ванны. Большие наплывы и не оторвавшиеся капли с нижних кромок изделий удаляют электроста­тическим способом. С этой целью над сточным лотком устанавли­вают электродную сетку и подводят к ней высокое напряжение, а изделие заземляют. Толщина однослойных покрытий, полученных способом окунания, 15-30 мкм. По внешнему виду они соответству­ют III и IV классам. Однако при хорошо налаженной технологии на­несения и отверждения могут быть получены покрытия и более вы­сокого класса. Многоцветные и многослойные покрытия этим спо­собом не получают.

В отличие от окунания, облив позволяет обходиться относитель­но небольшим количеством лакокрасочного материала. Так, при ок­рашивании изделий средних размеров объем используемого лако­красочного материала уменьшается по сравнению с окунанием в 5- 10 раз. Благодаря этому способ облива имеет преимущество перед окунанием в пожарном отношении. Наибольшее применение способ облива получил в варианте струйного нанесения. Выдержка изделий в парах растворителей способствует улучшению внешнего вида по­крытий и положительно сказывается на экономии лакокрасочных материалов. Потери красок при применении струйного облива умень­шаются по сравнению с окунанием на 10-15 %, с пневматическим распылением - на 25-30 %. Удобно использовать струйный облив в условиях крупносерийного и массового производства, так как окра­шивание изделий этим способом осуществляется в автоматическом режиме.

Для нанесения лакокрасочных материалов используются уста­новки струйного облива (рис. 7.28), в которых изделия последова­тельно проходят зону облива и паровой туннель. Обильность облива при окрашивании изделий в зависимости от категории сложности колеблется от 10 до 20 л/м2 поверхности.

Для доведения лакокрасочного материала до заданной вязкости и промывки парового туннеля предусмотрен подвод растворителя из соответствующего бака. Разработаны установки, позволяющие ок­рашивать изделия с максимальным размером до 1600 мм. При скоро­сти конвейера 0,6-1,0 м/мин они обеспечивают производительность по окрашиваемой поверхности 200-250 м2/ч. Для нанесения струй­ным обливом применяют в основном те же лакокрасочные материалы,

Что и для нанесения окунанием, - органо - и водоразбавляемые грунтовки и эмали. Для разбавления используют индивидуальные растворители или их бинарные смеси, в случае водоразбавляемых материалов - водно-спиртовые смеси. Оптимальная температура ла­кокрасочных материалов 17-22 °С. Необходимая концентрация паров растворителей в паровом туннеле создается в результате испарения растворителей в камере облива и с поверхности окрашенных изде­лий. Предельная концентрация паров не должна превышать 50 % их нижнего предела взрываемости. Для контроля концентрации паров служат автоматические сигнализаторы горючих газов типов СГГ-2, СВК-3 и др. Технологические параметры нанесения грунтовок глиф - талевых, масляно-фенолоформальдегидных (I) и эмалей пентафта- левых, мочевиноформальдегидных, меламиноалкидных (II) указаны ниже:

I II

SHAPE \* MERGEFORMAT

Вязкость по ВЗ-246, с Продолжительность облива, мин Концентрация паров растворителя, г/м' Продолжительность выдержки в парах растворителя, мин Толщина покрытия, мкм

Способом струйного облива грунтуют и окрашивают многие из­делия, для которых допускается отделка не выше III класса: узлы и детали комбайнов, тракторов, навесного и санитарно-технического оборудования, отопительные радиаторы, трубы, балки, сварные кон­струкции, электротехническое оборудование и др. Недостатки спо­соба - громоздкость установок и повышенный расход растворителей, достигающий в некоторых случаях 150 % от количества применяе­мых лакокрасочных материалов.

Окрашивание плоских изделий способом налива

Налив представляет собой разновидность способа облива, при ко­тором лакокрасочный материал подается на плоские (или слегка изо­гнутые) горизонтально уложенные изделия в строго дозированном количестве. Дозирование предусматривает подачу на единицу поверх­ности одинакового количества материала, именно такого, при котором исключается его стекание и одновременно достигается хорошее раз­равнивание (растекание) на горизонтальной поверхности. С этой це­лью лак или краску наносят на поверхность в виде плоской струи (за­весы), перекрывающей всю ширину изделия. Такую завесу можно по­лучить, сливая жидкость через горизонтальный порог (плотину) или
узкую щель в стенке или дне сосуда. Если завесу равномерно, с опре­деленной скоростью пронести над изделием или изделие пропустить через завесу (что технически более удобно), то поверхность будет по­крыта равномерным слоем лакокрасочного материала.

На этом принципе основано лакирование и окрашивание многих видов изделий: щитовой мебели, древесностружечных и древесно­волокнистых плит, картона, фанеры, дверных полотен, лыж, бруско­вых материалов и др.

Отличительные особенности способа налива - высокая произво­дительность, малые потери лакокрасочных материалов, возможность нанесения за один слой разных по толщине покрытий (до 300 мкм) - позволяют отнести его к наиболее перспективным способам окра­шивания.

Для нанесения наливом применяют разные по конструкции Ла­коналивные машины. Принцип их работы понятен из рис. 7.29. Лако­красочный материал подается на изделие из наливочной головки. Не попавший на изделие материал (протяженность завесы обычно боль­ше ширины изделия) стекает через приемный лоток в отстойный бак, откуда, освободившись от пузырьков увлеченного им воздуха, вновь возвращается в цикл.

Процесс осуществляется непрерывно; окрашиваемые изделия пе­ремещаются автоматически с помощью транспортирующих устройств. Наиболее ответственная деталь лаконаливных машин - наливочная головка. Она определяет профиль вытекающей струи и расход лако­красочного материала. Нашли применение наливочные головки с донной щелью (наиболее распространенный тип), со сливной пло­тиной, со сливной плотиной и экраном; оптимальное расстояние от наливочной головки до изделия составляет 50-100 мм.

Регулирование подачи красок на изделия в лаконаливных маши­нах осуществляется путем изменения ширины щели, давления или объема поступающего в наливочную головку материала. Толщину покрытий также можно изме­нять, меняя скорость движения транспортирующих изделие
и лакировании мебельных изделий широко применяется лаконалив­ная машина JIM-3. Она имеет две наливочные головки и позволяет окрашивать как плоские части, так и кромки изделий шириной до 2,2 м. Скорость движения изделий можно варьировать в пределах 10-170 м/мин.

Лаконаливные машины - весьма производительный и экономич­ный вид окрасочного оборудования. При автоматизированных пода­че и съеме изделий с транспортера производительность по окраши­ваемой поверхности может достигать десятков тысяч квадратных мет­ров в час.

При нанесении способом налива принципиально нет ограниче­ний в применении любых жидких материалов. Так как способ налива применяется в основном для отделки изделий из древесины, освоено нанесение в первую очередь мебельных лаков и эмалей - нитратцел - люлозных (I) и полиэфирных (II). Ниже приводятся основные тех­нологические параметры их нанесения:

I И

Рабочая вязкость по ВЗ-246, с 80-100 55-100

Скорость движения изделия, м/мин 60-90 50-80

Средний расход материалов, г/м2 120-200 400-500

Толщина однослойных покрытий, мкм 25-40 200-300

Компоненты полиэфирных лаков смешивают непосредственно перед нанесением (в случае машин с одной головкой) или в процессе нанесения (при использовании машин с двумя наливочными голов­ками). Способом налива можно наносить однослойные и много­слойные, однородные или разнородные покрытия. При нанесении окрашивается только одна сторона изделия - верхняя. Если необ­ходимо окрасить обратную сторону или торцы (кромки) изделий, их переворачивают и процесс повторяют. Наиболее часто встре­чающийся дефект покрытий - газонаполнение. Оно возникает в результате попадания воздуха в струю краски или ее микродис­пергирования при соприкосновении с быстродвижущейся поверх­ностью. Устранение этого и других дефектов достигается измене­нием параметров лакокрасочного материала (вязкости, поверхно­стного натяжения) и режимов работы машин. В процессе налива и при последующем транспортировании изделий до сушилки про­исходит испарение растворителей или мономеров. Поэтому в кон­струкциях лаконаливных машин предусматривают местный отсос, а помещения, где проводится окрашивание, оборудуют общей вен­тиляцией.

Окрашивание длинномерных изделий способом протягивания

Длинномерные изделия, имеющие постоянное поперечное сече­ние по длине (карандаши, плинтусы, карнизы, проволока, отрезки труб небольшого диаметра), удобно окрашивать путем их протяги­вания через ванну с лакокрасочным материалом (рис. 7.30).

Излишки материала при этом удаляются ограничительными коль­цами (шайбами из резины), перекрывающими вход и выход изделий из ванны. Роль ванны может выполнять пористый материал (поро­лон, фетр, тканевый пакет), плотно обжимающий покрываемую поверхность. Дозирование лака или краски на пористый материал осуществляют через трубку или фитильным способом. При протя­гивании изделия через пористый материал, пропитанный лаком, по­следний откладывается тонким слоем на поверхности изделия. Этим способом проводят, в частности, лакирование проводов на предпри­ятиях электротехнической промышленности.

Для лакирования и окрашивания способом протягивания при­меняют как быстро-, так и медленносохнущие лакокрасочные мате­риалы: нитратцеллюлозные, алкидные, полиэфирные, эпоксидные (одноупаковочные) и др. Так, карандаши покрывают нитратцеллю - лозными лаками и эмалями с относительно высокой вязкостью и содержанием сухого остатка 50-60 %. Вытолкнутый из ванны каран­даш поступает на приемный (сушильный) транспортер.

Для покрытия проволоки в основном применяют лаки с низко­летучими растворителями (керосин, уайт-спирит, крезолы и др.); покрытия отверждают в сушилках конвективного или индукционно­го типа при высоких температурах. Толщина однослойных покры­тий при протягивании небольшая - 2-5 мкм, поэтому предусматри­вается нанесение нескольких слоев - от 2 до 12.

Способ протягивания производителен, достаточно экономичен, позволяет механизировать и автоматизировать окрасочный процесс, однако имеет большие ограничения по форме покрываемых из­делий.

Наиболее простым и экономически выгодным для мелких изде­лий массового изготовления (пистоны для обуви, крючки, петли, пряжки, болты, гайки, рукоятки для инструмента и др.) является способ окрашивания в барабанах. Применяют барабаны с механиче­ским приводом, обеспечивающие слив лакокрасочного материала и нередко высушивание изделий при вращении. В последнем случае предусмотрена подача в барабан теплого воздуха и отвод из него па­ров растворителей. Изделия загружают в барабан обычно на 1/3—2/3 объема. Лакокрасочный материал заливают с таким расчетом, чтобы полностью смочить изделия. Время вращения барабана 5-7 мин, час­тота вращения 75-120 об/мин. Если покрытия высушивают вне бара­бана, то изделия выгружают на сетки и после стекания избытка крас­ки направляют в сушилку.

Имеются конструкции барабанов, в которых окрашивание изде­лий осуществляется не погружением в лакокрасочный материал, а его распылением. При этом в случае термореактивных лаков и кра­сок возможно их многослойное нанесение с сушкой каждого слоя непосредственно в барабане при его вращении. Вместо барабанов могут быть использованы центрифуги. Изделия загружают в перфо­рированную корзину центрифуги, опускают в емкость с краской и после изъятия из нее центрифугу приводят во вращение для удале­ния избытка краски и высушивания изделий.

Для нанесения в барабанах и центрифугах применяют преиму­щественно быстросохнущие лакокрасочные материалы - битумные и нитратцеллюлозные лаки и эмали, а также водные краски. Их вязкость в каждом конкретном случае подбирают опытным путем. Покрытия имеют невысокий класс отделки (не выше III), встре­чаются дефекты в местах соприкосновения изделий, возможны потеки.