ОТВЕРЖДЕНИЕ ЛАКОКРАСОЧНЫХ ПОКРЫТИЙ
Работа добавлена: 2016-07-25





ОТВЕРЖДЕНИЕ ЛАКОКРАСОЧНЫХ ПОКРЫТИЙ

1 Отверждение покрытий из жидких органорастворимых лакокрасочных материалов

1.1 Плёнкообразование жидких органорастворимых лакокрасочных материалов

Основой получения лакокрасочных покрытий является процесс плёнкообразования. Под пленкообразованием понимают процесс перехода материала из жидкого или вязкотекучего состояния в твёрдое на поверхности подложки с образованием адгезированной пленки.

Пленкообразование значительной части лакокрасочных материалов осуществляется в результате физических процессов: испарения растворителей, астабилизации и обезвоживания латексов, охлаждения расплавов. Другая часть материалов образует покрытия в результате либо химических процессов полимеризации или поликонденсации, либо одновременного (а часто последовательного) протекания физических и химических процессов [30, 31].

Так как эксплуатационноспособными считаются покрытия, в которых плёнкообразователь (полимер) находится в кристаллическом, стеклообразном или высокоэластическом состоянии, пленкообразование связано с фазовыми или физическими переходами, т.е. с изменением взаимного расположения молекул и термодинамических свойств вещества.

Независимо от того, какие процессы лежат в основе пленкообразования, внешним их проявлением служит постепенное или скачкообразное увеличение вязкости материала. Если исходный материал был жидким, то на определенной стадии процесса он становится вязкотекучим, потом высокоэластическим и, наконец, приобретает свойства твердого стеклообразного тела [31].

Несмотря на одинаковую направленность процессов, а именно, установление и упрочнение внутри- и межмолекулярных связей в исходном материале, пленкообразование из различных лакокрасочных систем имеет свои характерные особенности.

Различают два вида плёнкообразования:

Плёнкообразование, осуществляемое в результате химических превращений, предусматривает проведение химических реакций с мономерами или олигомерами в тонком слое на подложке, в результате которых образуются линейные, разветвленные или пространственно-сшитые полимеры. Образование полимеров может происходить в результате реакций гомополимеризации, сополимеризации, поликонденсации, солеобразования или протекания нескольких реакций одновременно [32].

Можно выделить два вида плёнкообразования, осуществляемого в результате химических реакций:

Покрытия посредством полимеризации на подложке получают из многих плёнкообразователей: масляных, алкидных, ненасыщенных полиэфирных, эпоксидных, полиуретановых.

Поликонденсацией на подложке получают покрытия из разных видов олигомерных преобразователей: фенолоальдегидных, мочевино-, меламиноформальдегидных, полиэфирных.

Пленкообразование, при котором отсутствуют химические превращения, предопределяет получение обратимых (растворимых) покрытий. При этом свойства материала пленки во многом соответствуют свойствам исходных пленкообразователей, которыми служат преимущественно полимеры аморфного или кристаллического строения: виниловые, акриловые, полиолефины, полиамиды и др.

В зависимости от химической природы пленкообразующего вещества, его растворимости, термопластичности покрытия получают из растворов, расплавов, водных и органических дисперсий, аэродисперсий (порошковых систем). В большинстве случаев покрытия отличаются хорошими механическими и изолирующими свойствами, однако имеют невысокую адгезионную прочность [7, 32].

Более 90% ремонтных лаков и красок содержат растворители. Поэтому пленкообразование из растворов, связанное с удалением из них растворителей, распространено в технологии  ремонтных лакокрасочных покрытий. Растворители удаляют обычно испарением.

С кинетической точки зрения процесс испарения растворителей можно разделить на две стадии (рис. 3.1).

I - испарение растворителей из жидкой пленки, контролируемое поверхностными явлениями;

II -испарение из сформировавшейся твердой пленки, определяемое диффузионными процессами в массе полимерного материала.

Рисунок 3.1 – Кинетика испарения растворителейGи изменения объёмаVлакокрасочного материала при плёнкообразовании

Первую стадию из-за низкой вязкости и наличия конвективного перемешивания раствора можно рассматривать как испарение растворителей со свободной поверхности.

Вторая стадия испарения обычно начинается при содержании растворителя в пленке 5…15%, когда вязкость раствора становится высокой и вследствие этого не происходит его конвективного перемешивания. Скорость улетучивания растворителей на этой стадии контролируется внутренней диффузией, при этом коэффициент диффузии изменяется с концентрацией растворителя [32].

При отвердевании пленки (переходе в стеклообразное состояние) вязкость пленкообразователей достигает 1011…1012 Па٠с.В этих условиях коэффициент диффузии растворителей крайне мал.Это затрудняет диффузионный перенос растворителей особенно на последних стадиях формирования покрытий.Вследствие односторонней диффузии в пленке всегда имеет место определенный градиент концентрации растворителя по толщине;его содержание возрастает от периферии к подложке.

Пигментирование пленкообразующих систем замедляет испарение растворителей, особенно если используются пигменты и наполнители чешуйчатого строения (алюминиевая пудра, микрослюда и др.). Испарение ускоряется с увеличением скорости движения воздуха над слоем лакокрасочного материала [31, 32].

Испарение растворителей сопровождается изменением многих параметров системы: уменьшается объем материала (рис. 3.1), в основном за счет толщины слоя, увеличивается поверхностное натяжение, понижается температура пленки вследствие затраты теплоты на парообразование. Эти изменения сказываются на структуре и свойствах образующихся покрытий. Особенно сильно влияют на структурные характеристики природа растворителя, его термодинамическое «качество» по отношению к пленкообразователю, поверхностное натяжение и летучесть (скорость испарения из пленки).

Качество растворителей влияет на многие другие свойства покрытий: механические, адгезионные, стойкость к старению и т. д. Это влияние может быть непосредственным (каталитическое или стабилизирующее действие остаточного растворителя на полимер) или косвенным, т. е. проявляться через структуру материала пленки.

При формировании покрытий из растворов, как и из любых жидких лакокрасочных материалов, различают два состояния пленок: высыхание «от пыли», когда пленка утрачивает липкость, и практическое высыхание, когда покрытие приобретает твердость, необходимую для последующей обработки изделий. Время высыхания «от пыли» обычно коррелируется с продолжительностью испарения из пленки примерно 60% растворителей, растекание же лакокрасочного материала на поверхности прекращается уже при испарении 25…30% растворителей [32].

О завершенности процесса формирования покрытий обычно судят по их твердости, липкости, электрическим параметрам.

Следует учитывать, что сформированные в естественных условиях покрытия всегда содержат некоторое количество (0,1…2%) остаточных растворителей, которые нередко сохраняются длительное время, отрицательно сказываясь на свойствах покрытий и ухудшая гигиенические условия эксплуатации окрашенных изделий.

3.1.2 Формирование покрытий из органорастворимых лакокрасочных материалов конвективным нагревом

На ускорение процесса сушки влияет ряд факторов, наиболее важными из которых являются температура нагревания лакокрасочного слоя и степень подвижности воздуха. При неподвижном воздухе среда, непосредственно соприкасающаяся со свежеокрашенной поверхностью, насыщается парами растворителей, и процесс сушки замедляется. При беспрерывной смене воздуха пары растворителя уносятся с поверхности окрашенного изделия. Большое влияние на испарение растворителей оказывает и скорость воздушного потока в зоне сушки.[33]

Сушка жидких лакокрасочных материалов может происходить при температуре 18…230С (естественная сушка) или при повышенной температуре (искусственная сушка). Широкое применение нашли следующие методы искусственной сушки лакокрасочных покрытий: конвективная, терморадиационная и терморадиационно – конвективная. [34]

При конвективном способе нагревание слоя лакокрасочного материала и изделия осуществляется за счёт передачи теплоты от окружающего воздуха или топочных газов. Теплота передаётся поверхности и постепенно распространяется внутрь плёнки, поэтому затвердевание покрытия происходит с поверхности раздела плёнка – газовая среда.

Вследствие низкой теплопроводности газов в конвективной передаче теплоты покрытию принимают участие лишь слои, непосредственно контактирующие с изделием. Для улучшения теплопередачи применяют перемешивание нагретых газов, что вызывает дополнительные затраты энергии.

Рисунок 3.2 – Схема конвективного отверждения ЛКМ:

1 – отверждённый слой ЛКМ; 2 – неотверждённый слой ЛКМ; 3 – подложка; 4 – выход паров расворителя

С теплотехнической точки зрения в процессе отверждения можно выделить три стадии (рис.3.3): «1» – подъём температуры, «2» – отверждение (сушка), «3» – охлаждение покрытия. Стадия «1» характеризуется наличием температурного градиента в плёнке [36]:

;                                                    (3.1)

где  - температура в сушилке;

      - температура подложки.

Температурный градиент тем больше, чем выше температура в сушилке и ниже температура подложки. Большой перепад температур приводит к неравномерному протеканию процесса отверждения: в верхней части плёнки возможны деструктивные процессы, тогда как у подложки процесс может быть полностью незавершён [33, 35].

Рисунок 3.3 – Температурно-временная характеристика конвективной сушки покрытий

Стадия «1» при конвективном способе нагрева обычно длительна и во многом определяет общее время отверждения покрытия;  зависит от массы и теплофизических параметров материалов покрытия, изделия и скорости подвода к ним теплоты. Ориентировочно время  (в мин.), необходимое для выравнивания температуры в сушилке и подложки, находят как утроенное произведение толщины покрываемого изделия [35]:

                                                           (3.2)

где δ – толщина покрываемого изделия (мм)

Продолжительность стадии «2» зависит от скорости протекания процессов в плёнке и является функцией температуры. Стадия «3» может быть проведена как в пределах сушильной установки, так и вне её.

В работе [33] глубоко изучен процесс конвективного отверждения лакокрасочных материалов, что позволило оценить эффективность данного типа отверждения лакокрасочных покрытий, выявить особенности сложного процесса и получить необходимые обобщения.

Основными факторами, влияющими на процесс конвективного отверждения являются:

Так высокотемпературное конвективное отверждение эмали МЧ-123 дает возможность существенно интенсифицировать процесс отверждения покрытия при возрастании скорости обдувки изделий с плёнками до= 8 м/сек.Дальнейшее повышение скорости теплоносителя не приводит к заметному ускорению процесса (рис. 3.4).

Рисунок 3.4 – Темп нагрева плёнки и кинетика запекания эмали МЧ-123  при конвективном отверждении в нестационарных условиях прогрева (80…150ºС) при различных скоростях обдува:

1 – темп нагрева плёнки при скорости обдува покрытияv=8 м/сек; 2 – темп нагрева плёнки при скорости обдува покрытияv=5,5 м/сек; 3 – твёрдость покрытия, полученного при скорости обдува покрытияv=8 м/сек; 4 – твёрдость покрытия, полученного при скорости обдува покрытияv=5,5 м/сек.

Можно полагать, что при указанном диапазоне скоростей обдувки изделий горячим воздухом кинетика процесса отверждения не лимитируется подводом кислорода воздуха к отверждаемой поверхности и диффузией его внутрь покрытия. Иначе говоря, в первый период высокотемпературного отверждения (150°C)интенсивное удаление растворителя из отверждаемого покрытия препятствует подводу «свежего» кислорода воздуха через пограничный слой к поверхности покрытия. В итоге усугубляется неравномерность отверждения пленки по сечению, поскольку быстро образуется внешний «тонкий» отвердевший слой, поглотивший некоторое количество кислорода воздуха.

Для меламино-алкидных эмалей (типа МЛ-1110) возрастание скорости  возрастание скорости обдувки изделий примерно в 1,75 раза (кривые 1 и 2 на рисунке 3.5) приводит к соответствующей интенсификации процесса покрытий (кривые 3 и  4 на рисунке 3.5).

Рисунок 3.5 – Темп нагрева плёнки и кинетика запекания эмали       МЛ-1110 при конвективном отверждении в нестационарных условиях прогрева (80…150ºС) при различных скоростях обдува:

1 – темп нагрева плёнки при скорости обдува покрытияv=8 м/сек; 2 – темп нагрева плёнки при скорости обдува покрытияv=5,5 м/сек; 3 – твёрдость покрытия, полученного при скорости обдува покрытияv=8 м/сек; 4 – твёрдость покрытия, полученного при скорости обдува покрытияv=5,5 м/сек.

Установлено, что при прочих равных условиях тип пленкообразователя главным образом обусловливает кинетику конвективного отверждения ЛКМ, в то же время в некоторых случаях следует учитывать и физико-химические особенности пигмента [36, 37].

Так, на кинетику запекания эмалей ФСХ при конвективной сушке оказывает также влияние род пигмента. Как следует из рисунков 3.6…3.7, скорость запекания эмали ФСХ на голубом пигменте при прочих равных условиях ниже скорости запекания эмали ФСХ на красном пигменте. Иначе говоря, специфика взаимодействия частиц пигмента с окружающим их однотипным пленкообразователем, в данном случае фталевым лаком, приводит к изменениям в скорости отвердения пленок эмали ФСХ различных цветов, что согласуется с данными [38].

Рисунок 3.6 – Темп нагрева плёнки и кинетика запекания эмали ФСХ на голубом пигменте при конвективном отверждении в нестационарных условиях прогрева (80…150ºС) при различных скоростях обдува:

1 – темп нагрева плёнки при скорости обдува покрытияv=8 м/сек; 2 – темп нагрева плёнки при скорости обдува покрытияv=5,5 м/сек; 3 – твёрдость покрытия, полученного при скорости обдува покрытияv=8 м/сек; 4 – твёрдость покрытия, полученного при скорости обдува покрытияv=5,5 м/сек.

Рисунок 3.7 – Темп нагрева плёнки и кинетика запекания эмали ФСХ на красном пигменте при конвективном отверждении в нестационарных условиях прогрева (80…150ºС) при различных скоростях обдува:

1 – темп нагрева плёнки при скорости обдува покрытияv=8 м/сек; 2 – темп нагрева плёнки при скорости обдува покрытияv=5,5 м/сек; 3 – твёрдость покрытия, полученного при скорости обдува покрытияv=8 м/сек; 4 – твёрдость покрытия, полученного при скорости обдува покрытияv=5,5 м/сек.

Скорость удаления растворителей также оказывает влияние на кинетику твердения и качество лакокрасочных пленок, наиболее заметно проявляющееся при их конвективной сушке.

На рисунках 3.8…3.10 приведены кривые сушки и скорости сушки растворителей эмали МЧ-123, из которых следует, что имеет место два периода процесса: период постоянной и падающей скоростей [38, 39].

Из рисунков видно, что неравномерность прогрева плёнок эмалей в рассматриваемом случае обуславливает быстрое образование плотной поверхностной микроплёнки. В результате даже после 4…8 минут высокотемпературной конвективной сушки покрытий наблюдаются остатки растворителя в глубинных слоях эмалей, что известным образом замедляет кинетику их твердения.

Рисунок 3.8 – Кривые сушки (а) и скорости сушки растворителей (б) эмали МЧ-123 на металлических подложках δ=3 мм, при скорости обдувки горячими газами сv≈16м/сек.

Рисунок 3.9 – Кривые сушки (а) и скорости сушки растворителей (б) эмали МЧ-123 на металлических подложках δ=3 мм, при скорости обдувки горячими газами сv≈8м/сек.

Рисунок 3.10 – Кривые сушки (а) и скорости сушки растворителей (б) эмали МЧ-123 на металлических подложках δ=3 мм, при скорости обдувки горячими газами сv≈5,5м/сек.

В связи с этим необходимо отметить, что при естественной сушке эмалевого покрытия толщиной 30 мкм (δ=30 мкм) практически в течение 10 минут удалиться до 50% растворителя (рис. 3.11) [39].

Рисунок 3.11 – Скорость естественной сушки эмалевого покрытия

Высокотемпературное конвективное отверждение ЛКМ эффективно при получении покрытий на изделиях сложной конфигурации.

3.1.3 Формирование покрытий из органорастворимых лакокрасочных материалов терморадиационным нагревом

Терморадиационный способ, или способ лучистого нагрева в настоящее время является  одним из основных способов отверждения покрытий.

Принцип отверждения основан на использовании лучистой энергии, испускаемой нагретыми телами, такими, как лампы накаливания, металлические и керамические плиты, спирали, газовые горелки и др.

При сушке лакокрасочных материалов инфракрасными лучами термоизлучение, проникая через слой покрытия, нагревает внутреннюю поверхность подложки. Возникает перепад температур между внутренней поверхностью пленки, соприкасающейся с металлом, и ее слоями, находящимися ближе к поверхности покрытия (рис. 3.12). Иначе говоря, имеет место градиент температур, направленный изнутри к поверхности.Таким образом, исходя из общей теории тепло- и массообмена, при терморадиационном отверждении во внутренних слоях пленки имеет место совпадение по знаку (направлению) градиента общего давления паров воздуха от подложки к поверхности пленки и градиента температур (эффект термовлагопроводности).

Процесс отверждения покрытий можно представить следующим образом [39] (рисунок 3.12). В слой материала2,нанесенный на подложку1,входит поток лучистой энергииа-б-в-г.Часть этого потокаапоглощается в слое материала и превращается в тепло, вследствие чего поверхности подложки достигает только потокб-в-г,часть которогоб поглощается в поверхностном слое подложки, нагревая последнюю, а лучистая энергияв-готражается от поверхности подложки. Отраженное излучение частично поглощается слоем лакокрасочного материалав,а некоторая доля егогвыходит из слоя ЛКМ в окружающее пространство и практически не используется.

Рисунок 3.12 – Схема проникновения инфракрасных лучей в слой лакокрасочного материала:

1 – подложка; 2 – лакокрасочный материал;l1толщина подложки;l2толщина нанесённого лакокрасочного материала;tвтемпература окружающего воздуха;х – координата максимума температуры;а –часть лучистого потока поглощенного слоем ЛКМ; б –часть лучистого потока поглощенного слоем подложки;в –часть отражённого лучистого потока поглощенного слоем ЛКМ;г - часть отражённого лучистого потока непоглощенного слоем ЛКМ.

Для процесса отверждения покрытия имеют большое значение те части лучистого потока, которые на рисунке отмечены буквамиа, б, в.

Для отверждения терморадиационным методом используются два типа излучений. Коротковолновое излучение с длиной волны λ = 760…2500 нм считается светлым. Такое излучение характерно для ламповых (или «светлых») излучателей. В отличие от него излучение с длиной волны            λ = 3500…4500 нм называют темным. Источниками его являются тела с температурой нагрева 650…720 К («тёмные» излучатели) [7, 39].

Степень восприятия лакокрасочными материалами лучистой энергии  с различной длиной волны  неодинакова, соответственно различен и эффект её действия при отверждении.

Процесс запекания лакокрасочной пленки, по мнению ряда исследователей [39, 41], является процессом чисто температурной полимеризации, поликонденсации или окисления. Аналогичными соображениями руководствовался Л. Л. Павловский [39], разрабатывая метод расчета сушки изделий, покрытых лаками или эмалями. Согласно этим данным, достижение требуемой твердости эмалевого покрытия обеспечивается созданием в пленке необходимой для протекания процесса запекания температуры (120…150°С) вне зависимости от того, каким способом эта температура достигнута.

Как уже отмечалось, основным требованием, вытекающим из принятого в настоящее время представления о механизме терморадиационной сушки лаков и эмалей, является достаточная проницаемость их для инфракрасных лучей. Эта проницаемость создает условия для протекания процесса запекания от подложки к наружным слоям без образования поверхностной пленки, препятствующей удалению растворителя [38]. Ж. Леконт в подтверждение этой точки зрения приводит результаты опытов по сушке лака, нанесенного на металлическую пластинку и высушенного в одном случае, когда пленка лака обращена к излучателю, а в другом облучению подвергалась противоположная, не покрытая лаком поверхность. Данные, приведенные на рисунке 3.13, убедительно доказывают, что при одинаковом ходе температурной кривой (на границе эмали и подложки) скорость затвердевания пленок при непосредственном воздействии терморадиации на покрытия значительно возрастает.

На основании результатов опытов, представленных в работе [39], можно сделать вывод о том, что процесс запекания не является чисто тепловым процессом и его интенсивность в значительной степени обусловлена специфическим воздействием инфракрасной радиации, которая должна  быть связана со спектральной характеристикой  падающего на лакокрасочную пленку излучения. Здесь имеется в виду эффект воздействия излучения определенной частоты на полимеризацию молекул.

Рисунок 3.13 – Кинетика запекания эмали МЛ-1110 терморадиационным способом при одинаковом темпе нагрева:

1 – темп нагрева плёнки; 2 – кинетика запекания эмали, когда окрашенная поверхность обращена к излучателю; 3 – кинетика запекания эмали, когда к излучателю обращена неокрашенная поверхность.

Естественно предположить, что воздействие на лак или эмаль лучистой энергии с частотой, соответствующей частотам собственных колебаний тех групп атомов, которые участвуют в процессе полимеризации, должно вызвать явление, подобное резонансу, в результате чего межатомные связи могут разрушаться и создаваться новые высокомолекулярные образования. Например, в масляных ЛКМ процесс высыхания связан с разрывом двойной связи в группе С = С, собственные колебания которой соответствуют длине волны 3…3,3мк.В лаках и эмалях на мочевино-формальдегидной основе процесс высыхания связан с разрывом связиN =C, Имеющей частоту собственных колебаний в области 3…5мк,и присоединением молекулы формальдегида, собственные колебания которой соответствуют 3,6 и 5,7мки т.п [38, 39].

Как видно из приведенных данных, область собственных колебаний групп атомов, активно участвующих в процессе полимеризации, соответствует максимуму излучения абсолютно черного тела в интервале температур 300…700° С. Таким образом, можно предположить, что процесс формирования пленки лака протекает под влиянием двух факторов: температуры и радиационного эффекта.

Результаты, полученные Г.Д. Рабиновичем и Л.С. Слободкиным [39], по запеканию трех типов эмалей, изготовленных на глифталевой, мочевино-формальдегидной и алкидно-меламиновой основах, в сушильных камерах со светлыми и темными излучателями представлены на рисунках 3.14…3.16.

Рисунок 3.14 – Сравнительная характеристика эффективности керамического и лампового излучателей по скорости запекания эмали МЧ-123 при одинаковом темпе нагрева:

1 – темп нагрева подложки;2 – скорость запекания эмали при использовании светлого излучателя (плотность падающего лучистого потокаqпад=0,88 вт/см2); 3 – скорость запекания эмали при использовании керамического (тёмного) излучателя (плотность падающего лучистого потокаqпад=0,88 вт/см2).

Рисунок 3.15 – Сравнительная характеристика эффективности керамического и лампового излучателей по скорости запекания эмали ФСХ при одинаковом темпе нагрева:

1 – темп нагрева подложки;2 – скорость запекания эмали при использовании светлого излучателя (плотность падающего лучистого потокаqпад=1,5 вт/см2); 3 – скорость запекания эмали при использовании керамического (тёмного) излучателя (плотность падающего лучистого потокаqпад=0,88 вт/см2).

Из рисунков видно, что если мочевино-формальдегидная эмаль МЧ-123 и глифталевая эмаль ФСХ (голубая) при одинаковом темпе нагрева подложек затвердевают значительно быстрее при терморадиационном воздействии керамических темных излучателей, то алкидно-меламиновая эмаль МЛ-1110 (синяя), наоборот, затвердевает при прочих равных условиях быстрее при радиационном воздействии ламповых излучателей. Объяснение этим явлениям можно найти из сопоставления спектральных характеристик рассматриваемых эмалей, которая, выражается коэффициентом экстинкции (коэффициент ослабления монохроматического излучения). Чем больше этот коэффициент, тем меньше пропускательная способность эмали, а следовательно, и специфичность воздействия на них тепловой радиации, которая может сказаться только лишь на верхних слоях покрытия [39].

Рисунок 3.16 – Сравнительная характеристика эффективности керамического и лампового излучателей по скорости запекания эмали МЛ-1110 при одинаковом темпе нагрева:

1 – темп нагрева подложки;2 – скорость запекания эмали при использовании светлого излучателя (плотность падающего лучистого потокаqпад=1,2 вт/см2); 3 – скорость запекания эмали при использовании керамического (тёмного) излучателя (плотность падающего лучистого потокаqпад=0,8 вт/см2).

Полученные данные позволяют сформулировать следующее принципиальное положение: выбор источника излучения для проведения процесса сушки (запекания) лакокрасочных пленок тесным образом связан с химической структурой пленкообразователя, составляющего основу эмали или лака. Поэтому нельзя говорить о преимуществах того или иного вида излучателей безотносительно к тем конкретным типам эмалей, для высушивания которых эти излучатели применяются.

На рисунках 3.17 и 3.18 представлены результаты опытов, в которых была достигнута одинаковая твердость пленки при воздействии различных типов излучателей [39]. Для меламино-алкидной эмали МЛ-1110 (белая ночь) требуемая плотность падающего лучистого потока при использовании ламп вдвое меньше, чем при воздействии низкотемпературного керамикового излучателя, в то время как при сушке мочевино-формальдегидной эмали МЧ-123  имело место обратное соотношение (при сопоставимых значениях коэффициентов отражения поверхностей эмалей).

Рисунок 3.17 – Сравнительная эффективность керамического и лампового излучателей по темпу нагрева эмали МЛ-1110 (белая ночь) при одинаковой скорости запекания:

1 – темп нагрева подложки ламповым излучателем (плотность падающего лучистого потокаqпад=0,4 вт/см2);2 - темп нагрева подложки керамическим излучателем (плотность падающего лучистого потокаqпад=0,8 вт/см2); 3 – скорость запекания эмали при использовании светлого излучателя; 4 – скорость запекания эмали при использовании керамического (тёмного) излучателя.

Сравнительная оценка эффективности конвективного и терморадиационного отверждения показывает, что при одинаковом темпе нагрева эмали МЛ-1110 (белая ночь), скорость запекания покрытия в случае терморадиационного нагрева плёнок светлыми излучателями существенно выше, чем при конвективном прогреве (рис. 3.19).

Рисунок 3.18 – Сравнительная эффективность керамического и лампового излучателей по темпу нагрева эмали МЧ-123 при одинаковой скорости запекания:

1 – темп нагрева подложки ламповым излучателем (плотность падающего лучистого потокаqпад=1,5 вт/см2);2 - темп нагрева подложки керамическим излучателем (плотность падающего лучистого потокаqпад=0,88 вт/см2); 3 – скорость запекания эмали при использовании светлого излучателя; 4 – скорость запекания эмали при использовании керамического (тёмного) излучателя.

На ускорение процесса запекания терморадиационным способом оказывает влияние, более высокая скорость испарения растворителя, чем при конвективном отверждении [38].

Однако, повышая до оптимальных значений скорость обдува изделий при конвективной сушке, можно обеспечить достаточно высокий темп нагрева подложек и скоростное запекание эмалевых плёнок без изменения цвета покрытий.

Рисунок 3.19 – Сравнительная эффективность терморадиационного и конвективного отверждения эмали МЛ-1110 (белая ночь) при одинаковом темпе нагрева:

1 – темп нагрева подложки; 2 – скорость запекания эмали терморадиационным способом; 3 – скорость  запекания эмали конвективным способом.

3.2 Формирование покрытий из водорастворимых лакокрасочных материалов

Лакокрасочные материалы воднодисперсионного типа характеризуются наличием двух фаз: твердой - полимера и добавок (пигменты, ПАВ) и жидкой - воды.

Пленкообразование из водных дисперсий полимеров рассматривается  как процесс ликвидации межфазной границы полимер - среда на поверхности подложки при одновременном удалении дисперсионной среды. Внешними признаками процесса являются уменьшение объема и оптической плотности пленок (для непигментированных образцов) и увеличение их объемного электрического сопротивления [7].

При формировании покрытий посредством испарения воды выделяются три стадии. Первая стадия - стадия образования промежуточного геля характеризуется сближением частиц и усилением взаимодействия между ними. Вязкость материала резко повышается, он становится пастообразным; содержание жидкой фазы в нем не превышает 20…30%. Этот процесс носит обратимый характер. Скорость испарения воды на этой стадии примерно постоянна и близка к скорости испарения ее со свободной поверхности.

Вторая стадия - синерезис (сжатие) промежуточного геля. При этом происходит дальнейшее удаление воды из пленки и разрушение имеющихся на поверхности глобул адсорбционно-гидратных оболочек. Коагуляционные контакты между частицами заменяются на конденсационные. Частицы деформируются: теряют шарообразную форму и принимают вид плотно уложенных многогранников. Образуется так называемая псевдопленка.

Третью стадию составляют аутогезионные процессы, заключающиеся в ликвидации межфазной границы, т. е. слиянии глобул. При этом содержащиеся на их поверхности ПАВ либо растворяются в полимере, либо вытесняются из межглобулярного пространства, образуя самостоятельную фазу [7].

Формирование покрытий из водорастворимых лакокрасочных материалов производиться аналогично органорастворимым ЛКМ. Однако скорость испарения воды ниже скорости испарения растворителя, поэтому время формирования лакокрасочной плёнки увеличивается [42].

В связи с этим, с целью ускорения формирования покрытий из водорастворимых ЛКМ применяются устройства для дополнительного бокового обдува окрашенной поверхности (системаVenturi) Основой системыVenturi является обдувочная головкаVenturi, которая представляет собой воздушный преобразователь, на вход которого поступает воздух под давлением 20…40 МПа. На выходе давление воздуха снижается почти до атмосферного, а его объём возрастает почти в 10 раз. При этом образуется мощная направленная воздушная струя, которая интенсифицирует процесс испарения воды. Следует отметить, что почти 90% воздуха забирается из окрасочно-сушильной камеры.

3.3 Формирование покрытий из порошковых лакокрасочных материалов

Формирование покрытий из порошковых ЛКМ связано с  протеканием следующих процессов на поверхности подложки:

  1. ожижение  - переход порошкового материала в капельно-жидкое состояние (расплав);
  2. монолитизация  - слияние частиц (капель);
  3. отверждение – переход материала из расплава в твёрдое состояние при охлаждении (а в случае реактопластов – и в результате химической реакции).

Обычно ожижение пленкообразователей проводят нагреванием, однако возможно применение и дозировочного воздействия на порошок растворителем (парами или аэрозолем) [7, 43].

3.3.1 Сплавление частиц при нагревании

Нагревание - наиболее простой и распространенный способ перевода твердых пленкообразователей в вязкотекучее состояние, при котором обеспечивается слияние их частиц, формирование пленки сопровождается процессами:

Как и в случаях других дисперсных систем, формирование покрытий из порошковых лакокрасочных материалов связано с деформацией и слиянием их частиц под влиянием поверхностной энергии [29].

Слияние частиц (рис. 3.20) с удовлетворительной скоростью протекает при вязкости расплавов 102...103 Па·с. При одной и той же вязкости пленкообразователи с высоким поверхностным натяжением (эпоксиолигомеры, σ = 50 мДж/м2) формируют покрытия быстрее, чем пленкообразователи снизким поверхностным натяжением (полифторолефины, σ =20 мДж/м2).

При сплавлении уменьшается объем порошкового материала; усадка  на стадии активного уплотнения, равно как изменение индивидуальных частиц при изотермическом нагреве, носят прямолинейный характер.

Слияние частиц порошковых материалов происходит по механизму вязкого течения. Движущей силой процесса является поверхностная энергия системы.

Рисунок 3.20 – Схема слияния двух частиц и роста контактного перешейка при плёнкообразовании (стрелками указано направление движения вещества и действия капиллярных сил):

R – радиус частицы;x– величина контактного перешейка;ρ – капиллярное давление

Капиллярное давлениеρ(рис.3.20), достигает в начальной стадии процесса 102 Дж/м2 и более. Сплавление частиц порошковых красок может быть проведено в широком интервале температур; разумеется, чем ниже температура, тем длительнее этот процесс. Свойства покрытий, получаемых при разных температурах, неидентичны. Так, покрытия, изготовленные при низких температурах, как правило, более светлые, но менее гладкие, чем покрытия высокотемпературного сплавления. Механическая прочность и адгезия у них также могут быть различными.

Образование покрытия связано с установлением контакта полимера с поверхностью подложки. Полнота контакта зависит от смачивающей способности расплава, которая, в свою очередь, определяется энергетическими факторами системы полимер-подложка, а именно, убылью свободной поверхностной энергии на границе раздела твердое тело-жидкость-газ.

Так как твердые тела, служащие подложкой (металлы, силикаты и др.), являются высокоэнергетическими (σТГ = 500...2000 мДж/м2), они в большинстве случаев удовлетворительно смачиваются расплавами пленкообразователей, имеющими низкие значения поверхностного натяжения (σЖГ = 15...55 мДж/м2). Разумеется, в процессы смачивания вносят свои поправки адсорбционные и конверсионные слои, а также микрорельеф поверхности [29].

Смачивание и растекание улучшаются с повышением температуры формирования покрытий, при этом противодействующая сила,определяющая гистерезис смачивания, заметно уменьшается. Температурная зависимость растекания расплавов у разных полимеров неодинакова. Большое влияние на растекание оказывают деструктивные   процессы. Один из эффективных путей улучшения растекания расплавов  (даже с большим поверхностным  натяжением) - тщательная подготовка поверхности покрываемых изделий и применение грунтовок.

Применение внешнего давления (прикатывание расплавленного порошка, действие центробежной силы) ускоряет деформацию частиц на подложке и способствует получению более ровных и качественных покрытий. Смачивание во многом определяет адгезионную прочность покрытий. Максимум адгезии соответствует завершению процесса сплавления частиц, при котором достигается предельная степень контакта полимера с подложкой. В этом отношении адгезионная прочность нередко может служить критерием оценки завершенности процесса образования покрытия.

В практических условиях покрытия обычно формируют на воздухе. При этом возможна термоокислительная деструкция полимеров; она протекает тем интенсивнее, чем выше температура нагрева и длительнее процесс.

Воздушная среда неблагоприятно сказывается и на передаче теплоты слою порошкового материала, а отсюда, и на скорости формирования покрытий.

3.3.2 Плёнкообразование с участием растворителей

Формирование покрытий из порошковых красок может происходить не только за счет слияния расплавленных частиц, но и в результате их коалесценции в набухшем состоянии. В последнем случае снижение вязкости пленкообразователя достигается воздействием растворителей (пара или аэрозоля), на порошок, нанесенный на подложку.

По физико-химической сущности процессы, происходящие при воздействии растворителя на порошковый полимер, подобны процессам, протекающим при сплавлении частиц [45]. Первоначальной стадией является набухание полимера в растворителе, при этом его вязкость уменьшается.

В процессе набухания изменяются свойства порошков: увеличивается размер частиц, возрастает масса порошкового материала, однако его объем при этом уменьшается. На определенной стадии контакта полимера с растворителем, соответствующей переходу системы в вязкотекучее состояние, происходит слияние частиц с образованием гомогенной прозрачной пленки.

Как и в случае расплавов, аутогезия набухших частиц происходит при достаточно высокой вязкости (102…103 Па·с). При этом объемное поглощение растворителей пленкообразователями  составляет 18…70%, что в несколько раз меньше, чем в случае формирования аналогичных пленок из растворов.

Поскольку время слияния набухших частиц лимитируется их вязкостью, все факторы, обеспечивающие ее снижение - использование пленкообразователей с пониженной молекулярной массой, повышение температуры и концентрации растворителей -  позволяют увеличить скорость формирования покрытий.

Процесс испарения подчиняется общим закономерностям улетучивания растворителей из лакокрасочных материалов растворного типа. В случае кристаллических полимеров во избежание преждевременной кристаллизации из раствора (полимер выпадает в виде порошка) растворитель следует удалять при температурах выше температуры кристаллизации.

Стадия испарения растворителя отсутствует, если в качестве посредника пленкообразования используют летучие отвердители или мономеры. Необходимым ингредиентом порошковых красок в последнем случае является инициатор полимеризации. При контакте порошковой краски, нанесенной на подложку, с парами или аэрозолем мономера одновременно с процессом его сорбции происходит полимеризация. При этом сорбционное равновесие между мономером, находящимся внутри пленки и вне ее, не устанавливается: масса образца непрерывно увеличивается, достигая сотен и более процентов по отношению к исходному полимеру. В отличие от растворителей процесс сорбции мономеров прекращается только после исключения их контакта с пленкой или полного израсходования инициатора полимеризации. Конверсия мономеров сначала быстро растет, а после достижения 90…92% несколько уменьшается [46].

В зависимости от типа и характера распределения инициатора в порошковом материале образование новой фазы (полимера) может происходить или равномерно во всей массе пленки, или локально от поверхности подложки. Соответственно образуются биполимерные покрытия с равномерным или послойным распределением полимеров в пленке. Покрытия могут быть однородными и микронеоднородными, обратимыми и необратимыми.

Способ формирования покрытий с участием растворителей и мономеров относится к числу низкотемпературных. Он удобен для получения покрытий на изделиях из нетермостойких материалов, в том числе пластмасс. Отпадает необходимость в термостабилизации полимеров; из-за отсутствия деструкции повышается качество покрытий.

Недостатком способа является необходимость использования органических растворителей и мономеров, нередко токсичных и огнеопасных. Длительность цикла изготовления таких покрытий обычно больше, чем аналогичных покрытий из расплава.

3.3.3 Способы нагрева покрытий из порошковых лакокрасочных материалов

Для нагрева покрытий из порошковых лакокрасочных материалов применяются те же способы нагрева, как при искусственной сушке жидких лакокрасочных покрытий, а именно: конвективный и терморадиационный.

Рисунок 3.21 – Типовые зависимости отверждения покрытий, полученных из порошковых красок при разных способах нагрева

При формировании покрытий из порошковых красок можно выделить следующие области (рис. 3.21):

Следует учитывать, что при формировании покрытий из порошковых красок без участия растворителей и мономеров, отверждение покрытий в естественных условиях невозможно, как это имеет место в жидких ЛКМ. Кроме того,  после окончания процесса отверждения, твёрдость покрытий из порошковых красок увеличиваться не будет.

Поэтому, режимы формирования покрытий из порошковых ЛКМ, должны обеспечивать полное отверждение.

3.3.3.1 Формирование покрытий из порошковых красок конвективным способом

Проводимые нами исследования процесса отверждения покрытий из порошковых ЛКМ конвективным способом производилось при различных температурах и различном времени выдержки образцов в печи оплавления [43]. Как было сказано выше,оценкой завершенности процесса образования покрытия является степень адгезии получаемых покрытий. Надрезы на поверхности лакокрасочной плёнки наносились при помощи прибора «Pig-Universal» (рис. 3.22).

Рисунок 3.22  -  Общий вид прибора «Pig-Universal»

Для определения адгезии применяли метод решётчатых надрезов. Сущность метода заключается в нанесении на готовое лакокрасочное покрытие решётчатых надрезов и визуальной оценке состояния покрытия по четырёхбалльной системе (рис. 3.23)[47].

Рисунок 3.23 – Схема нанесения решетчатых надрезов

Исследования конвективного отверждения проводились при четырёх режимах (рис.3.24…3.27).

Первоначально испытания проводили при температуре 180ºС с выдержкой 15 минут. При данном режиме отверждения образцы имели устойчивую степень адгезии на обоих видах образцов (1 балл).

Для следующей серии экспериментов была выбрана температура 160ºС, соответственно, исходя из особенностей конвективного отверждения  покрытий было увеличено время выдержки образцов до 30 минут.  Как и в предыдущей серии экспериментов, степень адгезии образцов стабильна и составляет 1 балл.

Внешний вид полученных покрытий не отличается от вида покрытий полученных при температуре 180ºС, т.е. покрытия имеют однородную структуру без видимых неровностей, что свидетельствует о полноте протекания процесса слияния частиц порошковой краски.

При проведении третьей серии экспериментов температура отверждения была снижена до 140ºС, а время выдержки образцов увеличено до 45 минут.

Также как, и в предыдущем случае, образцы имеют стабильно высокую степень адгезии (1 балл).  Разрушения решётки надрезов не наблюдается.

Рисунок 3.24 – Темп нагрева подложки при конвективном отверждении порошковых ЛКМ с температурой 180ºС:

τ1 – время нестационарного периода нагрева (набор температуры);τ2 – время стационарного периода нагрева (выдержка покрытий),τ2=15 мин.

Рисунок 3.25 – Темп нагрева подложки при конвективном отверждении порошковых ЛКМ с температурой 160ºС:

τ1 – время нестационарного периода нагрева (набор температуры);τ2 – время стационарного периода нагрева (выдержка покрытий),τ2=30 мин.

Рисунок 3.26 – Темп нагрева подложки при конвективном отверждении порошковых ЛКМ с температурой 140ºС:

τ1 – время нестационарного периода нагрева (набор температуры);τ2 – время стационарного периода нагрева (выдержка покрытий),τ2=45 мин.

Рисунок 3.27 – Темп нагрева подложки при конвективном отверждении порошковых ЛКМ с температурой 120ºС:

τ1 – время нестационарного периода нагрева (набор температуры);τ2 – время стационарного периода нагрева (выдержка покрытий),τ2=60 мин.

В последствии температура отверждения была снижена до 120ºС. Время выдержки образцов увеличили до 60 минут. При данной температуре отверждения степень адгезии образцов резко упала (рис. 3.28…3.30).

При проведении экспериментов использовались порошковые краски двух видов: эпокси-полиэфирная и полиэфирная. Образцы, окрашенные этими красками при проведении исследований показывали аналогичные результаты  при одинаковых режимах отверждения. Различия между видами  порошковой краски получены при температуре отверждения 120º С. Образцы, окрашенные эпокси-полиэфирной краской имели более высокую степень адгезии (3 балла) по сравнению с образцами, имеющими покрытия из полиэфирной краски (4 балла) (рисунки 3.28 и 3.29).

При снижении температуры отверждения до 120ºС степень адгезии образцов резко снизилась, что свидетельствует о том, что формирование покрытий не завершено в полном объёме.

Рисунок 3.28 – Степени адгезии покрытий из эпокси-полиэфирной краски при различных температурах отверждения

Рисунок 3.29 – Степени адгезии покрытий из полиэфирной краски при различных температурах отверждения

Рисунок 3.30 – Исследование степени адгезии образцов, окрашенных полиэфирной (а) и эпокси-полиэфирной (б) порошковыми красками, отверждаемых при температуре 180º С в течение 15 мин.:

1 – решётчатые надрезы; 2 – исследуемое покрытие

Рисунок 3.31 – Исследование степени адгезии образцов, окрашенных полиэфирной (а) и эпокси-полиэфирной (б) порошковыми краскми, отверждаемых при температуре 160º С в течение 30 мин.:

1 – решётчатые надрезы; 2 – исследуемое покрытие

Рисунок 3.32 – Исследование степени адгезии образцов, окрашенных полиэфирной (а) и эпокси-полиэфирной (б) порошковыми красками, отверждаемых при температуре 140º С в течение 45 мин.:

1 – решётчатые надрезы; 2 – исследуемое покрытие

 Для определения влияния пигмента на конвективное отверждение покрытий были изготовлены образцы белого цвета.  В результате на образце при отверждении при 180ºС была получена первая степень адгезии. При дальнейшем снижении температуры отверждения образцов окрашенных белым цветом величина степени адгезии изменялась в соответствии с диаграммой представленной на рисунке 3.34 (для образцов окрашенных эпокси-полиэфирной краской).

Рисунок 3.33 – Исследование степени адгезии образцов, окрашенных полиэфирной (а) и эпокси-полиэфирной (б) порошковыми красками, отверждаемых при температуре 120º С в течение 60 мин.:

1 – решётчатые надрезы; 2 – исследуемое покрытие

Рисунок 3.34 – Степени адгезии покрытий из белой эпокси-полиэфирной краски при различных температурах отверждения

Исходя из результатов испытания образцов можно сделать вывод о  том, что наиболее приемлемый интервал температур для конвективного нагрева порошковых красок находится в пределах 140...180ºС, и дальнейшее снижение температуры не целесообразно. Следует также отметить, что степень адгезии при отверждении с температурой 140...180ºС не зависит от типа пигмента и вида плёнкообразователя.

3.3.3.2 Формирование покрытий из порошковых красок терморадиационным способом

Формирование покрытий из порошковых лакокрасочных материалов терморадиационным способом предусматривает попадание инфракрасного излучения на лакокрасочную плёнку. При этом, ей передаётся лучистая энергия, которая частично поглощается, частично отражается и частично проходит сквозь лакокрасочный материал (рис. 3.12)[43].

Обозначив суммарную плотность энергии черезЕ0(рис. 3.12), аначало координат выбрать на границе раздела слоев. Тогда количество лучистой энергии, адсорбируемой участком слоя от границы раздела до произвольного сечениях,определится выражением:

                       (3.3)

гдеk— коэффициент экстинкции (ослабления) монохроматического излучения;

l2толщина слоя лакокрасочного материала;

R – коэффициент отражения материала подложки.

Таким образом, необходимо найти нестационарное температурное поле в двухслойной среде с внутренним источником тепла, интенсивность которого определится с учетом (3.3) по формуле:

                                  (3.4)

Краевыми условиями для поставленной задачи являются:

  1. В начальный момент времени температуры по сечению слоя порошка и подложки постоянны и равныtН.
  2. В любой момент времени τ>0 температуры обоих слоев на границе их соприкосновения одинаковы.
  3. Адсорбируемый поверхностным  слоем подложки лучистый поток, определяемый выражением,трансформируется в тепло, отводимое через слой лакокрасочного материала и подложку.
  4. Теплообмен со стороны слоя лакокрасочного материала и со стороны подложки с окружающим воздухом, сохраняющим в течение всего процесса постоянную температуруtВ,происходит путем конвекции.

Таким образом, требуется решить систему уравнений

                                                        (3.5)

при краевых условиях

                                       (3.6)

где один штрих и два штриха относятся соответственно к первому и второму слоям;

с2 и γ2 -теплоемкость и удельный вес лакокрасочного материала;

a -коэффициент температуропроводности;

, α и λ - коэффициенты теплоотдачи и теплопроводности.

Решением системы уравнений (3.6) будет являться температура нагрева подложки и ЛКМ для случая стационарного состояния:

                                                             (3.7)

                                                          (3.8)

где

                             (3.9)

                   (3.10)

Практически во многих случаях достижение полем температур стационарного состояния совпадает во времени с окончанием процесса отверждения полученного покрытия. Температура нагрева подложки и ЛКМ в периоде неустановившегося состояния определяем по выражению (3.11).

          (3.11)

гдеи- функции, определяемые из  (3.7)  и (3.8).

После решения уравнения (3.11) температуру нагрева подложки и слоя ЛКМ можно определить по формулам (3.12) и (3.13) соответственно

                         (3.12)

                      (3.13)

гдеFo2критерий Фурье;

- корень трансцедентного уравнения.

                                             (3.14)

где χ – коэффициент пропорциональности;

Bi – критерий Био.

                                      (3.15)

                                        (3.16)

Приняв, для расчёта толщину покрытия равнойl2, а также толщину подложкиl1, можно рассчитать температуру нагрева подложки образцов различных цветов при нестационарном режиме отверждения по формуле (3.13). Значения коэффициентовА иВ,а также φ(х),определяемыепо формулам (3.9) и (3.10) соответственно, характеризуют оптические свойства отверждаемых покрытий и излучателя.

Аналогично жидким лакокрасочным материалам, для отверждения покрытий из порошковых ЛКМ можно применять «светлые» и «тёмные» излучатели.

При проведении исследований по терморадиационному отверждению порошковых ЛКМ нами был сделан в пользу «светлых» излучателей. Дело в том, что порошковые лакокрасочные материалы достаточно проницаемы для ИК – лучей, при этом проницаемость уменьшается с увеличением длины волны, но относительная прозрачность порошков из-за большой  рассеивающей способности во всём диапазоне длин волн намного меньше, чем у жидких ЛКМ. По мере формирования покрытий проницаемость порошковых плёнкообразователей для ИК – излучения резко возрастает.

Оптические характеристики пигментированных покрытий, особенно отражательная способность, могут изменяться в зависимости от вида пигмента. Это сказывается на скорости формирования  покрытий при лучистом нагреве. Так как плёнка поглощает и отражает только часть лучистой энергии, то остальная, большая её доля попадает на подложку. Отсюда, изменяя спектральные характеристики ИК – излучения и оптические свойства ЛКМ и подложки, можно вызывать предпочтительный нагрев плёнки, подложки или плёнки и подложки одновременно. В случае порошковых ЛКМ необходимо создавать максимум температуры на границе раздела подложки и лакокрасочного материала, т.к. при этом условии получается наиболее качественное ЛКП.

Для терморадиационного отверждения порошковых ЛКМ в качестве нагревательного элемента применялись лампы инфракрасного излучения (рис. 3.35). Применение инфракрасного излучения в качестве способа отверждения покрытий из порошковой краски обусловлено необходимостью снижения температуры нагрева подложки. Если при конвективном способе отверждения происходит нагрев до заданной температуры всего изделия, то при терморадиационном нагреве наблюдается повышение температуры только в месте приложения инфракрасного излучения.

Рисунок 3.35 – Отверждение порошкового лакокрасочного материала инфракрасным излучением

Терморадиационное отверждение осуществлялось на режимах приведённых в таблице 3.1.

Таблица 3.1

Режимы терморадиационного отверждения

Мощность излучателя, ВТ

Расстояние от излучателя, мм

Время отверждения, мин

1

2

3

250

150

30

45

40

40

40

40

50

Окончание таблицы 3.1

1

2

3

250

150

60

60

40

40

50

60

60

200

60

150

60

100

60

Первоначальный эксперимент с терморадиационным отверждением проводился при установке источника инфракрасного излучения на расстоянии 150 мм от отверждаемой поверхности. Время отверждения приняли 30 минут. В последствии время отверждения увеличивали, не изменяя при этом расстояния между излучателем и отверждаемой поверхностью. При этом  наблюдалось повышение степени адгезии образцов при увеличении времени отверждения.

Испытания производились на образцах окрашенных в красный цвет (RAL 3002) для  устранения возможности изменения степени адгезии при применении различных цветов покрытий (рис. 3.36).

Рисунок 3.36 – Степени адгезии покрытий красного цвета при различном времени терморадиационного отверждения.

Сопоставление результатов опытов проводимых с образцами красного цвета показывает, что с увеличением времени терморадиационного отверждения степень адгезии образцов повышается от степени адгезии в 4 балла до наивысшей степени адгезии (1 балл).

При изменении цвета наносимого покрытия зависимость изменения степени адгезии от времени отверждения сохраняется. Для подтверждения этого были проведены аналогичные исследования для образцов, окрашенных в белый цвет (рис. 3.37).

Рисунок 3.37 – Степени адгезии  образцов белого цвета при различном времени  терморадиационного отверждения

При отверждении покрытий из порошковых ЛКМ методом терморадиационного нагрева была отмечена зависимость степени адгезии образцов от цвета наносимого покрытия. Это наглядно представлено на рисунке 3.38. На данном рисунке представлены степени адгезии образцов различного цвета при терморадиационном отверждении в течение 40 минут.

Это можно объяснить тем, что степень восприятия лакокрасочными материалами лучистой энергии  с различной длиной волны  неодинакова, соответственно различен и эффект её действия при отверждении.

Рисунок 3.38 – Степень адгезии образцов различного цвета отверждаемых с выдержкой 40 минут под излучателем.

На температуру нагрева подложки влияет коэффициент экстинкции (коэффициент ослабления монохроматического излучения), с увеличением коэффициента происходит снижение температуры нагрева подложки, что приводит к получению покрытий с различной степенью адгезии.

При сопоставлении разрушений надрезанных решёток у образцов, окрашенных различными цветами, можно отметить, что при одинаковых условиях отверждения (тип и мощность излучателя, расстояние между излучателем и отверждаемой поверхностью) получаются покрытия с различной степенью адгезии, что объясняется различными способностями покрытий разных цветов к восприятию инфракрасного излучения.

На рисунке 3.39 представлена зависимость температуры нагрева подложки в зависимости  от времени отверждения. На рисунке видно как различаются температура нагрева подложки у материалов с различным цветом нанесённого лакокрасочного покрытия.

Рисунок 3.39 – Зависимость температуры нагрева подложки образцов белого, серого и коричневого  цвета от времени отверждения (плотность падающего лучистого потокаqпад=0,8 вт/см2)

Данную разницу в температурах нагрева подложек, можно объяснить различными оптическими характеристиками (коэффициентом ослабления монохроматического излучения) применяемых лакокрасочных материалов. Из анализа рисунка 3.39 можно сделать вывод, что у покрытия белого цвета коэффициент ослабления монохроматического излучения (коэффициент экстинкции) больше, чем у образцов серого и коричневого цветов, т.е. адсорбируемая подложкой лучистая энергия у образцов белого цвета ниже, по сравнению с образцами, окрашенными в серый и коричневый цвета, что соответственно сказывается на температуре нагрева подложки образцов (температура нагрева подложки образцов серого и коричневого цветов выше температуры нагрева подложки образцов белого цвета).

Далее аналогичным образом исследованы образцы красного и зелёного цветов (рис. 3.40).

Рисунок 3.40 – Зависимость температуры нагрева подложки образцов зелёного  и красного  цветов от времени отверждения (плотность падающего лучистого потокаqпад=0,8 вт/см2)

Из рисунка 3.40 темп нагрева подложки образцов красного и зелёного цветов практически идентичен образцам серого и коричневого цветов, а в некоторых случаях даже выше. Однако степень адгезии  образцов красного и зелёного цветов ниже, чем у образца серого цвета. Это объясняется тем, что образцы серого и коричневого цветов имеют более высокую степень черноты, чем образцы  красного и зелёного цветов, поэтому количество аккумулируемого излучения у серого и коричневого цветов выше, чем у красного и зелёного цветов.  Аккумулируемое излучение зависит от температуры отверждения.  Влияние температуры выражается неявно, но сказывается на ограничении спектра излучения. Для получения высокой степени адгезии  образцов  красного и зелёного цветов необходимо повышение температуры отверждения, так как  это приводит к изменению спектральных характеристик излучателя, которое выльется в изменении коэффициентов экстинкции образцов. Данный вывод сделан на основании того, что участку спектра излучателя, ограниченного определёнными длинами волн, соответствует определённый коэффициент экстинкции  и монохроматическая отражательная способность.

Кроме того, была замерена температура нагрева подложки на образцах окрашенных синим цветом и серым металликом (рисунок 3.41).

Рисунок 3.41 – Зависимость температуры нагрева подложки образцов синего и «серого металлик»  цветов от времени отверждения (плотность падающего лучистого потокаqпад=0,8 вт/см2)

Для образцов окрашенных синим цветом  объяснение низкой степени адгезии аналогично, образцам красного и зелёного цветов. Низкую степень адгезии образцов, окрашенных серым металликом можно объяснить, наличием в пигменте алюминиевых составляющих, которые существенно увеличили отражательную способность пигмента.

Как видно из рисунков 3.39…3.41 наименьшая температура нагрева подложки наблюдается у светлых образцов (белого), а наибольшая  у синего образца. Остальные образцы находятся примерно в одном температурном интервале. Однако степень адгезии у них различна. Так для образцов окрашенных в серый и коричневый цвета данная температура достаточна для получения степени адгезии в один балл, в то время как у остальных образцов степень адгезии неудовлетворительная (рисунок 3.42).

Проведённые теоретические и экспериментальные исследования показали зависимость температуры нагрева подложки от оптических характеристик нанесённого на подложку лакокрасочного материала, а также от оптических характеристик применяемого излучателя.

Разность степеней адгезии покрытий, полученных в одном интервале температур (80…90°С), позволяют сделать вывод о том, что процесс терморадиационного отверждения не является чисто тепловым процессом и его интенсивность в значительной степени обусловлена специфическим воздействием инфракрасной радиации, которая должна быть связана со спектральной характеристикой падающего на лакокрасочную плёнку излучения (эффект воздействия излучения определённой частоты на полимеризацию молекул). Таким образом, полученные результаты подтверждают предположение, о том, что процесс терморадиационного отверждения протекает под влиянием двух факторов: температуры и радиационного эффекта.

Рисунок 3.42 – Степень адгезии образцов белого, серого, коричневого, красного, зелёного, синего и «серый металлик» цветов, отверждаемых в течение 60 минут.

При конвективном способе отверждения покрытий толщина не оказывает существенного влияния на степень адгезии получаемых покрытий. Это обусловлено тем, что при конвективном нагреве нанесённое покрытие и подложка нагреваются одинаково и до большой температуры (140...180ºС). Таким образом, нагрев происходит мягко и равномерно.

При терморадиационном нагреве покрытия различной толщины по-разному воспринимают инфракрасное излучение, т.е количество принятого и отраженного тепла у покрытий различной толщины неодинакова. Данную зависимость можно проследить на примере нагрева подложки образцов (рис. 3.43).

Из рисунка 3.43 видим, что температура нагрева подложки с наиболее толстым слоем покрытия ниже, чем у более тонкого напыления.  Это объясняется, тем, что плотность поглощённого излучения зависит от толщины слоя лакокрасочного материала. При этом у образцов разнится и степень адгезии. Разница в полученных степенях адгезии объясняется разностью температуры нагрева подложки. Так при толстослойных покрытиях плотность поглощённого излучения уменьшается, соответственно снижается и температура нагрева подложки, что вызывает получение покрытий с низкой степенью адгезии (рисунок 3.44).

Рисунок 3.43 – Зависимость температуры нагрева подложки (плотность падающего лучистого потокаqпад=0,8 вт/см2) образцов с толщиной покрытия 40 мкм, 70мкм, 95 мкм и 110 мкм от времени отверждения

Рисунок 3.44 – Зависимость степени адгезии от толщины нанесённого слоя порошковой краски

При терморадиационном отверждении с изменением расстояния между отверждаемой поверхностью и излучателем происходит изменение интенсивности поглощаемого излучения, что сказывается на температуре нагрева подложки отверждаемого образца, и соответственно на степени адгезии покрытия. Данное утверждение наглядно подтверждается при рассмотрении диаграммы зависимости температуры нагрева подложки от расстояния между  отверждаемым образцом и излучателем (рис. 3.45).

Из рисунка 3.45  видно, что температура нагрева подложки у образцов с расстоянием до излучателя 200 мм на 15ºС ниже, чем у образцов отверждаемых при расстоянии 150 мм. При сокращении расстояния между излучателем и отверждаемой поверхностью до 100 мм, темп нагрева подложки значительно выше, чем при расстоянии 150 мм. Соответственно различна и степень адгезии (рисунок 3.46).

Рисунок 3.45 – Зависимость температуры нагрева подложки образцов отверждаемых при расстоянии между излучателем (плотность падающего лучистого потокаqпад=0,8 вт/см2) и отверждаемой поверхностью  100 мм, 150 мм  и 200 мм  от времени отверждения

Из рисунка 3.45 видим, что температура на поверхности образцов падает с увеличением расстояния между излучателем и отверждаемой поверхностью.

Экспериментально установлено, что изменение расстояния между излучателем и отверждаемой поверхностью приводит к изменению спектральных характеристик, при которых происходит отверждение покрытий. Это изменение вызывает падение температуры на границе раздела подложка – лакокрасочное покрытие, что приводит к получению покрытий с низкой степенью адгезии.

Рисунок 3.46 – Степень адгезии при различной удалённости излучателя

Для изучения влияния режимов формирования покрытий в отдельности и во взаимодействиях на температуру нагрева подложки было проведены исследования с применением теории планирования эксперимента.

В качестве независимых переменных величин были выбраны три фактора:

Функцией отклика (у) принята температура нагрева подложки.

Для расчета функции отклика (у) было составлено уравнение регрессии; входящие в него коэффициенты, рассчитанные на ЭВМ, указаны ниже.

y=b0+b1X1+b2X2+b3X3.

b0=104,12;

b1=-22,125;

b2=36,125;

b3= 75,14 .

С учетом этих коэффициентов уравнение регрессии для данного процесса выглядит следующим образом (в кодированных переменных):

Т = 104,12-22.125Х1+36,125Х2+75,14Х3,                        (3.17)

где:Т- температура нагрева подложки.

Для определения реальной температуры нагрева подложки (уэ) было сделано 8 опытов, в которых изменялись условия отверждения. Полученные данные представлены в таблице 3.2.

Таблица 3.2

Полный факторный эксперимент

Номер опыта

Кодированные переменные

Факторы

Функция отклика

Х1

Х2

Х3

х1

х2

х3

уЭ

уР

1

-1

-1

-1

40

60

100

112

112,8

2

-1

-1

+1

40

60

150

92

93,7

3

-1

+1

-1

40

80

100

110

110,0

4

-1

+1

+1

40

80

150

89

90,1

5

+1

-1

-1

60

60

100

124

123,4

6

+1

-1

+1

60

60

150

117

118,6

7

+1

+1

-1

60

80

100

96

95,4

8

+1

+1

+1

60

80

150

92

90,8

Одновременно по методу крутого восхождения определяли критерий уровеня оптимизации процесса (Т):

Т=89,1-11,062х1+14,694х2+24,56х3.(3.18)

При движении к оптимуму из центра плана находили значения факторов путем прибавления  к соответствующим предыдущим значениям. Для определения уЭ было проведено 9 опытов, в которых варьировали условиями проведения процесса отверждения. Для чета уР (Т) использовали уравнение регрессии (3.17).

Таблица 3.3

Оптимизация процесса терморадиационного отверждения порошковых красок

Характеристика и номер опыта

х1

х2

х3

уЭ

уР

Центр плана

50

70

125

108

107,5

Интервал варьирования

10

10

25

-

-

Шаг движения

1

1

1,25

-

-

Крутое восхождение

1

51

71

127,5

106

107

2

52

72

130

105

103,8

3

53

73

132,5

103

103,1

4

54

74

135

101

102,4

5

55

75

137,5

98

100,75

6

56

76

140

97

100,2

7

57

77

142,5

95

96,4

8

58

78

145

93

94,8

9

59

79

147,5

92

92,4

10

60

80

150

90

89,1

С учетом полученных данных и результатов расчета по методу полного факторного эксперимента составлена таблица 3.3, позволяющая выбрать оптимальные условия отверждения порошковых красок терморадиационным способом:

На основании проведённых исследований можно сделать следующие выводы:




Возможно эти работы будут Вам интересны.

1. СПОСОБЫ НАНЕСЕНИЯ ЛАКОКРАСОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

2. Выполните аксонометрические схемы и дайте качественные оценки ячейки ОПЗ с двумя вариантами покрытий