Химия и технология лакокрасочных покрытий

ОТВЕРЖДЕНИЕ ПОКРЫТИЙ, ПОЛУЧАЕМЫХ ИЗ ПОРОШКОВЫХ КРАСОК

Отличительные особенности порошковых лакокрасочных мате­риалов - полное отсутствие жидких компонентов (растворителей, воды) и аэрозольное состояние материала (дисперсии твердое тело - воздух) - определили некоторые особые подходы к формированию покрытий.

Традиционная технология получения из них покрытий связана с нагреванием изделий с нанесенным порошковым материалом. Тем­пературные параметры отверждения для большинства термореак­тивных красок лежат в пределах 160-200 °С, термопластичных - 200- 350 °С. Для их отверждения потенциально пригодны все известные способы теплового воздействия. Из соображений ’’мягкого" нагрева и возможности широкого варьирования формы изделий наибольшее применение получил конвективный способ, несколько меньше ис­пользуются терморадиационный и индукционный.

Порошковые краски, как дисперсные системы, обладают значи­тельно меньшей теплопроводностью, чем жидкие. Вследствие боль­шого содержания воздуха (от 50 до 80 % об.) слой любого порошково­го состава (особенно непигментированного) представляет определен­ный тепловой барьер для доступа теплоты к поверхности субстрата. При конвективном нагреве плавление порошка начинается с поверх­ности, постепенно продвигаясь внутрь образца. Это особенно замет­но на термопластичных пленкообразователях с высокой температу­рой размягчения и высокой вязкостью расплавов. ИК-излучение также значительно рассеивается слоем порошкового материала. Прони­кающая способность лучистой энергии растет с уменьшением длины волны и с увеличением мощности излучения. Время нагрева изделий до заданной температуры при ИК-воздействии обычно в 3-10 раз меньше, чем при конвективном.

Другая особенность порошковых красок - относительно корот­кий цикл отверждения (5-20 мин) - обусловливает необходимость обеспечения постоянства температуры как по сечению, так и по вы­соте нагревательных устройств во избежание недоотверждения или переотверждения покрытий. Допускаются колебания температуры не более 2,5 °С. В установках терморадиационного нагрева по этой же причине нежелательно формирование покрытий на разнотолщинных изделиях. Вариации по толщине отдельных частей изделия, равно как и разных изделий, на одном конвейере не должны превышать 4:1.

Из-за малого содержания летучих веществ в порошковых крас­ках (не более 1 %) кратность обмена воздуха в установках отвержде­ния порошковых красок в несколько раз меньше, чем при отвержде­нии жидких, содержащих растворители. Допускается применение естественной вентиляции.

Для отверждения покрытий из порошковых красок, в зависимо­сти от объема производства, габаритов и формы изделий, применяют разные по конструкции и форме нагревательные устройства: тупи­ковые (камерные), проходные (туннельные), горизонтальные, верти­кальные, с тепловым подпором (горбатые), одноходовые (прямоточ­ные), многоходовые, с циклическим движением конвейера. Они мо­гут быть электрическими, газовыми, на жидком топливе.

Стремление к ускорению процессов отверждения и снижению энергозатрат привели в последнее время к появлению новых методов формирования покрытий, в частности с использованием жидких те­плоносителей, высокотемпературного нагрева, УФ - и лазерного из­лучения.

Применение жидких теплоносителей. В этом случае в качестве теплоносителя используют не нагретые газы, как обычно, а жидко­сти - расплавы металлов (сплав Вуда С-1), нитрит-нитратную смесь (сплав СС-4), жидкие силиконы, углеводородные масла и др. Вслед­ствие высоких коэффициентов теплопроводности (в тысячи раз боль­ше, чем у воздуха) и теплопередачи продолжительность формирова­ния покрытий из термопластичных полимеров (фторопласты, пен­тапласт, полиэтилен, поливинилхлоридные составы) сокращается в десятки раз (рис. 8.10).

Рис. 8.10. Зависимость продолжительно­сти формирования покрытий из порошка пентапласта от температуры:

1 - на воздухе; 2-в среде сплава С-1

Жидкая инертная среда (в отличие от воздуха) резко уменьшает термо­окислительную деструкцию полиме­ров, что позволяет получать покрытия в широком интервале температур (на­пример, для фторопластов до 350 °С, полиэтилена - до 300 °С). При этом время формирования покрытий сокращается до нескольких секунд.

Способ получения покрытий в среде жидких теплоносителей по­ка имеет ограниченное применение. С его помощью получают по­крытия функционального назначения на мелких изделиях из метал­ла (защита режущего инструмента, предметов бытового назначения, деталей гальванических ванн). Сформированные покрытия быстро охлаждают в воде, при этом одновременно решаются вопросы про­мывки и закалки в случае кристаллических полимеров.

Термореактивные краски (эпоксидные, полиэфирные, гибридные и др.) допускают высокотемпературный нагрев не только в жидких теплоносителях, но и на воздухе при использовании как конвектив­ного, так и терморадиационного способов.

Применение высокотемпературного нагрева, В случае порошко­вых лакокрасочных материалов, как и жидких, существует экспонен­циальная зависимость между температурой (Т) и временем формиро­вания покрытий (т). С повышением температуры резко сокращается продолжительность образования качественных покрытий. Это можно видеть, в частности, на примере эпоксидных порошковых красок:

Т, с, при Ту °С*

TOC o "1-5" h z 200 220 250 280 350

Конвективный нагрев 600 360 240 120 60

ИК-нагрев (средневолновой) - 60 40 25 15

* Т-температура поверхности подложки.

С повышением температуры формирования покрытий сущест­венно увеличивается их адгезия. Так, полиэфирные покрытия, сфор­мированные на стали при 280 °С за 2 мин, имеют адгезионную проч­ность в 1,5 раза выше, чем полученные по типовому режиму 200 °С - 10 мин. Особенно эффективной для отверждения порошковых кра­сок является ближняя к видимой область ИК-излучения.

На этом принципе зарубежными авторами разработана так на­зываемая NIR-технология (Near Infra Red) получения покрытий из термореактивных порошковых красок. Суть ее заключается в том, что порошковую краску отверждают ИК-излучением высокой ин­тенсивности с длиной волны 740-1200 нм (ламповое излучение). При этом покрытие формируется за 10-30 с. Высокую скорость отвер­ждения авторы объясняют большой проникающей способностью такого излучения и возможностью вызывать колебательные движе­ния макромолекул, обусловливающие быстрый нагрев. Температура формирования покрытий около 350 °С. Промышленное применение NIR-технология нашла, в частности, при окрашивании алюминие­вых профилей.

Разновидностью высокотемпературного формирования покры­тий является лазерное отверждение. Оно изучено JI. Н. Машляков - ским с сотрудниками на примере порошковых эпоксидных красок.

Порошковый материал, нанесенный на поверхность, подвергает­ся сканированию лучом ИАГ-лазера с длиной волны 1,0-1,1 мкм. Проникая через слой порошка, излучение вызывает его нагрев и ин­дуцированное фотохимическое стимулирование реакции отвержде­ния, способствующее быстрому (3-20 с) формированию покрытий. Покрытия, полученные этим способом, превосходят по многим свой­ствам (адгезия, химическая стойкость) равнозначные покрытия тра­диционного теплового отверждения.

Фотохимическое отверждение, широко применяемое для полу­чения покрытий из жидких лакокрасочных материалов (см. раздел 8.2), в последнее время приобретает исключительно большой инте­рес в технологии покрытий из порошковых лакокрасочных материа­лов. Этому способствует разработка серии твердых ненасыщенных пленкообразователей (полиэфиров, полиуретанакрилатов, смесевых винилово-малеинатных полиэфиров), порошковых красок и соот­ветствующего оборудования для их отверждения.

Процесс отверждения композиций осуществляется по механизму гомополимеризации по двойным связям, инициируемой радикалами (R*)> которые возникают при распаде фотоинициаторов (ФИ). Так, для винилово-малеинатной системы, образующей донорно-акцепторный комплекс между малеинатными (МА) и виниловыми (ВЭ) двойными связями, реакция полимеризации протекает следующим образом:

МА + ВЭ — [МА—ВЭ]*; ФИ R-

[МА—ВЭ]* + R - R— МА—ВЭ-МА-ВЭ-

Отличительная особенность фотоотверждения порошковых кра­сок - высокая скорость процесса (1-2 мин) при относительно низких

?- ш/

Температурах (100-120 °С). Это позволяет получать покрытия с ми­нимальными энергозатратами при использовании не только термо­стойких, но и нетермостойких субстратов (древесина, древесные ма­териалы, пластмассы и др.).

Технологический процесс получения покрытий включает три ста­дии: 1) нанесение порошкового материала; 2) его расплавление воз­действием ИК-излучения при 100-120 °С в течение 30-120 с; 3) фото­отверждение. Этот способ нашел применение для окрашивания дре­весных материалов - плит ДСП, ДВП, корпусов электродвигателей и других изделий, в первую очередь сочетающих термостойкие и не­термостойкие элементы.

Ускорение процесса отверждения покрытий, получаемых в рав­ной степени как из порошковых, так и жидких лакокрасочных мате­риалов, - важный фактор экономии средств и повышения произ­водительности труда. Указанная задача может решаться как путем создания соответствующих ускоренно отверждаемых материалов (син­тез новых пленкообразователей, использование более эффективных катализаторов и ускоряющих систем и др.), так и посредством со­вершенствования технологии покрытий (освоение новых способов и оборудования, направленного управления процессами отверждения).

Не менее важное значение в экономическом отношении имеет правильный выбор энергоносителей и экономное их использование. Искусственное отверждение покрытий в основном связано с исполь­зованием природного газа, сжиженного газа (пропан-бутановая фрак­ция), дизельного топлива, электроэнергии. Наиболее дешевым энер­гоносителем на внутреннем рынке является природный газ. Сжи­женный газ примерно в 5 раз дороже природного газа, но по теплотворной способности он превосходит его. Дизельное топливо - не слишком дорогой, но не всегда стабильный энергоноситель. Элек­троэнергия наиболее удобна для обслуживания и эксплуатации на­гревательных установок, однако ее использование обходится почти в 10 раз дороже, чем применение природного газа.