Способы нанесения порошковых лакокрасочных материалов

Появление в середине XX века нового вида ЛКМ (порошковых красок) привело к необходимости разработки способов их нанесения на поверхность подложки. Поэтому одновременно с разработкой порошковых красок создавались соответствующие способы и оборудование для нанесения порошковых лакокрасочных материалов [25, 26].

Наиболее широко распространены способы, при которых перевод порошка в состояние аэрозоля достигается распылением или псевдоожижением, а его удержание на поверхности – за счёт электролизации частиц или нагревания. Выбор того или иного способа определяется типом лакокрасочного материала, характером покрываемых изделий, требованиям к покрытиям [27].

Нанесение способом электростатического распыления является наиболее распространённым способом. В электрическом поле представляется возможным наносить порошковые лакокрасочные материалы без предварительного нагрева изделий. Благодаря этому, а также возможности получения тонких покрытий хорошего качества, относительно большой производительности способ получил широкое распространение; около 80 % порошковых лакокрасочных материалов наносят этим способом [28].

Рисунок 2.4 – Классификация способов нанесения порошковых лакокрасочных материалов

В основе электростатического нанесения порошков, как и жидких красок, лежит принцип электризации частиц, находящихся в состоянии аэрозоля. Перевод порошков в аэрозоли осуществляется псевдоожижением, а их транспортировка к распылителю – пневматически по шлангам. Зарядка частиц (контактная или посредством ионной адсорбции) достигается воздействием внешнего поля или трением.

Вследствие высокого электрического сопротивления порошковых красок приобретённый их частицами заряд длительно сохраняется при контакте с любой (в том числе электропроводящей) поверхностью. Это позволяет транспортировать заряженные частицы (аэрозоль), а также перемещать изделия с нанесённым на них порошком, не опасаясь осыпания частиц с поверхности.

С другой стороны, медленная разрядка частиц, обусловленная высоким электрическим сопротивлением материала, способствует накоплению зарядов в слое и возникновению явления обратной короны. В результате предельная толщина наносимых слоёв не превышает 100...150 мкм (в расчёте на готовое покрытие). Для получения более толстых покрытий принимают меры, направленные на снижение электрического сопротивления порошковых красок или используют при распылении импульсные источники высокого напряжения [29].

Различают два способа нанесения красок в электрическом поле: электростатический (с зарядкой в поле коронного разряда) и трибостатический (с зарядкой за счёт трибоэффекта).

В системах зарядки коронным разрядом к зарядным электродам распылителя подаётся высокое напряжение, и между распылителем и заземлённой деталью создаётся сильное электрическое поле.

В большинстве случаев в системах зарядки коронным разрядом используется отрицательная полярность зарядного электрода. Напряжённость электрического поля достигает максимального значения у конца зарядного электрода, и при достижении некоторого уровня здесь происходит коронный разряд. Коронный разряд представляет собой тип холодной плазмы, когда в области короны появляются свободные электроны, которые заполняют пространство между распылителем и деталью.

В результате между распылителем и деталью создаётся облако заряженных частиц порошка и свободных (неприсоединившихся) ионов. Совокупный заряд частиц порошка и свободных ионов, составляющих облако, называется «пространственным зарядом». Пространственный заряд создаёт своё собственное электрическое поле, которое взаимодействует с полем высоковольтного электрода и помогает осаждению частиц порошка на заземлённую подложку.

Рисунок 2.5 – Схема нанесения порошковых красок методом электростатического распыления:

1 – заборная труба, 2 – пульт управления, 3 – эжектор, 4 – распылитель, 5 – заземлённая деталь, 6 – питатель, 7 – пористая перегородка

Трибостатическая зарядка (зарядка трением). Материалы с разными физико-химическими свойствами могут обмениваться электронами при непосредственном контакте друг с другом. Некоторые материалы легко отдают электроны, тогда как другие с готовностью их принимают. Трение улучшает контакт между материалами и облегчает обмен электронами. Распылители с трибостатической зарядкой порошка сконструированы с таким расчетом, чтобы создать условия для многочисленных столкновений между поверхностью и частицами осуществляется передача электрического заряда [29].

Рисунок 2.6 – Схема трибостатического распылителя:

1 – подача воздуха; 2 – подача порошка; 3 – заземление; 4 – зарядное устройство: 5 – распылительная насадка; 6 – распыляемый порошок

Оба способа примерно равнозначны по масштабам применения; каждый из них имеет свои положительные и отрицательные стороны (таблица 2.1).

Электростатическим способом, используя разные типы распылителей, можно окрашивать изделия разных типоразмеров и групп сложности и применять при этом практически любые виды порошковых красок. Необходимое требование к изделиям – объёмная или поверхностная электрическая проводимость. Оно легко реализуется при окрашивании металлических деталей машин. В случае неэлектропроводящих материалов (стекло, пластмассы) принимают меры для увеличения проводимости: например, поверхность обрабатывают антистатиками – растворами ПАВ или токопроводящими грунтовками. В противном случае предусматривается нанесение красок на предварительно нагретую поверхность [29].

Таблица 2.1

Достоинства и недостатки способов нанесения порошковых красок в электрическом поле

Газопламенное напыление. Это способ пневматического рас­пыления порошков при одновременном их плавлении, которое достигается тем, что порошок при выходе из сопла распылителя проходит через пламя газовой горелки с температурой свыше 1500°С. За сотые доли секунды частицы порошка нагреваются приблизительно до 120...150 °С, плавятся, и в таком состоянии на­носятся на покрываемую поверхность. Для снижения вязкости нанесенного материала, улучшения адгезии и внешнего вида по­крытия поверхность нагревают той же газовой горелкой сначала до нанесения порошка, а потом после его нанесения. Способом газопламенного напыления с применением установок УПН-4Л, УПН-6 наносят разные порошковые композиции. Толщина покрытий 0, 5...3 мм. Недостатки способа — низкая производи­тельность (3...4 м²/ч) и невысокое качество покрытий из-за разложения полимеров в процессе нанесения [7, 22, 29].

Плазменное напыление. В отличие от газопламенного напыле­ния этот способ позволяет получать относительно тонкие покры­тия более высокого качества. Нагревание распыляемого порошка осуществляется с помощью ионизированного газа — плазмы. Ис­пользуют низкотемпературную плазму с температурой 8000...10000 °С, которую получают пропусканием инертного газа (аргон, гелий, азот) через электрическую дугу. При плазменном напыле­нии исключается окисление полимеров, однако возможно их тер­мическое разложение. Поэтому способ находит применение для нанесения термостойких пленкобразователей (полифторолефины, полиарилаты и др.) на термостойкие подложки (металлы, кера­мика) [7, 22, 29].

Струйное напыление. Это беспламенный способ нанесения порошковых материалов. Порошок наносят на предварительно на­гретые изделия из специального распылителя пневматического типа. Подача порошка в распылитель осуществляется с помощью пневмошнекового питателя. Струйное напыление может осуще­ствляться как в ручном, так и в автоматическом режимах [7, 22, 29].

Сущность способа получения покрытия в кипящем слое заключается в том, что деталь, нагретую несколько выше температуры плавления порошкового материала, погружают в ванну, в которой этот материал находится в кипящем, или псевдоожиженном, состоянии. Частицы материала, приходящие в контакт с деталью, плавятся, образуя на её поверхности ровный слой. Последующее нагревание детали вне ванны улучшает растекание расплава, а его охлаждение завершает процесс получения готового покрытия.

Свойства получаемых при этом покрытий во многом зависят от состояния псевдоожиженного слоя. Важными характеристиками слоя является коэффициент расширения К (отношение высоты псевдоожиженного и неподвижного слоёв), характеризующий его неоднородность. Чем выше К, тем лучше происходит обтекание порошком поверхности детали, что положительно сказывается на равномерности и внешнем виде покрытий. Для большинства порошковых красок при псевдоожиженнии газом К =1, 3…1, 9, что является нормальным. Но лучшие результаты достигаются, если псевдоожижение проводят вибрацией и газом одновременно, тогда К возрастает до 1, 8…2, 8 [7].

Многие свойства покрытий (толщина, сплошность, нередко и адгезия и внешний вид) зависят от технологических параметров их получения: температуры предварительного и дополнительного нагрева деталей, времени выдержки их в кипящем слое. Закономерным является увеличение массы осаждаемого порошка и соответственно, толщины покрытия с ростом температуры и времени пребывания детали в слое. Чем больше масса детали и его теплоёмкость, т.е. чем больше она аккумулирует теплоты, тем толще получается покрытие при однократном нанесении.

Одной из разновидностей нанесения порошков в кипящем слое является - нанесение в электростатическом кипящем слое. Порошковый материал, находящийся в состоянии псевдоожижения, может быть нанесён не только на нагретую, но и на холодную деталь. В последнем случае к псевдоожиженному материалу посредством электродной сетки или специального игольчатого контура подводится высокое напряжение (знак «минус»).

Рисунок 2.7 – Схема нанесения порошковых красок в электростатическом кипящем слое:

1 – облако заряженных частиц краски, 2 – заземлённая деталь, 3 – пористая перегородка, 4 – ионизированный воздух, 5 – зарядное устройство, 6 – поток воздуха, 7 – воздушная камера, 8 – подача осушенного воздуха, 9 – источник высокого напряжения

Вторым (заземлённым) электродом служит покрываемая деталь. В результате ионной адсорбции частицы порошка приобретают электрический заряд и равномерно осаждаются на детали. Осаждение порошка может происходить как при непосредственном погружении детали в кипящий слой, так и при её перемещении над слоем в так называемом облаке заряженных частиц. При этом способе не требуется специальных распылительных устройств, практически отсутствуют потери порошкового материала, процесс легко автоматизируется [7].

Однако при окраске деталей автомобилей предпочтительнее использование электростатических способов нанесения порошковых лакокрасочных материалов. Данные способы позволяют окрашивать детали различной формы и размеров, оборудование для нанесения имеет небольшие габаритные размеры и относительно просто в эксплуатации.