Порошковые лакокрасочные материалы

Порошковая окраска – это безотходная и экологически чистая технология получения полимерных покрытий с высокими защитными и декоративными свойствами. Технология порошковой окраски была разработана и начала применяться в 50-60 х годах прошлого столетия. В настоящее время порошковыми красками обрабатывается примерно 15% окрашиваемых изделий в мире. 

Основное различие между технологией нанесения традиционных жидких и порошковых материалов заключается в том, что порошковые краски не содержат в своем составе органических растворителей, жидкого пленкообразователя и изначально находятся в твердом агрегатном состоянии.

Порошковые краски представляют собой смеси пигментов, наполнителей и сухих олигомерных или полимерных органических пленкообразователей, образующих при расплаве сплошные пленочные покрытия. В состав порошковых материалов входят следующие компоненты:

• пленкообразователи – термопластичные полимеры или термореактивные олигомеры
• пигменты и наполнители;
• модификаторы;
• стабилизаторы;
• структурирующие вещества.

В зависимости от типа пленкообразователя, входящего в состав порошковых лакокрасочных материалов, последние подразделяются на эпоксидные, эпоксиполиэфирные, полиэфирные, полиуретановые, полиакриловые, полиэтиленовые, полиамидные и др. Каждый из перечисленных материалов имеет свои преимущества, недостатки и специфические области применения.

Частицы пигмента должны быть в несколько раз меньше зерен полимеров, быть инертными и не увеличивать температуру текучести и вязкость расплавов, а также не тормозить пленкообразование. Для пигментирования используют высокодисперсные, укрывистые и термостойкие пигменты: диоксид титана, оксид хрома, железооксидные пигменты, технический углерод, фталоцианиновые пигменты; а также наполнители – тальк, барит, аэросил.

Независимо от состава порошковые материалы представляют собой однородный нерасслаивающийся сыпучий порошок с размерами зерен от 10 до 100 мкм

ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ПОРОШКОВЫХ ЛКМ 

Для получения порошковых красок применяют три разных способа:

• сухое смешение дисперсных компонентов;
• смешение в расплаве с последующим измельчением плава;
• диспергирование пигментов в растворе пленкообразователей с последующей отгонкой растворителя из жидкого материала.

Сухое смешение применяется при пигментировании предварительно измельченных термопластичных полимеров. При использовании этого способа нерасслаивающиеся стабильные композиции получаются только в том случае, если при смешении происходит дезагрегация зерен исходных материалов и образование новых смешанных агрегатов с большой контактной поверхностью между разнородными частицами. При сухом смешивании без измельчения зерен полимеров частицы пигментов и наполнителей только "опудривают" поверхность зерен полимеров снаружи. Полярные полимеры (поливинилбутираль, полиамиды, эфиры целлюлозы и др.) имеют хорошую адгезию к дисперсным пигментам и наполнителям. Неполярные полимеры (полиолефины, фторопласты и др.) значительно труднее смешиваются с наполнителями. 

Жидкие компоненты – пластификаторы, отвердители, модификаторы как правило предварительно перетирают с пигментами и наполнителями, а затем смешивают с полимерами в шаровых, вибрационных и др. мельницах. Сухое смешение – наиболее простой способ, осуществляемый в различных смесителях, но получаемый при этом конечный продукт имеет недостаточно равномерное распределение пигментов.

Смешение в расплавах  производится при температуре несколько выше температуры текучести пленкообразователя. При этом пигментные частицы смачиваются и проникают внутрь частиц пленкообразователя, создавая более однородные макро- и микроструктуры еще до стадии пленкообразования. Смешение компонентов в расплавах возможно для любых пленкообразователей, но наибольшее применение находит для эпоксидных, полиэфирных, акрилатных, уретановых олигомеров, низкомолекулярного поливонилхлорида и др

Процесс изготовления включает пять операций:

• дробление исходных компонентов до зерен размером 1 – 3 мкм;
• расплавление полимера или олигомера и смешение компонентов в расплаве;
• охлаждение расплава;
• измельчение расплава;
• сухой просев или сепарация порошка.

Дробление пигментов при производстве порошковых материалов производится практически только в экструдерах (червячных смесителях). Попытки использования других видов оборудования не оправдали себя.

Главной частью экструдера является шнек, вращающийся в цилиндрическом корпусе.  Червяк захватывает сухую смесь "пленкообразователь – пигмент – наполнитель" из питающего бункера и пропускает ее через цилиндрический корпус, расплавляя и смешивая (перетирая) ее по мере продвижения. В промышленности порошковых красок используются два конкурирующих типа экструдеров: первый является двухшнековым экструдером с двумя совмещенными шнеками, вращающимися в одном направлении, второй – одношнековый экструдер, в котором шнек периодически двигается назад - вперед (т.н. смеситель co - compounder ).

Червяки двухшнекового экструдера дополнительно оснащены перемешивающими дисками. В одношнековом экструдере смешение происходит из-за сложной формы и характера движения шнека в сочетании со специальными выступами, расположенными на внутренней стенке цилиндра.

Основная операция – горячее смешение компонентов проводится при температуре 90 – 110 °C, вязкости 10 3 – 10 5 Па*с в течение 0,5 – 5,0 минут в аппаратах непрерывного действия – экструдерах, двухчервячных шнековых смесителях, с четко регулируемой системой обогрева. Наилучшие результаты достигаются при предварительном диспергировании пигментов в небольшом количестве расплава пленкообразователя и пластификатора, затем такие пигментные концентраты вводят в основную массу расплава пленкообразователя с остальными компонентами.

Максимальная температура расплава должна быть на 20 °C ниже температуры отверждения порошкового материала, среднее время пребывания не должно превышать время, необходимое для диспергирования, и распределение времени пребывания должно быть как можно более узким (как правило, не более 15 секунд)

На эффективность работы экструдера влияют:

• эффект сдвига (скорость, момент);
• среднее время пребывания смеси в аппарате;
• производительность аппарата;
• температура;
• вязкость расплава.

Данный способ производства порошковых материалов позволяет резко улучшить дисперсность, сократить время смешивания и уменьшить опасность преждевременного отверждения порошка. Дисперсность частиц пигмента составляет от 1 до 20 мкм. При таком способе производства энергозатраты на смешение в расплаве и последующее измельчение более высокие, но они оправдываются высоким качеством покрытий и меньшей их толщиной по сравнению с сухим способом.

Недостатком данного способа производства порошковых красок является трудность точной подгонки цвета и необходимость зачистки оборудования при переходе с цвета на цвет.

Порошковые краски, получаемые испарением органических растворителей из жидких красок, наиболее дисперсны и имеют частицы округленной формы размером 20 – 40 мкм. Они отличаются более высокой красящей способностью и пониженной температурой отверждения. Их изготовление включает стадии обычного производства органорастворимых лакокрасочных материалов, а также отгонки растворителя в сушилках распылительного типа и улавливания конденсата отогнанного растворителя с возвращением его в производственный цикл. Недостатком этого способа является его чрезвычайная взрывоопасность, поэтому в качестве теплоносителя для сушки используется азот.

Появление порошковых материалов – закономерный результат эволюции лакокрасочной индустрии. Лакокрасочные материалы с высокой долей нелетучих веществ, во-первых, более экономичны в плане нанесения, а во-вторых, их широкое использование позволяет если не оздоровить, то хотя бы улучшить экологическую обстановку.

Будучи лакокрасочными материалами со стопроцентным сухим остатком, порошковые краски находят все большее и большее применение. Однако их использование ограничивается формой и габаритами окрашиваемых изделий, а также чувствительностью подложки к повышенной температуре.

Основными преимуществами порошковых красок по сравнению с традиционными органоразбавляемыми материалами являются:

• отсутствие органических растворителей;
• значительно меньшее количество отходов (менее 0,05% от массы материала);
• высокая скорость отверждения;
• возможность нанесения материала за один слой;
• широкий диапазон легко достигаемых специальных эффектов (муар, апельсиновая корка и др.);
• возможность регулирования толщины слоя покрытия;
• практически полное отсутствие вредных выбросов;
• низкая пожароопасность производства;
• меньше затраты на получение покрытия.

Все порошковые краски могут быть разделены на две большие группы: термопластичные и термореактивные .

Технология порошковой окраски термопластичными порошковыми красками основывается на формировании покрытия без химических реакций, лишь за счет сплавления частиц при нагревании. Образующиеся из них покрытия термопластичны, обратимы. Их используют преимущественно для получения покрытий функционального назначения – химически стойких, противокоррозионных, антифрикционных, электроизоляционных. Покрытия обычно наносят толстыми слоями – 250 мкм и более. Типичные области их применения – это защита проволоки, труб, корзин посудомоечных машин, морозильных камер, шлицевых валов и узлов трения, переключателей и других изделий.

Существуют различные технологии и методы нанесения порошковых материалов. Электростатический и трибостатический методы напыления являются наиболее популярными и распространенными.

ТЕХНОЛОГИЯ ПОРОШКОВОЙ ОКРАСКИ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИМ НАПЫЛЕНИЕМ 

Популярность нанесения порошковой краски электростатическим напылением  обусловлена следующими факторами: высокая эффективность зарядки почти всех порошковых красок, высокая производительность при порошковом окрашивании больших поверхностей, относительно низкая чувствительность к влажности окружающего воздуха подходит для нанесения различных порошковых материалов со специальными эффектами (металлик, шагрень, муар и т.д.). Основное оборудование для порошковой окраски – электростатический пистолет-распылитель.

Наряду с достоинствами электростатическое напыление имеет ряд недостатков, которые обусловлены сильным электрическим полем между пистолетом-распылителем и деталью, которое может затруднить нанесение порошкового покрытия в углах и в местах глубоких выемок (Рис. 4). Это явление носит название эффекта клетки Фарадея. Данный дефект является результатом воздействия электростатических и аэродинамических сил.

При нанесении порошкового покрытия на участки, в которых действует эффект клетки Фарадея, электрическое поле, создаваемое распылителем, имеет максимальную напряженность по краям выемки. Силовые линии всегда идут к самой близкой заземленной точке и, скорее всего, концентрируется по краям выемки и выступающим участками, а не проникают дальше внутрь.

Это сильное поле ускоряет оседание частиц, образуя в этих местах порошковое покрытие слишком большой толщины.

Эффект клетки Фарадея наблюдается в тех случаях, когда наносят порошковую краску на металлоизделия сложной конфигурации, куда внешнее электрическое поле не проникает, поэтому нанесение ровного покрытия на детали затруднено и в некоторых случаях даже невозможно.

Кроме эффекта клетки Фарадея при нанесении порошковых красок в электрическом поле иногда встречается и другая проблема – неправильный выбор электростатических параметров распылителя и расстояния от распылителя до детали может вызвать обратную ионизацию и ухудшить качество полимерного порошкового покрытия.

Обратная ионизация вызывается излишним током свободных ионов от зарядных электродов распылителя. Когда свободные ионы попадают на покрытую порошковой краской поверхность детали, они прибавляют свой заряд к заряду, накопившемуся в слое порошка. На поверхности детали накапливается слишком большой заряд. В некоторых точках величина заряда превышается настолько, что в толще порошка проскакивают микро-искры, образующие кратеры на поверхности, что приводит к ухудшению качества покрытия и нарушению его функциональных свойств. Обратная ионизация также способствует образованию дефекта "апельсиновой корки", снижению эффективности работы распылителей и ограничению толщины получаемых покрытий.

Для уменьшения эффекта клетки Фарадея и обратной ионизации было разработано специальное оборудование, сокращающее количество ионов в ионизированном воздухе, когда заряженные частицы порошка притягиваются поверхностью. Свободные отрицательные ионы отводятся в сторону благодаря заземлению самого распылителя, что значительно снижает проявление вышеупомянутых негативных эффектов. Увеличив расстояние между распылителем и поверхностью детали, можно уменьшить ток пистолета распылителя и замедлить процесс обратной ионизации.

ТЕХНОЛОГИЯ ПОРОШКОВОЙ ОКРАСКИ ТРИБОСТАТИЧЕСКИМ НАПЫЛЕНИЕМ 

В отличие от электростатического напыления, в данной системе нет генератора высокого напряжения для распылителя. Порошок заряжается в процессе трения. Главная задача в данном процессе – увеличение числа и силы столкновений между частицами порошка и заряжающими поверхностями пистолета распылителя.

Одним из лучших акцепторов в трибоэлектрическом ряду является политетрафторэтилен (тефлон), он обеспечивает хорошую зарядку большинства порошковых красок, имеет относительно высокую износоустойчивость и устойчив к налипанию частиц под действием ударов.

Трибостатическое напыление имеет ряд существенных преимуществ:

В распылителях с трибостатической зарядкой не создается ни сильного электрического поля, ни ионного тока, поэтому отсутствует эффект клетки Фарадея  и обратной ионизации. Заряженные частицы могут проникать в глубокие скрытые проемы и равномерно прокрашивать изделия сложной конфигурации.

1. Возможно нанесение нескольких слоев краски для получения толстых порошковых покрытий.

2. Распылители с использованием трибостатической зарядки конструктивно более надежны, чем пистолеты распылители с зарядкой в поле коронного разряда, поскольку они не имеют элементов, преобразующих высокое напряжение. За исключением провода заземления, эти распылители являются полностью механическими, чувствительными только к естественному износу.

ТЕХНОЛОГИЯ ПОРОШКОВОЙ ОКРАСКИ В КИПЯЩЕМ СЛОЕ И СТРУЙНЫМ РАСПЫЛЕНИЕМ 

  Технология порошковой окраски термореактивными порошковыми красками основывается на том, что покрытие, в отличие от термопластичных материалов, формируется посредством химических реакций при нагревании. Такие покрытия имеют трехмерное строение, они неплавкие и нерастворимы, т. е. необратимы. Термореактивные краски служат для получения как функциональных покрытий, так и защитно-декоративных. Для получения покрытий функционального назначения наиболее широко применяют эпоксидные составы. Их наносят слоями 100-150 мкм на предварительно нагретую до 50-60 °C поверхность изделия в аппаратах кипящего слоя (многократно чередуя нагрев и погружение в порошок) или струйным распылением. Толщина покрытия, нанесенного таким способом, как правило, колеблется в пределах 300-500 мкм. Поэтому данный метод применяют для окраски изделий, имеющих небольшую площадь и сложную конфигурацию поверхности – роторов и статоров электродвигателей, труб (изнутри и снаружи), металлической арматуры, проволоки, сетки, катушек и т.д.

Порошковое покрытие формируется, одним из вышеперечисленных способов, затем идет тепловая обработка в течение 10-20 минут при температуре 160-200 °C, во время которой порошковая краска плавится, растекаясь по поверхности изделия и образуя тонкую прочную пленку – полимерное покрытие толщиной 60-80 мкм.

В последние годы все шире внедряются различные способы низкотемпературного (при температуре 120-130 °C) отверждения, применяемые для окраски изделий, чувствительных к повышенным температурам. Однако низкотемпературное отверждение применимо только для эпоксидных материалов.

Отверждение покрытия посредством ИК-излучения позволяет быстро нагреть изделие до нужной температуры, при этом технологический процесс значительно сокращается, и уменьшаются габариты оборудования, но данный способ отверждения подходит только для изделий простой формы, не отбрасывающей тень на саму себя.

Одним из перспективных способов отверждения покрытия порошковых материалов является УФ-отверждение. Однако и оно не лишено недостатков. Во-первых, данным способом нельзя получать матовые покрытия. Вторым недостатком является невозможность отверждения порошковых материалов желтого цвета, связанная со способностью желтых пигментов поглощать свет как в УФ-, так и в видимой области спектра.

Порошковые материалы используются, главным образом, для нанесения покрытий на металлы. Однако новые технологии и оборудование для порошковой окраски позволяют окрашивать и другие материалы, например, стекло, керамику, МДФ-плиты (древесноволокнистая плита средней плотности).

Хотя технология порошковой окраски имеет много преимуществ, имеются некоторые ограничения в производстве тонких и гладких декоративных покрытий. Текстура и свойства поверхности зависят от типа порошковых красок и настройки технологического оборудования для порошковой окраски. Для получения качественного порошкового покрытия очень важно соблюдать технологию нанесения и температурные режимы.

Многие производители предпочитают наносить порошковое покрытие с эффектом "апельсиновой корки", т.к. он позволяет скрыть дефекты металла, появляющиеся в ходе производства.

Порошковая окраска также имеет значительное преимущество в том, что не осевшая краска может быть собрана и повторно использована. Однако если в цикле окраски используется несколько цветов, это накладывает определенные ограничения на вторичное использование материала. Такую порошковую краску, соответствующую всем требованиям нормативной документации, исключая показатель "цвет краски", называют «вторичкой». Как правило, она используется для окраски деталей, декоративные свойства которых не имеют принципиального значения.

Использование порошковых лакокрасочных материалов предполагает получение долговечного покрытия. Однако если возникает необходимость удалить порошковую краску, для этого есть специальные средства.