Разработка технологии для окраски деталей троллейбуса порошковыми полимерными материалами

Размещено на http://www.allbest.ru/

5

Введение

Для окраски деталей троллейбуса применяют в основном органоразбавляемые алкидные лакокрасочные материалы (ПФ-115, ПФ-266 ). Однако для многих таких покрытий уже в первый год эксплуатации наблюдается существенная потеря декоративных свойств и их быстрое разрушение. Практика показывает перспективность использования порошковых полимерных материалов в качестве покрытий с технологической, экономической и экологической позиции. Порошковые лакокрасочные материалы обеспечивают безотходную технологию покрытий, отсутствие загрязнения окружающей среды, высокий процент использования наносимого материала, повышенную долговечность покрытий.

Эти порошковые получили исключительно широкое развитие и применение. Рост их производства в мире в последние 20 лет составил 10 - 15 % в год, в то время как для жидких лакокрасочных материалов _ не превысил 3 - 5 %. Стимулирующими факторами такого роста явились: экологические и экономические соображения, связанные с отсутствием в красках органических растворителей и других летучих веществ и, соответственно, с отсутствием их выброса в атмосферу; безотходная технология покрытий (практически полная утилизация красок при нанесении, их возвращение в производственный цикл); относительная простота и экономичность технологического процесса производства покрытий (как правило, наносят один слой вместо двух-трех при нанесении жидких красок); легкость автоматизация окрасочных работ, что способствует резкому повышению производительности труда и снижению энергетических затрат; снижение степени пожаро- и взрывоопасности производств; хорошие эксплуатационные свойства покрытий, нередко превосходящие таковые у покрытий, полученных из жидких красок[1, 3].

Применение порошковых красок позволяет снизить энергозатраты при производстве покрытий на 20-40 % по сравнению с использованием традиционных жидких лакокрасочных материалов. Повышается производительность труда за счет автоматизации процесса нанесения покрытий, снижаются производственные площади, сокращается расход материалов. Так если коэффициент использования традиционных жидких красок (в зависимости от сухого остатка и метода нанесения) составляет 25-65 %, материалов с высоким содержанием нелетучих -- 80-85 %, то в случае порошковых красок он превышает 97 %[4].

В данном дипломном проекте были проведены исследования физико-механических, триботехнических и защитно-декоративных свойств покрытий, а также бала разработана технология для окраски деталей троллейбуса порошковыми полимерными материалами.



1. Материалы для окрашивания троллейбусов

1.1 Жидкие органорастворимые краски

Лакокрасочные материалы на растворителях содержат в своем составе летучий органический растворитель, испаряющийся в процессе высыхания. В настоящее время единственным растворителем, который во всех странах мира допускается использовать без всяких ограничений, является уайтспирит (очищенный керосин).

При работе с органорастворимыми продуктами необходимо соблюдать определенные меры предосторожности. При нанесении их на обширные поверхности в помещении или в небольшом ограниченном пространстве необходимо использовать специальные индивидуальные средства защиты.

Наибольшее распространение среди органорастворимых красок сегодня получили алкидные краски. Хотя выпуск и применение всем хорошо знакомых масляных красок по-прежнему продолжается.

Связующим масляной краски является масло, которое высыхает в процессе окисления. Это может быть льняное масло, олифа на льняном масле, масло-насыщенная алкидная смола или смесь различных масел. Льняное масло представляет собой низкомолекулярное связующее, которое прекрасно проникает в древесину, образуя плотную водонепроницаемую пленку. Краски на льняном масле отличаются высоким сухим остатком. Это связано с тем, что льняное масло в качестве связующего не нуждается в растворителях и, следовательно, содержит минимальное количество летучих соединений.

Преимуществом масляных материалов является высокая степень наполняемости, а также небольшой расход. Они превосходны в качестве грунтовок, например, для обшивки досками. Для них характерно довольно медленное высыхание.

Связующим для алкидных материалов является алкидная смола. Алкидные смолы, в основном, изготавливают путем варки растительных масел -- льняного, таллового, соевого, и др. -- вместе со спиртными и органическими кислотами или кислотными ангидридами. Подобно маслам, алкидные смолы высыхают в результате окисления. Чем больше жирность (процентное содержание масла) алкидной смолы, тем эластичнее лакокрасочное покрытие. Скорость высыхания алкидных смол регулируется специальными добавками -- сиккативами.

Подбором типа масла можно повлиять на время высыхания, цвет и блеск алкидного лака. Как правило, лакокрасочные материалы на алкидном лаке отличаются легкостью нанесения и более высокой атмосферостойкостью по сравнению с масляными красками. Алкидные материалы быстрее высыхают, не усаживаются при высыхании, не желтеют и, в отличие от масляных красок, практически не мелятся. Алкидными красками традиционно защищают от износа и коррозии разного рода поверхности как внутри, так и вне здания (двери, оконные рамы, мебель, батареи отопления, и т.д.). Алкидные краски выдерживают мокрую очистку водой с использованием обычных моющих средств. Их используют для окраски стен и потолков в кухнях и ванных комнатах. При желании получить глянцевое покрытие также выбирают эти краски.

Но все же в интерьере краски на органических растворителях используются довольно редко. Это связано с тем, что, хотя в современных органорастворимых красках используется в качестве растворителя низкотоксичный уайтспирит, по экологичности они все уступают водно-дисперсионным краскам. По традиции их применяют и из-за невысокой цены, особенно в качестве эмали для металла. Применение алкидных красок в интерьере оправдано, когда необходимо получить яркие, насыщенные цвета.



1.2 Порошковые полимерные материалы

Полимерные покрытия из порошковых материалов, нанесенные на поверхность металлов, их сплавов, позволяют повысить ее коррозионную стойкость, устойчивость к изнашиванию, имеют высокие электроизоляционные и декоративные свойства. Нанесение покрытий полимеров может быть использовано и при восстановлении изношенных поверхностей, работающих, например, в условиях абразивного изнашивания.

В настоящее время во всех промышленно развитых странах наблюдается стремительный рост спроса на порошковые лакокрасочные материалы из-за их преимущества по сравнению с традиционными красками. Порошковая краска композиционный материал на основе термопластичных и термореактивных полимеров. Это перспективный вид лакокрасочных материалов, что обосновано с экологических, экономических и технологических позиций. Коэффициент использования материала при получении покрытий из дисперсных полимеров составляет 97-98 %, так как возможно улавливание и вторичное использование материала. При получении же покрытий из жидких красок коэффициент использования материала не превышает 85 %. В связи с отсутствием органических растворителей и токсичных компонентов в порошковых красках при их применении улучшаются санитарно-гигиенические условия труда работающих в окрасочных цехах, уменьшаются загрязнения окружающей среды, снижается пожарная опасность производства. Из-за большой скорости формирования покрытия при применении порошковых красок по сравнению с жидкими в десятки раз сокращается цикл производства покрытий.

Окраска порошковыми композициями позволяет получать покрытие с оптимальной толщиной 120-250 мкм за один прием, а такая же толщина пленки из жидких лакокрасочных материалов требует нанесения четырех восьми слоев краски с промежуточной сушкой каждого слоя. При использовании порошковых красок отпадает необходимость доведения вязкости красок до требуемого значения.

Порошковые полимерные покрытия значительно лучше жидких красок выравнивают шероховатости, что позволяет снизить требования к чистоте обработки поверхностей изделия на 1-2 класса. Высокая адгезия и хорошие свойства порошковых покрытий в ряде случаев позволяет отказаться от фосфотирования поверхностей деталей. Все это находит отражение в увеличении производительности труда, снижении трудоемкости основных и дополнительных операций окраски, уменьшении энергозатрат на производство покрытий. Характерно, что при использовании порошковых материалов в качестве покрытий сокращается производственная площадь окрасочных цехов в 2-3 раза. Облегчается хранение и транспортировка красок, отпадает необходимость в герметичной жесткой таре для красок.

Покрытия из порошковых полимерных композиций имеют лучшие защитные и диэлектрические свойства ввиду меньшей пористости пленок, повышенную химическую стойкость и самое главное, долговечность их выше в 2-6 раз [2].

По сравнению с гальванопокрытиями, использование полимерных покрытий позволяет получить экономию за счет уменьшения расхода дорогостоящих и дефицитных материалов: хрома, никеля и др. При замене слоистой электроизоляции на порошковые покрытия главными статьями экономии являются: значительное снижение трудоемкости обмоточно-изоляционных работ за счет повышения уровня их механизации. Сокращается цикл пропиточно-сушильных работ с 30-40 до 1-2 ч. В общем, производство покрытий из порошковых красок экономичнее жидких в среднем на 30 % и гальванических в 2-4 раза.

Порошковые полимерные материалы используют для получения защитно - декоративных покрытий, окраски бытовых электроприборов, товаров народного потребления, защиты материалов от коррозии, электроизоляции, как антифрикционные и антиадгезионные материалы и т. д.

Порошковые полимерные композиции применимы не только для окраски металла, но и для отделки древесины, окраски силикатных строительных материалов, пластмасс, изделий из стекла, гипса. С внедрением новых технологий наряду с мелкими изделиями возможна окраска изделий средних и больших размеров: кузова и кабины автомобилей, трубы большого диаметра, стеновые строительные панели и др.

Потребителями порошковых красок являются автомобиле- и сельскохозяйственное машиностроение, радиопромышленность, строительство и др. Процесс формирования полимерного покрытия в общем случае предполагает последовательное проведение следующих операций: подготовка поверхности изделия; нанесение полимера на поверхность изделия; обработка с целью достижения необходимой адгезионной прочности соединения полимера с поверхностью, монолитизации слоя.

Перед нанесением покрытия, исходя из условий его эксплуатации, конструкционных и материаловедческих особенностей изделия, имеющихся технических возможностей необходимо сделать выбор полимера и метода его нанесения. В таблице 1 приведены данные об условиях эксплуатации и назначении термопластичных и термореактивных полимеров.

Достоинством термопластов как пленкообразователей является стабильность получаемых на их основе композиций, быстрое (в течение нескольких минут) формирование покрытий, доступность, связанная с большими масштабами их производства. Покрытия из многих термопластов, однако, имеют низкую адгезионную прочность.

В отличие от термопластов реактопласты образуют необратимые покрытия с повышенной адгезионной прочностью. Вследствие низкой вязкости их расплавов создаются условия для получения тонких покрытий с хорошим декоративным внешним видом. Время формирования таких покрытий, стабильность исходных составов при хранении определяются их реакционной способностью. Как правило, существующие промышленные составы на реактопластах имеют большее время отверждения, чем составы на термопластах. Тем не менее благодаря комплексу ценных свойств получаемых покрытий и более низкой температуре их формирования предпочтение отдается термореактивным пленкообразователям.

Известно, что более высокие эксплуатационные свойства реализуются при использовании наполненных полимерных материалов. В качестве наполнителей применяются неорганические (оксиды металлов, кварц, графит, тальк и др.) и органические (диафен ФФ, тиоалкофен БМ, топанол СА и др.) материалы, а также смеси полимеров. Механические свойства композиционных материалов, их адгезия к подложке в сравнении с ненаполненными полимерами может быть выше в 2-10 раз. Качество наполненных составов во многом зависит от способа смешивания компонентов с пленкообразователем. В основном применяется сухое смешивание и смешивание в расплаве.

Режим термообработки изделия с покрытием оказывает определяющее влияние на физико-химические, механические, электрофизические свойства. Он зависит от целого ряда факторов (природы полимера и металла, конструкции изделия и др.) и как правило, определяется опытным путем [1].

Таблица 1 - Температурно-временные режимы формирования, условия эксплуатации область применения полимерного порошкового покрытия

Материал покрытия	Температура, °С Время пленкообразования, мин	Рабочий интервал температур, °С	Области применения
Полиэтилен ПЭНД 20906-040	230…250 3-5	-60…+70	Защита от коррозии, электроизоляционные
Полиэтиленовая краска П-ПО-226	220…240 8-10	-60…+60	Защита от коррозии
Поливенилбутиральная краска П-ВЛ-212	230…250 3-5	-60…+60	Декоративные, абразивостойкие
Поливинилхлоридная краска П-ХВ-716	230…250 3-5	-60…+60	Защита от коррозии, химстойкие
Поливинилхлоридная краска П-ХВ-729	180…230 5-8	-60…+60	Химстойкие
Полиамидная краска П-12АП-1	240…260 3-7	-40…+120	Антифрикционные
Пентопласт А-1 и А-2	220…250 10-30	-60…+120	Защита от коррозии, химстойкие, электроизоляционные
Фторопласт Ф-30П	240…250 30-60	-60…+130	Электроизоляционные
Фторопласт Ф-40ДП	260…280 60-180	-60…+180	Электроизоляционные
Фторопласт Ф-4МБ-П	270…300 60-180	-60…+220	Электроизоляционные
Порошковая эпоксидная краска П-ЭП-91	150, 180 60 15	-60…+100	Защитнодекоративные, электроизоляционные
Порошковая эпоксидная краска П-ЭП-177	180, 200 60 30	-60…+120	Защитнодекоративные
Порошковая эпоксидная краска П-ЭП-971	200, 230 20 10	-60…+120	Защитнодекоративные
Порошковая эпоксидная краска 64-1-89	180, 200 30 20	-60…+120	Защитнодекоративные
Полиуретан ПУ-1	200 10	-60…+150	Износостойкие
Порошковая эпоксидная краска П-ЭП-134 с металлическим эффектом	180, 200 30 20	-60…+120	Защитнодекоративные, атмосферостойкие
Порошковый эпоксидный компаунд ЭП-49	165, 180 60 30	-60…+130	Электроизоляционные
Порошковая эпоксидно-полиэфирная краска ЭПК-202	180 20	-60…+120	Защитнодекоративные, абразивостойкие
Порошковая эпоксидно-полиэфирная краска Пигма П-201	150 30	-60…+120	Защитнодекоративные, атмосферостойкие
Порошковая полиакрилатная краска П-АК-1138	200 30	-60…+120	Атмосферостойкие

1.2.1 Термореактивные полимеры

Полиэфирные покрытия

Их основой, как и в гибридных составах, являются карбоксил-содержащие насыщенные полиэфиры. Применяют отвердители двух типов -- триглицидилизоцианурат (ТГИЦ) и гидроксиламид (примид). По технологическим характеристикам полиэфирные материалы (краски и лаки) не отличаются от эпоксидных и гибридных. Они хорошо наносятся в электрическом поле (как трибо-, так и электростатическими распылителями) и при нагревании образуют покрытия в широком интервале температур -- от 150 до 200 °С; 20-10 мин.

Покрытия могут быть тонкими (30-70 мкм) и толстыми (75-120 мкм), при этом механические свойства остаются на хорошем уровне. Отличительные их особенности -- стойкость к перегреву, хорошие атмосферостойкость и устойчивость к воздействию УФ-лучей. Полиэфирные краски -- это один из наиболее светостойких и атмосферостойких видов порошковых материалов. Стойкость покрытий к химическим агентам также хорошая, но несколько ниже, чем у эпоксидных покрытий. Непигментированные покрытия -- прозрачные, с хорошим блеском, бесцветные, они могут выполнять самостоятельные функции или служить дополнительной защитой в многослойных цветных покрытиях [14].

Достоинства таких покрытий:

- высокая атмосферостойкость;

- светостойкость при нагревании и воздействии УФ-лучей;

- прозрачность и бесцветность непигментированных покрытий;

- хорошие механические свойства

К основным недостаткам полиэфирных покрытий можно отнести следующие показатели:

повышенная токсичность ТГИЦ как компонента красок;

понижена реакционная способность составов с отвердителем.

Таблица 2 - Свойства порошковой полиэфирной краски

Дисперсность, мкм	4-100
Средний размер частиц, мкм	40-45
Фракция 24-96 мкм, %	80
Сыпучесть: угол естественного откоса, градусы	35
Содержание нелетучих веществ	99, 5
Время гелеобразования при 180 °С, с	240
Растекаемость, мм	60
Блеск (угол 60°), %	99
Эластичность при изгибе, мм	1
Адгезионная прочность к стали, Н/м	400

Полиэфирные покрытия широко применяются в таких областях как транспортное и сельхозмашиностроение, приборостроение, строительство, производство электрооборудования, производство металлической мебели.

Основными окрашиваемыми объектами являются велосипеды и мотоциклы, станки, авто-мото детали, холодильники, пылесосы, кондиционеры, металлическая мебель, водонагреватели и отопительные радиаторы, огнетушители, инструмент, детали швейных машин, утюги, керамические и асбоцементные плитки, садовое и сельхозоборудование [10].

Покрытия из порошковой эпоксидной смолы

По объему производства и потребления эпоксидные композиции занимают первое место среди всех порошковых лакокрасочных материалов. Их лидирующее положение связано с относительной доступностью сырья, хорошими эксплуатационными свойствами покрытий. Для производства красок применяют в основном диановые олигомеры. Другими компонентами порошковых эпоксидных красок являются: модификаторы, отвердители, ускорители отверждения, пигменты и наполнители, агенты, реагирующие на вязкость и растекание расплавов. В общем виде рецептура красок может быть представлена следующим образом:

Таблица 3 Состав порошковой эпоксидной краски

Материал	Содержание, мас. %
Эпоксиолигомер (Э-23, Э-49П)	100
Модификатор (фенолоформальдегидные олигомеры, поливинилбутираль и др.)	25
Отвердитель ( дициандиамид, димотол)	25
Ускоритель отверждения (уротропин, ацетилацетонат цинка и др.)	12



Весьма широк и разнообразен ассортимент порошковых эпоксидных красок. Краски предназначены для получения электроизоляционных, химически стойких и защитно-декоративных покрытий. Назначение порошковых компаундов, содержащих до 70 мас. % наполнителей электроизоляция изделий радиотехнической и электронной промышленности.

Эпоксидные покрытия отличаются высокой адгезией, механической прочностью и химической стойкостью. Покрытия влагостойки, стойки к щелочам, ароматическим углеводородам, смазочным маслам. По атмосферостойкости эпоксидные покрытия уступают многим другим покрытиям, например, полиэфирным; они быстро теряют глянец. Достаточно высоки диэлектрические свойства покрытий [3, 4].

Таблица 4 - Свойства эпоксидных покрытий

Прочность при растяжении, МПа	50-65
Эластичность по Эриксену, мм	3-12
Адгезионная прочность: - на алюминии, Н/м - на стали (метод грибков), МПа	400-700 35-5

Эпоксидные покрытия также обладают и диэлектрическими свойствами. Они достаточно высоки и составляют при комнатной температуре и частоте 1000 Гц следующие показатели (таблица 5).

Таблица 5 - Диэлектрические свойства эпоксидных покрытий

Диэлектрическая проницаемость	4-5
Тангенс угла диэлектрических потерь	0, 002-0, 02
Удельное объемное электрическое сопротивление, Ом-м	10'7-10ls
Электрическая прочность, МВ/м	15-50

С повышением температуры удельное объемное сопротивление покрытий снижается и достигает при 120 °С 10¹⁵-10¹⁶, при 150 °С- 10¹⁴-10¹⁵ Омм.

Свойства покрытий во многом зависят от вида применяемого отвердителя и условий отверждения. Покрытия, отвержденные при высоких температурах (180-230 °С), как правило, имеют лучшие свойства, чем отвержденные при низких температурах (120-150 °С).

Основными достоинствами эпоксидных смол являются следующие характеристики:

легкая заряжаемость в электрическом поле;

высокая реакционная способность;

широкий интервал температур и относительно небольшое время отверждения;

высокая твердость покрытий;

хорошая стойкость к химикалиям и растворителям;

- высокая коррозионная стойкость;

хорошие электроизоляционные свойства.

Среди недостатков следует отметить следующее:

низкая погодоустойчивость;

относительно невысокая термостойкость;

Эпоксидно-полиэфирные покрытия

Эпоксидно-полиэфирные материалы наиболее распространены в технологии покрытий. Их получают путем сочетания эпоксидного и полиэфирного (карбоксилсодержащего) олигомеров и поэтому нередко называют гибридными составами. При введении соответствующих катализаторов изготовляют краски и лаки, отверджаемые в широком интервале температур.

Гибридные краски более стойки к перегреву, чем эпоксидные, при формировании покрытий (не желтеют). Покрытия отличаются чистотой поверхности и повышенным блеском (для глянцевых красок); представляется возможным получать чисто белые покрытия. Способы нанесения -- общепринятые для термореактивных красок; предпочтительным, однако, является способ электростатического распыления. Краски, наносимые трибостатическими распылителями, должны содержать трибостатические добавки; последние вводят обычно при изготовлении красок или непосредственно перед нанесением. Режим отверждения большинства промышленных гибридных красок: 150-200 °С; 20-5 мин, толщина покрытий - 35-70 мкм.

Таблица 6 - Свойства порошковой эпоксидно-полиэфирной краски

Дисперсность, мкм	4-100
Средний размер частиц, мкм	40-45
Фракция 24-96 мкм, %	80
Сыпучесть: угол естественного откоса, градусы	35
Содержание нелетучих веществ, %	99, 5
Время гелеобразования при 180 °С, с	240
Растекаемость, мм	60
Блеск (угол 60°), %	99
Эластичность при изгибе, мм	1
Ударная прочность, Н-м	5
Адгезионная прочность к стали, Н/м	400

Гибридные краски заметно потеснили эпоксидные в тех областях, где требуются тонкие покрытия с красивым внешним видом. Этому способствовали и экономические соображения - более низкая стоимость покрытий. Области применения таких покрытий особенно широки.

К основным достоинствам эпоксидно-полиэфирных покрытий можно отнести следующие показатели:

хорошее растекание расплавов;

стабильность цвета при формировании и эксплуатации покрытий;

хорошие механические свойства;

повышенная (по сравнению с эпоксидными покрытиями) атмосферо-стойкость.

Среди недостатков можно выделить следующие показатели:

пониженная адгезия и ее стабильность в воде;

ограниченная химическая стойкость покрытий;

- трудность получения матовых покрытий при низкотемпературном отверждении.

Эпоксидно-полиэфирные покрытия широко применяются в таких областях как транспортное и сельхозмашиностроение, бытовая техника, приборостроение, производство электрооборудования и инструмента.

Основными окрашиваемыми объектами являются велосипеды и мотоциклы, станки, автомотодетали, холодильники, пылесосы, кондиционеры, металлическая мебель, водонагреватели и отопительные радиаторы, огнетушители, инструмент, детали швейных машин, утюги, керамические и асбоцементные плитки [10].

Полиуретановые покрытия

Порошковые полиуретановые краски используются уже более 25 лет как для наружных, так и для внутренних работ. В США и Японии они составляют 30% всех порошковых красок, а в Европе не более 10%. В основном это связано с выделением в процессе отверждения блокирующего агента - капролактама (3-6% летучих) и относительно высокой ценой по сравнению с другими порошковыми красками. В последние годы появились изоцианаты с, так называемым, внутренним блокированием, т.е. блокирущий агент не выделяется в процессе отверждения. К недостаткам внутренне блокированных изоцианатов, т.н. полиуретандионы, можно отнести меньшую реакционноспособность. Однако, сейчас фирмы Huls, Bayer, McWhorter предлагают новые уретандионы, лишенные этого недостатка. Кроме этого, они еще и позволяют снизить температуру отверждения на 30 °С.

Полиуретановые краски изготовляют на основе гидроксилсодержащих полиэфиров и полифункциональных акрилатов; отвердителями служат блокированные изоцианаты.

Полиуретановые лаки и краски достаточно экономичны, так как позволяют получать тонкие покрытия (25-50 мкм), равнозначные покрытиям из жидких составов. Большая часть красок - материалы высокотемпературного отвержденя (180-200°С; 20-10 мин). В последнее время, однако, разработаны составы, формирующие покрытия при более низких температурах: 170-- 160°С; 20-30 мин. Полиуретановые покрытия сочетают многие положительные качества: высокую адгезию (в том числе к цветным металлам ) и хорошие механические свойства, атмосферостойкость и устойчивость ко многим химикалиям, особенно к растворителям, жидкому топливу и смазочным мае-лам. Вследствие участия в пленкообразовании деблокирующего агента (продукта распада отвердителя) покрытия даже в тонких слоях имеют хорошее растекание и блеск, свойственный силикатным эмалям. Главное применение полиуретановых составов - противокоррозионная защита металлов, эксплуатирующихся в атмосферных условиях, а также изготовление покрытий функционального назначения (износостойкие, кавитационностойкие, рефлексные и другие) [2].

К достоинствам полиуретановых красок можно отнести очень хорошее растекание; стабильность цвета при перегреве и воздействии УФ-лучей; высокая адгезия к разным субстратам; хорошие механические свойства и ат-мосферостойкость, высокая твердость, гибкость, термо- и морозоустойчивость, блеск, хорошие диэлектрические свойства, отличная абразивостойкость и стойкость к царапанью. А по стойкости к агрессивным воздействиям, включая газы, кислоты, щелочи, ароматические углеводороды, жидкое топливо, минеральные масла превосходит большинство покрытий, уступая только фторопластам.

Недостатками данной краски являются повышенное газовыделение в результате улетучивания деблокирующего агента (капролактама); повышенные температуры отверждения (минимальная температура отверждения -170°С); токсичность изоцианатов, дороговизна [14].

Область применения полиуретановых покрытий - приборостроение, транспортное, сельскохозяйственное и химическое машиностроение, строительство [10].

Акриловые покрытия

Акриловые полимеры обладают высокой стойкостью к действию света, низких(до -50 °С) и высоких (до +260 °С) температур и атмосферным воздействиям. В зависимости от выбора и содержания исходных мономеров можно в значительных пределах регулировать физико-механические и другие свойства изделий из акриловых полимеров.

В качестве материалов для покрытий используют термопластичные и термоотверждаемые смолы. Из термопластичных акриловых полимеров как основу для порошковых композиций и лакокрасочных покрытий используют смолы АС (сополимер, состоящий из 90 % бутилметакрилата и 10 % метакрилата) и БМК-5 (95 % бутилметакрилата и 5 % метакриловой кислоты). Покрытия на основе термопластичных акриловых смол имеют низкую водонабухаемость, но значительную паропроницаемость, что затрудняет использование их для защиты в условиях повышенной влажности. В таких случаях необходимо предварительное оксидирование или фосфатирование поверхности защищаемого изделия.

Термоотверждаемые акриловые смолы представляют собой низкомолекулярные сополимеры нескольких мономеров, содержащие функциональные реакционноспособные группы, которые при нагревании взаимодействуют между собой и другими группами. Из нескольких видов термореактивных акриловых смол, отличающихся типом функциональных групп, наиболее распространены смолы, содержащие метилольные, карбоксильные и другие функциональные группы.

На основе термоотверждаемых акриловых смол разработаны порошковые композиции для покрытий, отличающиеся химической природой сополимеров: краска П-АК-1138 на основе смеси глицидил- и карбоксилсодержащих смол и краска П-АК-1142 на основе метакриламидной смолы. Покрытия из порошкообразных композиций на основе акриловых смол более устойчивы к тепловому и атмосферному воздействию, чем покрытия из эпоксидных.



1.3 Методы нанесения покрытий

1.3.1 Нанесение жидких лакокрасочных покрытий

Выбор способа нанесения лакокрасочных материалов зависит от размеров и конфигурации окрашиваемых поверхностей, требований к внешнему виду лакокрасочных покрытий, сроков и условий производства работ, а также технических характеристик применяемых материалов.

Существует множество способов нанесения лакокрасочных материалов, однако для окрашивания крупногабаритных сооружений используются, в основном, три метода: пневматичекое распыление, безвоздушное распыление и ручные методы нанесения материалов.

а) Пневматическое распыление

Принцип пневматического распыления заключается в образовании красочного аэрозоля путем дробления струи жидкого лакокрасочного материала струей сжатого воздуха. Образующийся аэрозоль движется в направлении струи воздуха, и при ударе о поверхность капли аэрозоля растекаются и сливаются, образуя слой жидкой краски.

Подача сжатого воздуха осуществляется централизованно от сети, или от компрессора. Подаваемый воздух очищается от воды, масла и механических загрязнений в масловлагоотделителе.

Высокое давление воздуха, подаваемого в краскораспылитель (более 0, 6 МПа), способствует хорошему распылению, однако вызывает интенсивное туманообразование и большие потери материала. Низкое давление (менее 0, 2 МПа) отрицательно сказывается на формировании покрытия.

Расход воздуха зависит от сечения сопла распылителя и давления воздуха. Качественное распыление достигается при соотношении расходов воздуха (м³/мин) и краски (л/мин) в пределах 0, 3...0, 6. Оптимальное расстояние от сопла до окрашиваемой поверхности составляет 200...400 мм.

Температура лакокрасочных материалов при выходе из сопла форсунки резко снижается из-за затрачивания тепла на расширение воздуха при истечении струи и на испарение растворителей, что приводит к значительному повышению вязкости материала и ухудшению его растекания. Вследствие чего, приходится использовать материалы с низкой вязкостью или подогревать их.

Достоинства метода пневматического распыления:

· получение покрытий с высокими декоративными свойствами;

· возможность применения в любых производственных условиях при наличии источника сжатого воздуха и вентиляции;

· возможность окрашивания изделий различных размеров и сложности;

· высокая производительность;

· простота устройства и обслуживания окрасочного оборудования;

Недостатки:

· большие потери лакокрасочных материалов;

· возможность качественного нанесения только низковязких материалов;

· вредные условия труда за счет повышенного туманообразования и увеличения расхода растворителей;

· повышенная пожаро- и взрывоопасность;

· пониженная адгезионная прочность лакокрасочных покрытий;

· возможность попадания в пленку покрытия воды и масел из сжатого воздуха;

б) Безвоздушное распыление

Принцип безвоздушного распыления связан с диспергированием лакокрасочного материала за счет высоких скоростей истечения из сопла, который подается под большим давлением (до 50 МПа). Давление создается насосом высокого давления. Дисперсность аэрозоля зависит от геометрических размеров и формы отверстия сопла, режимов истечения и свойств лакокрасочного материала.

Краскораспылитель располагают под углом 90° к окрашиваемой поверхности на расстоянии 200...400 мм.

Хорошему распылению материала способствует его нагревание. Это связано с понижением вязкости, с понижением поверхностного натяжения и интенсивным испарением растворителей. Повышая температуру материала с 20 до 80 °С, можно почти вдвое снизить давление при распылении. При этом повышаются и защитные свойства покрытия.

Достоинства:

· возможность нанесения материалов с повышенной вязкостью и, следовательно, уменьшение трудозатрат за счет получения более толстых слоев покрытия;

· повышение качества лакокрасочных покрытий (по сравнению с пневматическим распылением) вследствие хорошей сплошности и плотности, лучшего заполнения микронеровностей поверхности, вытеснения с поверхности части влаги и других загрязнений;

· низкие потери лакокрасочных материалов (на 20...25 % меньше, чем при пневматическом распылении);

· улучшение условий работы и снижение пожаро - и взрывоопасности.

Недостатки:

· более низкие декоративные свойства покрытий по сравнению с пневматическим распылением;

· возрастание потерь краски при нанесении ее на изделия небольших размеров или сложной конфигурации.

в) Ручные методы

Окрашивание кистью

Преимущества окрашивания кистью состоят в простоте этого метода, высокой адгезии получаемого покрытия к подложке и удобстве обработке мелких изделий и небольших участков поверхности. Краска втирается кистью в мелкие поры и углубления на поверхности.

К недостаткам работы кистью относится низкая производительность (не более 10...15 м²/час), что делает этот метод не рентабельным при окрашивании больших поверхностей.

Также окраска кистью применяется для полосового окрашивания сварных швов и острых граней,

Окрашивание валиком

При окрашивании валиком производительность увеличивается до 50...80 м²/час. Применяются валики разных конструкций и размеров, с коротким или длинным ворсом.

Нанесение лакокрасочных материалов валиком ограничивается плоскими поверхностями; в случае более сложных поверхностей его сочетают с окраской кистями. Качество покрытия при окраске валиком, как правило, ниже, чем при кистевом окрашивании.

2) Выбор системы лакокрасочных покрытий

Выбор системы лакокрасочных материалов для защиты поверхности от коррозии зависит от условий эксплуатации объекта, состояния поверхности, степени агрессивности среды, требуемой долговечности покрытия.

Специалисты компании подберут оптимальную именно для Вас систему покрытий, исходя из условий эксплуатации, требований к сроку службы, и финансовых возможностей. Соблюдение технологии нанесения и высокая квалификация персонала, работающего с лакокрасочными материалами, обеспечат оптимальный результат и долговечность системы покрытия.

3) Условия окружающей среды при нанесение ЛКМ

При выполнении окрасочных работ огромное влияние на качество и долговечность лакокрасочных покрытий оказывают климатические условия:

1. температура воздуха;

2. температура окрашиваемой поверхности;

3. влажность воздуха;

4. увлажнение конструкций конденсатом.

Оптимальным для большинства покрытий является температура воздуха +(15-20)єС и относительная влажность воздуха до 80%. Однако реальные условия зачастую совсем не соответствуют этим требованиям. Многие лакокрасочные материалы нельзя наносить при температуре ниже +5єС, т.к. происходит резкое замедление отверждения или полное его прекращение. Такое правило действует для большинства эпоксидов. На другие защитные покрытия низкие температуры сильно не действуют, например, хлоркаучуки и винилы можно наносить при температуре ниже 0°C при условии, что на поверхности отсутствует наледь. Ряд европейских компаний по производству защитных покрытий разработал модифицированные эпоксиды, нанесение которых возможно при температурах до -10єС.

При выполнении работ на открытых площадках необходимо учитывать нагрев окрашиваемой поверхности солнечным излучением. Разница между температурой металла и температурой воздуха может достигать 20°С. Быстрое испарение растворителей из лакокрасочного материала на нагретой поверхности или быстрое химическое отверждение может препятствовать получению гладкого равномерного покрытия, т.к. отдельные капли лакокрасочного материала будут высыхать, не успев растечься по поверхности. Поэтому при контроле климатических условий обязательно следует измерять температуру окрашиваемой поверхности.

При относительной влажности воздуха выше 85 % резко снижается скорость испарения растворителей из лакокрасочной пленки. При влажности воздуха, близкой к 100 %, испарение растворителей практически не происходит, растворители в этом случае могут диффундировать в нижние (ранее нанесенные) слои покрытия и вызвать их повреждение - пузырение и шелушение.

Поэтому, непременным условием при проведении окрасочных работ является обеспечение относительной влажности воздуха ниже 85 %.

На сегодняшний день существуют материалы которые возможно наносить при влажности воздуха до 98 %. Это Цинк силикаты и полиуретановые материалы, отвержаемые влагой воздуха, однако эти материалы имеют более высокую стоимость.

1.3.2 Нанесение порошковых полимерных покрытий

Выбор оптимальной технологии осаждения покрытия определяется исходя из необходимой его толщины, требований, предъявляемых к свойствам тонкопленочных систем. При осаждении полимерных покрытий из порошков используются следующие методы: осаждение во взвешенном слое; распыление; насыпание (таблица 13). В ряде случаев применяют комплексные технологические приемы, относящиеся к различным методам формирования [11].

Таблица 7 Методы нанесения покрытий на основе дисперсных полимеров

Во взвешенном слое	Распылением	Насыпанием
Вихревой Вибрационный Вибровихревой	Струйный Электростатический Трибостатический Теплолучевой Пламенный Плазменный Лазерный	Засыпка Центробежный Прокатка

Нанесение покрытий насыпанием

При реализации данного метода не требуется специальное оборудование. Формирование покрытия происходит в результате оплавления слоя полимера, наносимого на поверхность через сито с помощью вибрующего лотка.

Данный метод целесообразно применять при покрытии полимером внутренних поверхностей полых изделий. Внутренний объем детали засыпается полимером и происходит ее нагрев, одновременно деталь вращают или приводят в колебание. После прогрева, оплавления, контактирующего с металлом слоя полимера, удаляют излишки полимера и деталь подвергают дополнительному прогреву с целью получения качественного покрытия.

Осаждение покрытий во взвешенном слое

Основной особенностью данного метода является перевод порошка полимера в псевдоожиженное состояние. Это состояние достигается путем подачи в объем, занимаемый порошком, воздуха, либо созданием разрешения в пространстве над материалом, либо воздействием вибрации. В первых двух случаях по высоте полимерного слоя создается градиент давления.

Оптимальное значение градиента может быть оценено из условия равновесия частицы: сила давления должна быть равна весу слоя порошка. При условии, что возд<<пол, можно получить:

, (1)

где p изменение давления воздуха на высоте слоя h;

_пол плотность полимера;

n объемная степень псевдоожижения (доля объема, занятого полимером, в слое высотой h);

g ускорение свободного падения.

Из выражения (1) следует, что при сохранении характера псевдоожижения увеличением разности давлений можно регулировать степень псевдоожижения.

Порошки, склонные к агломерации, практически невозможно перевести в псевдоожиженное состояние; при прохождении через них воздуха образуются каналы. Наиболее простой метод псевдоожижения вихревой. В этом случае через пористое дно камеры под давлением пропускают воздух, под действием которого частицы полимера переходят во взвешенное состояние.

Деталь, на поверхности которой необходимо сформировать покрытие,

предварительно нагревается до температуры, выше температуры плавления, и вносится в псевдоожиженный слой. Частицы, контактирующие с нагретой поверхностью, полностью и частично оплавляются и закрепляются на ней.

Деталь с покрытием, при необходимости может быть термообработана для получения качественного слоя.

Достаточно эффективным приемом перевода порошка в псевдоожиженное состояние является его вибрация. Условие начала ожижения можно представить в виде

, (2)

где a ускорение, получаемое частицей при вибрации;

А амплитуда колебаний;

w частота.

Оптимальные параметры вибрации определяются, как правило, опытным путем. На практике нашел широкое применение комбинированный метод ожижения, включающий одновременное действие вибрации и сжатого воздуха (вибровихревой метод).

В этом случае используются значительно меньшие амплитуды вибрации и предоставляется возможность эффективного регулирования степени ожижения путем изменения подачи сжатого газа. Кроме этого, ряд полимеров (ПП, ПЭНД, Ф-40ДП и др.) переводятся в ожиженное состояние только вибро-вихревым методом.

Cхема установки представлена на рисунке 1.



1 - деталь; 2 - аппарат для изображения порошка; 3 - мембрана;

4 - электромагнитный вибратор

Рисунок 1 - Схема вибро-вихревой установки

Электростатический метод нанесения покрытий

Из всех известных способов наиболее производительными и экономичными являются электростатическое распыление. Он имеют высокий коэффициент использования материала (до 9095 %), представляются: возможность получения покрытий на изделия из разнородных материалов одновременно, характеризуются относительной легкостью регулирования толщины покрытия, не требуют предварительного подогрева изделия (покрытие может наноситься на холодную поверхность).

Основным требованием, предъявляемым к процессу нанесения покрытия электростатическим методам, является равномерность осаждения порошка на изделия. Она достигается при оптимальном состоянии кипящего слоя (частицы порошка должны быть достаточно подвижны, вместе с тем должно отсутствовать его фонтанирование, образование газовых пузырей). Напряженность поля, создаваемого в камере напыления, также влияет на равномерность покрытия. При ее уменьшении порошок осаждается более равномерно. При этом следует иметь в виду, что максимальная толщина покрытия при увеличении напряжения изменяется немонотонно. Так, при осаждении покрытий из полиэтилена она достигает максимального значения при Ео=1, 0 кВ/см и уменьшается в 23 раза при увеличении Е до 2, 5 кВ/см и уменьшении Е до 0, 6 кВ/см.

При формировании покрытий из Ф-4М оптимальная напряженность поля Ео=2 кВ/см, из поликапроамида Ео = 3 кВ/см.

Существенное влияние на скорость напыления оказывает влажность воздуха и полимера. При увеличении содержания влаги предельная толщина покрытия, время стекания заряда уменьшается. Влажность в ряде случаев влияет также и на эксплуатационные свойства покрытий. В связи с этим контроль влажности воздуха, его сушка и просушивание полимера являются обязательными при получении качественных тонкопленочных систем.

Часто при извлечении изделия из ванны на его горизонтальных участках, углублениях поверхности закрепляется порошок полимера, создающий неравномерность покрытия. Для его удаления изделие поворачивают на 180 или обдувают струей сжатого воздуха. Эффективным приемом является также вибрация изделия [12].



1 - блок управления; 2 - электростатический распылитель;

3 - покрываемая деталь; 4 - ёмкость с порошком.

Рисунок 2 - Электростатический распылитель

Газопламенное напыление

Способ газопламенного напыления заключается в том, что струя воздуха со взвешенными в ней частицами порошкового материала пропускается через пламя газовой горелки. Длительность контакта порошка с горячими газами невелика и составляет сотые и тысячные доли секунды. Однако за это время частицы полимера успевают нагреться до 120--150°С и выше и перейти в пластическое состояние, при котором возможна их коалисценция на нагретой поверхности изделия. 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. Способ газопламенного напыления пригоден для нанесения полимеров на крупногабаритные изделия, причем покрытия даже из инертных полимеров, например полиэтилена, отличаются хорошей адгезией. Однако слишком высокая температура пламени (до 1500°С) при неустойчивом режиме вызывает деструкцию полимера, что приводит к значительному ухудшению качества покрытий.

По этой же причине очень трудно получать декоративные покрытия. Газопламенное напыление применяется в основном для заделки раковин, облицовки сварных швов, уплотнения соединений, герметизации изделий. В частности, этот способ широко применяется при выравнивании поверхности кабин грузовых и кузовов легковых автомобилей и деталей оперения от следов сварных швов, вмятин, волнистости и других дефектов. Большого внимания заслуживает использование способа газопламенного напыления для покрытия химического оборудования: емкостей для хранения агрессивных жидкостей, мешалок, гальванических ванн, а также ящиков аккумуляторов, вентиляторов, трубопроводов, деталей насосов и т. д [13].

1 - деталь; 2 - распылительная горелка; 3 - редуктор

сжатого воздуха; 4 - питательный бачок; 5 - баллон с ацетиленом

Рисунок 3 - Схема установки для газопламенного напыления порошков полимеров

Плазменное напыление порошковых полимерных материалов

Сущность плазменного напыления заключается в том, что в высокотемпературную плазменную струю подается распыляемый материал, который нагревается, плавится и в виде двухфазного потока направляется на подложку. При ударе и деформации происходит взаимодействие частиц с поверхностью основы или между собой с формированием покрытия (рисунок 4).

С физико-химических и теплофизических позиций предпосылками возможного распыления полимера с помощью низкотемпературной плазменной струи и создания композиционных материалов и покрытий являются следующие: низкая тепло- и температуропроводность полимера, обуславливающая невысокие скорости теплообмена между частицами полимера и плазменной струей; кратковременность (10^-310^-4 с) воздействия высоких температур на полимер, не позволяющая при низкой теплопроводности материала достичь перегрева частиц определенной степени дисперсности; повышение термостабильности полимера при высокоскоростном нагреве; возможность конструктивного обеспечения оптимального ввода полимера в низкотемпературную плазменную струю и управление процессом, а также специфика механизмов протекания различных физико-химических явлений в полимерах в экстремальных условиях.

До недавнего времени считалось нецелесообразным и маловероятным применение плазменной струи для создания покрытий распылением полимеров по причине "порчи" материала. Практика и результаты исследований опровергли эти доводы.

Плазменная струя может быть использована для активации поверхности изделия, плавления частиц, их модифицирования, монолитизации нанесенного слоя, получения многослойных и композиционных покрытий.



1ввод плазмообразующего газа; 2водяное охлаждение; 3катод плазмотрона; 4электроизоляционный блок; 5анод плазмотрона; 6ввод напыляемого порошка; 7плазменная струя с нагретым порошком; 8покрытие; 9напыляемое изделие.

Рисунок 4 - Схема плазменного процесса

Структура полимерного слоя, сформированного плазменной струей на металле, отличается однородностью, мелкозернистостью, и более высокой степенью кристалличности и плотности упаковки.

Плазменная технология применима для "высоковязких" фторопластов, переработка которых традиционными способами в ряде случаев вообще исключена вследствие ограниченного перехода полимера в вязкотекучее состояние.

Плазменная струя позволяет обеспечить высокую и стабильную адгезию на границе статического контакта металлполимер и низкую на границе динамического контакта, например, в узлах трения. Упрочнение адгезионного контакта достигается за счет вовлечения плазмой многочисленных компонентов адгезионного взамодействия. Усиливается роль реологических факторов, химического взаимодействия компонентов вследствие активации контактирующих поверхностей, появление различных функциональных групп.

Значительный технический и экономический эффект в борьбе с коррозией достигается при защите металлов с помощью плазменных полимерных покрытий. Для таких покрытий, имеющих высокую адгезионную прочность к металлу, толщина пленки не играет существенной роли. Нередко тонкие, но сплошные покрытия защищают металл также эффективно, как и толстые.

Напыление с помощью низкотемпературной плазмы по сравнению с другими методами позволяет:

сократить длительность технологического процесса, так как осаждение и оплавление покрытия происходит одновременно;

наносить покрытия на листовые материалы, на изделия и конструкции больших размеров, сложной формы;

покрывать изделия из самых разнообразных материалов, включая материалы, не терпящие термообработки в печи (стекло, фарфор, дерево,

ткань, бумага) ;

обеспечить равномерное покрытие как на большой площади, так и на ограниченных участках больших изделий, тогда как нанесение покрытий погружением в расплав, электростатическое осаждение, диффузионное насыщение и другие методы могут быть использованы, в основном, для деталей, размеры которых не превышают рабочих объемов используемых для этих целей ванн или нагревательных устройств;

значительно увеличить размеры детали (восстановление и ремонт изношенных деталей). Этим методом можно наносить слои толщиной в несколько миллиметров;