Анализ полимерно-порошковыхпокрытий и методов их нанесения на поверхность Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 678

Р. Ф. Гатиятуллина, А. Н. Бадрутдинова

АНАЛИЗ ПОЛИМЕРНО-ПОРОШКОВЫХПОКРЫТИЙ И МЕТОДОВ ИХ НАНЕСЕНИЯ НА ПОВЕРХНОСТЬ

Ключевые слова: Полимерно-порошковое покрытие, коронный разряд, методы нанесения покрытий.

В статье представлен анализ полимерно-порошковых покрытий, их свойства и область применения. Рассмотрены методы нанесения данных покрытий на поверхность, дана их подробная классификация по различным признакам: конструктивные формы применяемого оборудования; физическое состояние осаждае-мо-го материала (твердые частицы, расплавленные частицы, аэрозоли и т. д.); принцип осаждения (схема) и удержания порошка на твердой поверхности.

Keywords: Powder coating, corona discharge, coating methods.

The paper presents an analysis of the polymer powder coatings, their properties and applications. The methods of applying these coatings to the surface, given their detailed classification by time-personal attributes: constructive forms of equipment used; physical condition settleability second material (solid particles, molten particles, aerosols and the like. d.); principle deposition (scheme) and retaining the powder on the solid surface.

Полимерно-порошковое покрытие (ППП) -это твердая дисперсная многокомпонентная система, в состав которой входят специальные пленкообразующие смолы, отвердители, пигменты, наполнители и целевые добавки. Плёнкообразователями для порошковых красок могут служить как олигомеры (например, эпоксидные и полиэфирные смолы), так и различные полимеры - поливинилбутираль, поли-винилхлорид, полиакрилаты, полиамиды, полиэтилен, фторопласты, пентапласт, эфиры целлюлозы, полиуретаны [1].

Широким распространением ППП (особенно термоотверждаемые на основе эпоксидных, полиэфирных и полиуретановых полимеров) обязаны, прежде всего, тому, что они не содержат растворителей и на 99,5% состоят из веществ, которые при отверждении превращаются в тонкослойное, практически непроницаемое для влаги, кислорода, кислот, солей и других химических веществ высокопрочное и твердое абразивостойкое покрытие со сроком службы, превышающим порой срок службы изделия [2, 3].

В зависимости от состава ППП классифицируются на следующие группы [4, 5], представленные в таблице 1.

Таблица 1 - Классификация полимерно-порошковых покрытий

Наимено- Общая Физико- Примене-

вание химиче- механиче- ние

покрытий ская формула ские свойства

1 2 3 4

Эпоксид- Л Высокая Для объек-

ные химическая стойкость, эластичность, ударная прочность тов, используемых внутри и вне помещения

Полиэфир- [(O)CRC(O Атмосфе- Для объек-

ные )-OR'O—]n ростойкие, тов, исполь-

и [-RC(0)- очень вы- зуемых вне

O-]n, где R сокими помещения

двухва- механиче-

лентные ские свой-

орградика- ства

лы

Полиэфир- [(0>ЖС(0 Атмосфе- Для объек-

ные )^'0—]п ростойкие, тов, ис-

и [^С(0)- очень вы- пользуе-

0-]п, сокими мых вне

где R и R механиче- помещения

двухва- ские свой-

лентные ства

орградика-

лы

Эпокси- В состав По сравне- В декора-

полиэфир- входят нию с тивных

ные эпокси- и эпоксид- целях

полиэфир- ными крас-

ные плён- ками эпок-

кообразо- си-

ватели, полиэфир-

реагирую- ные обла-

щие друг с дают более

другом при высокой

отвержде- стойкостью

нии к пожелте-

нию

Полиуре- [3/4А3/40С Особый Для защи-

тановые 0НШ/4А' - декоратив- ты изделий,

ЫНС003/4 ный эффект подвер-

]п,где А — - текстура гающихся

углеводо- жатого трению,

родный шелка абразивно-

остаток, А' му износу

— остаток

диизоциа-

ната)

Термопластичные порошковые краски

Поливи- [—CH2— Бензостой- Для окра-

нилбути- CH кие и абра- ски объек-

раль (OCOCH3) зивостой- тов внутри

—] n кие, вы- помеще-

держивают ния.

воздейст-

вие водных

и солевых-

сред

Окончание табл. 1

1 2 3 4

Поливи- (-СН2- Устойчи- Для окра-

нилхлорид СНС1-)п вые к дей- ски объек-

ствиям тов внутри

моющих помещения

средств, и для

атмосферо- внешних

стойкие объектов

Полиамид (-Я-ЫНСО- Адгезия Для внут-

)п недоста- ренних и

точно вы- наружных

сока и не- работ

стабильна.

Высокая

твердость и

прочность,

устойчивы

к истира-

нию, к воз-

действию

раствори-

телей.

Полиэли- СН2 = СН2 Повышен- Для защи-

финового ная адгези- ты поверх-

типа онная ностей

прочность,

склонность

к растрес-

киванию,

атмосферо-

стойкость

не очень

высока

Доля ППП на рынке ППП промышленного назначения составляет 12 - 15%. Большая их часть используется для окраски металлической мебели, бытовой техники, в специализированной промышленности и в строительстве (рис. 1) [6].

Рис. 1 - Рынки потребления ППП (доли в % по количеству): 1 - общего назначения по металлу (35); 2 - покрытия приборов (21); 3 - автомобильные покрытия (8); 4 - строительного назначения (20); 5 - для металлической мебели (13); 6 - специальные покрытия

Методы нанесения порошковых полимерных покрытий на поверхность весьма разнообразны. Их классификации возможна по разным признакам: конструктивные формы применяемого оборудования; физическое состояние осаждаемого материала (твердые частицы, расплавленные частицы, аэрозо-

ли и т. д.); принцип осаждения (схема) и удержания порошка на твердой поверхности.

Классифицировать методы нанесения также можно по природе носителей частиц порошкового материала; по характеру энергетического воздействия на порошковый полимер, приводящего к формированию покрытия и т. д. Такая классификация является условной, при этом некоторые способы могут быть в одном или в различных классификационных подразделениях.

Наибольшее признание получили следующие способы нанесения порошковых материалов на поверхность: в кипящем слое, в ионизированном кипящем слое, газопламенный, струйный, электростатическое распыление, насыпание, в облаке заряженных частиц, плазменный и др. [7].

Нанесение порошков в электростатическом поле. Все методы получения покрытий, в которых используются электростатические силы для нанесения порошковых материалов на изделия, обусловлены одним и тем же признаком — электризацией частиц, что и лежит в основе электронно-ионной технологии, сущность которой заключается в том, что при внесении частицы полимера в электростатическое поле силы поля непосредственно воздействуют на нее, сообщая способность направленного перемещения. При этом движение частиц может происходить в среде воздуха при атмосферном давлении.

Методы электростатического нанесения отличаются многими достоинствами: легкостью регулировки процесса, возможностью его автоматизации, высокой производительностью, отсутствием предварительного нагрева изделий, равномерностью покрытий по толщине, возможностью получения покрытий на тонкостенных изделиях, а также на изделиях, изготовленных из разнородных материалов.

Теоретические основы процессов осаждения аэрозольных частиц на изделиях с применением сильных электрических полей изложены в литературе [9, 10, 11, 12].

Существует несколько способов зарядки

частиц:

1) контактная электризация — частицы порошка приобретают заряд, соприкасаясь с металлическим электродом; электризация возникает также при трении частиц друг о друга или при трении частиц о другие материалы (стекло, эбонит, фторопласт и т. д.);

2) электризация поляризацией — молекулы аэрозоля, содержащие диполи, ориентируются по направлению силовых линий электрического поля;

3) электризация ионной абсорбцией — под влиянием сильного неоднородного электростатического поля происходит процесс ионизации воздуха с передачей электрического заряда аэрозольным частицам.

Третий способ является наиболее эффективным. Посредством него аэрозолю может быть сообщен сравнительно большой заряд, в результате которого частицы будут оседать и длительно удерживаться на изделии, заряженном противоположно.

На зарядку диэлектрических частиц существенно влияет электропроводность наносимого материала. Осаждение заряженных частиц на поверхности изделия во многом зависит от удельного объемного сопротивления ру порошкового материала. Материалы, у которых ру< 106 Ом^м, при осаждении полностью отдают свой заряд изделию, приобретая равнозначный ему заряд; поэтому частицы отталкиваются от изделия и осыпаются. Порошки с ру = 1 • 106^5-1012 Ом^м труднее отдают свой заряд изделию. Отекание заряда происходит постепенно и растягивается во времени. Это создает возможность удержания на поверхности относительно большой массы порошкового материала и получения покрытий достаточной толщины.

Порошки материалов, имеющих ру>5^1012 Ом^м, из-за низкой электропроводности сохраняют заряд в осажденном слое, что приводит к возникновению обратной короны, при которой порошок осыпается и появляются игольчатые проколы и поры в осевшем слое. Показана возможность применения для покрытий порошковых материалов с ру = 10141018 Ом^м, однако порошки должны иметь крайне высокую дисперсность. При электростатическом нанесении такие порошки образуют тонкие плотные слои и соответственно тонкие ровные покрытия.

Методы нанесения порошков с применением электростатических сил

Электростатическое распыление порошков. При этом методе аэрозоль порошковой краски создается распылительными устройствами. Порошок наносится на холодную или на горячую деталь. Последующее формирование покрытия может быть проведено как нагреванием детали, так и выдержкой ее в парах или аэрозоле растворителя.

Метод электростатического распыления в последние годы получил исключительно широкое применение при получении покрытий из порошковых красок и в настоящее время является доминирующим [12].

Нанесение порошков в ионизированном кипящем слое. Сущность этого метода заключается в том, что холодное изделие погружают в ионизированный «кипящий» слой порошкового материала, находящийся под воздействием электрического поля высокого напряжения, при этом частицы полимера заряжаются и под действием электростатических сил равномерно оседают на изделии. В основе механизма осаждения частиц лежит принцип ионной адсорбции.

Метод получения полимерных покрытий в ионизированном кипящем слое имеет ряд преимуществ перед другими способами: не требует распылительных устройств, практически отсутствуют потери наносимого материала, процесс легко автоматизируется. С помощью этого метода удобно покрывать тонкостенные изделия сложной конфигурации. Как и при электростатическом распылении достигается хорошее качество покрытий [13].

Электрофоретическое нанесение порошков. Холодное изделие погружается в кипящий слой порошкового материала между двумя плоскими металлическими листами — электродами, находящи-

мися непосредственно в кипящем слое. На эти электроды (пластины) подается отрицательный полюс от высоковольтного источника постоянного тока. Положительный полюс источника, соединенный с изделием, заземляется. При опускании изделия в ванну кипящего слоя частицы порошковой краски, соприкасаясь с электродами, заряжаются контактным способом, приобретая отрицательный заряд, и под влиянием электростатических сил перемещаются и оседают на изделии. Затем изделие перемещается в печь для формирования покрытия [14].

Нанесение порошков в облаке или потоке заряженных частиц. При этом методе осаждение порошка на детали осуществляется в аэрозольном облаке отрицательно заряженных частиц [15]. Носителем заряженных частиц в данном случае (в отличие от других способов электростатического нанесения) являются не столько силы электростатического поля, сколько поток турбулизированного воздуха. Поэтому заряженные аэрозольные частицы легко проникают в полости, сильно углубленные места поверхности и даже в щели. Вследствие малых размеров аэрозольных частиц возможно явление электростатической коагуляции. Следовательно, облако заряженных частиц не должно быть плотным.

Метод осаждения в облаке заряженных частиц позволяет наносить порошковые материалы на изделия сложной конфигурации, имеющие углубления, пазы и полости. Особенно успешно он зарекомендовал себя в электротехнической и радиоэлектронной промышленности при нанесении пазовой изоляции на якоря и статоры электрических машин, защите трансформаторов и других изделий [16].

Трибоэлектрический метод нанесения порошков. Этот метод заключается в пневматическом распылении порошковой краски с помощью распылителя, изготовленного из диэлектрика, в котором частицы электризуются и приобретают заряд в результате трения. При выходе из распылителя одноименно заряженных частиц возникает эффект электростатического рассеяния частиц порошкового материала. В результате заряженные частицы осаждаются равномерно и в углубленных местах [17].

Струйное напыление. При струйном методе порошковую краску наносят на предварительно нагретую деталь из специального распылителя. Этот метод предназначен главным образом для покрытия толстостенных изделий, обладающих большой теплоемкостью, и крупногабаритных изделий. Также удобно покрывать отдельные участки поверхности изделий, в том числе труднодоступные полости, углубления, щели. Метод отличается простотой, сравнительно большой производительностью и позволяет получать покрытия удовлетворительного качества [18].

Газоплазменное напыление. Метод газопламенного или газотермического получения покрытий основан на нагреве пленкообразователя (порошка) до вязкотекучего состояния и его распыления газовой струей на предварительно нагретое изделие [19, 20, 21]. Нагретые частицы с большой скоростью направляются на изделие и при ударе сцеп-

ляются с поверхностью и друг с другом, образуя сплошное покрытие.

Длительность контакта порошка с горячими газами составляет сотые и тысячные доли секунды. Однако за это время полимер успевает нагреться до 120—150 °С и выше и перейти в вязкотекучее состояние, при котором возможна коалесценция частиц на нагретой поверхности изделия. Коалесценция обусловлена действием сил межмолекулярного притяжения. В зависимости от требований к покрытию и характера напыляемого материала можно наносить один или несколько слоев, а общая толщина покрытия может колебаться от долей миллиметра до нескольких миллиметров.

Метод газопламенного напыления пригоден для нанесения покрытий на крупногабаритные изделия. Вследствие термоокислительных процессов покрытия даже из инертных полимеров, например полиэтилена, имеют хорошую адгезию. Однако слишком высокая температура пламени (до 1500 °С) при неустойчивом режиме при неустойчивом режиме неблагоприятно сказывается на других свойствах покрытий. Например, механические свойства и химическая стойкость покрытий ниже, чем у покрытий, изготовленных другими способами. По этой же причине очень трудно получать декоративные покрытия. Недостатком метода является и малая производительность (3—4 м2/ч). Все это сильно ограничивает применение способа газопламенного напыления. Он используется в основном для заделки раковин, облицовки сварных швов, уплотнения соединений, герметизации изделий. В частности, им пользуются взамен наплавки припоев при выравнивании поверхности мотоциклов, кабин грузовых и кузовов легковых автомобилей, а также деталей оперения от следов сварных швов, вмятин, волнистости и других дефектов.

Плазменное напыление. Сущность плазменного напыления заключается в том, что в высокотемпературную плазменную струю подаётся распыляемый материал, который нагревается, плавится и в виде двухфазного потока направляется на подложку. При ударе и деформации происходит взаимодействие частиц с поверхностью основы или напыляемым материалом и формирование покрытия.

Достоинствами плазменного метода являются: относительно высокая производительность, отсутствие применения взрывоопасных газов и устранение загрязнения окружающей среды, отсутствие окисления напыляемого материала и подложки, достаточная портативность оборудования. Покрытия этим методом можно получать прямо на рабочем месте в сборочных цехах предприятия.

Плазменный метод позволяет наносить практически любые материалы, в том числе и тугоплавкие. Особенно удобным он оказался для нанесения фторопластов. Для получения покрытий плазменным методом применяется специальная аппаратура.

Магнитный метод. При этом методе порошок полимера наносится на горячую деталь в зоне действия сильного магнитного поля напряженностью 16—160 кА/м и более. Под действием магнит-

ного поля возникает ориентация частиц и структурных образований полимера в пленке, в результате чего улучшаются физико-механические свойства покрытий. Так, адгезионная прочность ПЭВП при напряженности магнитного поля 64 кА/м увеличилась на 24—32%. Повысилась твердость и износостойкость покрытия, внутренние напряжения снизились на 20—50%.

Электроискровой метод. В искровом промежутке между изделием и коронирующим электродом создается электростатическое поле напряженностью 500—30 000 кВ/м. В него вводят частицы полимерного материала. Под действием низковольтных электрических импульсов высокой силы тока частицы порошка нагреваются и под действием электростатического поля наносятся на поверхность изделия, где коалесцируют с образованием равномерного покрытия.

При данном методе отпадает необходимость в применении нагревательных устройств для формирования покрытий; способ позволяет покрывать крупногабаритные изделия и автоматизировать процесс.

Получение покрытий в вакууме состоит в следующем: заземленное изделие помещают в камеру, в которой создают вакуум (остаточное давление 2,7—0,027 кПа). Затем в камеру подают порошок, а решетку подключают к источнику высокого напряжения, при этом порошок мгновенно оседает на поверхности изделия.

Теплолучевой метод нанесения порошков -'разновидность струйного метода и отличается от последнего тем, что поверхность изделия предварительно нагревается кварцевыми лампами или ТЭ-Нами, смонтированными на распылителе. Недостаток этого способа заключается в том, что поверхность покрытия получается не всегда гладкая, кроме того, метод требует от рабочего большого навыка.

Метод насыпания или вибронасыпания. Порошок насыпают через сито на холодную или предварительно нагретую деталь. Сплавление происходит при последующем нагревании детали с порошком или одновременно с насыпанием порошка за счет тепла, аккумулированного деталью.

Удержанию порошка на вертикальных поверхностях способствует нанесение клейких веществ, роль которых в ряде случаев могут выполнять грунтовки из медленно высыхающих и отвер-ждающихся материалов (эпоксидных, алкидных, мочевиноформальдегидных и т. д.).

Нанесение порошков в виде водной суспензии. Порошковые полимеры или краски суспендируют в воде с добавлением водо-растворимых катализаторов, ПАВ и других веществ, способных реагировать с металлической поверхностью. Полученную суспензию с содержанием сухого вещества 30—50% наносят распылителем аналогично жидким краскам.

При удалении воды и последующем нагревании мелкодисперсные частицы полимера образуют тонкое покрытие. В зависимости от природы пленкообразователя могут быть получены покрытия с различными свойствами. Технологический про-

цесс их получения взрывобезопасен, условия труда

хорошие [7].

Литература

1. Бодо Мюллер, Ульрих Пот. Лакокрасочные материалы и покрытия. Принципы составления рецептур. - М.: ООО «Пейнт-Медиа», 2007. - 237 с.

2.Музыкантов В.Н. Нанесение полимерных порошковых композиций на металлические и неметаллические изделия.

3. Химическая энциклопедия

4.Антошин Е. В., Немковский И. А. Нанесение покрытий из полимерных материалов способом газопламенного напыления. М., «Машиностроение», 1967. 103 с.

5.Гаврилова В. А., Кашапов Н. Ф. Коронный разряд для полимерно-порошковых покрытий // Вестник КГТУ. -2010. - №7. С. 117 - 125;

6. Jim Ridge. European market of polymer-powder coatings. European Coatings Journal, 2007, № 2, p. 18 - 19

7.Яковлев А.Д., Здор В.Ф., Каплан В.И. Порошковые полимерные материалы и покрытия на их основе. 2-е изд., перераб. - Л.:Химия, 1979. - 256 с.

8.Гарин В.Н., Долгополов Н.Н. Полимерные защитные и декоративные покрытия строительных материалов. - М.: Стройиздат. 1975г. 190 с.

9.Верещагин И.П., Левитов В.И., Мирзабекян Г.З., Пашин М. М. Основы электрогазодинамики дисперсных систем. - М.: Энергия, 1974.

10. Лившиц М.Н., Моисеев В.М. Электрические явления в аэрозолях и их применение. Л.: Энергия, 1965, 224 с.

11. Лившиц М.Н. Электроэмалирование санитарно-технических изделий. - М.: Стройиздат, 1975, 97 с.

12. Брок Т. И др. Европейское руководство по лакокрасочным материалам и покрытиям./Т.Брок, М. Гротэкла-ус, П.Мишке. - М.: Пейнт-Медиа, 2007. - 548 с.

13. Справочник. Лакокрасочные покрытия. Технология и оборудование. М.:Химия, 1992. 415 с.

14. Сафронов А.П., Калинина Е.Г., Котов Ю.А., Мурзака-ев А.М., Тимошенкова О.Р. // Электрофоретическое осаждение нанопорошков на пористой поверхности. Российские нанотехнологии. 2006. Т. 1, № 1-2. С. 162169.

15. Ляпин А.Г. Нанесение порошковых материалов в электрическом поле. - М.: Энергия, 1967, 244 с.

16. Антошин Е.В. Газотермическое напыление покрытий. - М.: Машиностроение, 1974, 96 с.

17. Котляровский Л.Н. Трибоэлектрический распылитель порошковых красок. Лакокрасочные уатеркалы и их применения. 1983, №3, стр. 46.

18. Галяутдинов Р.Т.Высокочастотный индукционный разряд для получения двухслойных просветляющих покрытий / Галяутдинов Р.Т.,Кашапов Н.Ф. // Вестник технологического университета, - №15,-2011. -С.132-133.

© Р. Ф. Гатиятуллина - ст. препод. каф. моды и технологий КНИТУ, [email protected]; А. Н. Бадрутдинова - ст. препод. той же кафедры, [email protected].

© R. F. Gatiyatullina -senior lecturer of fashion and technology KNITU, [email protected]; A. N. Badrutdinova - senior lecturer of fashion and technology KNITU, [email protected].