Полимерное покрытие металла

Типы и виды полимерных покрытий. Состав, свойства и способы нанесения.

Для получения покрытий путем напыления порошков применяют различные термопластичные полимеры: полиэтилен высокого и низкого давления, полипропилен, полиамиды, поливинилбутираль, поливинилхлорид (пластифицированный), фторопласты, пентапласт. Все шире используют композиции на основе термореактивных смол, в частности эпоксидных, полиэфирных и полиакриловых. Возможность получать покрытия из порошков полимеров позволяет:

  1. Исключить применение органических растворителей (и жидкостей вообще) и благодаря этому улучшить санитарно-гигиенические условия труда, снизить затраты на вентиляцию;
  2. Использовать в качестве пленкообразующих нерастворимые и малорастворимые полимеры и получить ряд качественно новых покрытий с повышенной химической стойкостью и улучшенными физико-механическими свойствами;
  3. Сократить технологический цикл окрашивания путем замены многослойных покрытий однослойными необходимой толщины (в диапазоне от 50 до 500 мкм и выше) и вследствие большой скорости пленко-образования из расплавов;
  4. Устранить невозвратимые потери лакокрасочных материалов в процессе нанесения.

Для получения покрытий можно применять дисперсные порошки как из аморфных, так и из кристаллических полимеров, способных переходить при нагреве в вязкотекучее состояние.

Состав и свойства порошков и покрытий

Гранулометрический состав порошков и процентное содержание той или иной фракции зависят от способа нанесения, применяемой аппаратуры, а также требований к толщине и равномерности покрытий.

СПОСОБ НАПЫЛЕНИЯРАЗМЕР ЧАСТИЦ, ММ
Погружением во взвешенный слой порошка0,06—0,35
Газопламенный0,10—0,2
Электростатический0,05 — 0,2 для слоя 150-200 мкм
0,05—0,10 для слоя 100-150 мкм
0,02—0,08 для слоя 50-100 мкм

Поскольку многие полимеры имеют ряд недостатков (высокая вязкость расплавов, небольшая разница между температурами течения и разложения, недостаточные адгезия и механическая прочность, низкая атмосферная стойкость и т. д.), разрабатывают и применяют порошковые полимерные композиции. В состав композиций, помимо полимера, входят свето- и термостабилизаторы, наполнители, пигменты, отвердители, тиксотропные и структурирующие добавки, поверхностно-активные вещества и т. д.

Важной характеристикой композиций являются их технологические качества: возможность длительного хранения, склонность к слеживанию, способность переходить во взвешенное состояние. В случае электростатического распыления существенным является способность порошкообразных частиц приобретать электрический заряд в поле коронного разряда, по контактному механизму или путем трибоэлектрической зарядки.
Кроме исходного состава порошковых красок, при получении покрытий большое влияние на их свойства оказывают подготовка поверхности изделий и условия формирования покрытий, включая режимы охлаждения.
Подготовка поверхности заключается в удалении окалины, ржавчины, жировых и других загрязнений, а также придания ей определенной степени шероховатости. Это достигается механическими (дробеметный, дробеструйный, щеточный, иглофрезерный) и химическими (травление и фосфатирование) способами подготовки поверхности. Одной из важнейших подготовительных операций является обезжиривание, которое проводят в щелочных растворах, а также в органических растворителях и эмульсионных составах.
Формирование покрытий из порошковых красок заключается в сплавлении частиц порошка в неразрывную (сплошную) пленку, соединенную с поверхностью изделия силами адгезии. Температурно-временной режим выбирают в зависимости от теплоемкости изделий, способа нанесения и природы полимера

При выборе режимов охлаждения необходимо установить оптимальную скорость изменения температуры и подобрать охлаждающую среду (полярные или неполярные жидкости, газ).

Для ряда полимеров снижению внутренних напряжений и увеличению адгезии способствует медленное охлаждение. Так, например, адгезионная прочность поливинилбутиральных покрытий, полученных медленным охлаждением расплавов (скорость охлаждения 1o С/мин), оказывается на 20% выше, чем у образцов, охлажденных при скорости охлаждения 350° С/мин. Внутренние напряжения при медленном охлаждении получаются меньшими.

При охлаждении покрытий в средах, пластифицирующих полимер, внутренние напряжения нередко уменьшаются до нулевого значения (поливинилбутираль в воде, полиэтилен в минеральных маслах и т. п.). Для большинства кристаллических полимеров (полипропилен, полиамид, ПЭВД, пентапласт) благоприятным считается быстрое охлаждение (закалка). В этом случае наблюдается заметное снижение внутренних напряжений, связанное с уменьшением в полимере кристаллической фазы. Поскольку при охлаждении расплава полимера могут одновременно протекать процессы, различным образом влияющие на внутренние напряжения в пленке (кристаллизация, ориентационные и деформационные процессы), трудно дать универсальные рекомендации по режимам охлаждения.

Основными областями применения полимерных покрытий являются: вагоностроение (защитно-декоративные покрытия для полок, ручек, кронштейнов и т. п.); машиностроение, электротехническая промышленность (электроизоляционные покрытия для пакетов магнитопроводов малогабаритных электромашин, трансформаторов, деталей потенциометров. и т. п.); химическая промышленность (химически стойкие покрытия емкостей, царг колонн, центрифуг, фильтров, деталей насосов, датчиков КИП, подвесок гальванических ванн и т. п.).

Способы нанесения покрытий

Основными способами получения порошковых полимерных покрытий являются: нанесение во взвешенном слое, газопламенное нанесение, нанесение в электрическом поле.

Нанесение во взвешенном слое широко применяют в промышленности. Получение покрытий основано на способности неподвижного слоя порошка переходить во взвешенное (псевдоожиженное) состояние при воздействии на него восходящего потока газа, вибраций, перемешивания. При этом отдельные частицы разъединяются и приобретают значительно большую степень свободы, чем в неподвижном слое. Изделие предварительно нагревают до температуры, превышающей температуру плавления полимера, и погружают во взвешенный слой. Порошкообразный полимер «омывает» поверхность изделия и оплавляется на ней, образуя покрытие. В зависимости от того, каким путем достигается взвешенное состояние, различают вихревой, вибрационный и вибровихревой способы получения покрытий. Применение вибрации в сочетании с действием восходящего потока газа способствует созданию стабильного по свойствам взвешенного слоя и получению более равномерных по толщине покрытий. Способ конструктивно и технологически прост, не требует сложного оборудования.

Недостатки способа: обязательный предварительный нагрев изделий, невозможность получения равномерных по толщине покрытий при защите сложно профилированных изделий.

Применяется главным образом при защите малогабаритных изделий несложной конфигурации. В отдельных случаях этим способом наносят покрытия на внутреннюю и наружную поверхности стальных труб.

Газопламенное напыление. Частицы порошка полимера или полимерной композиции из питающего бункера поступают к распыляющему пистолету с газопламенной форсункой и при вылете из сопла пролетают зону пламени. При этом они плавятся и, долетев до предварительно нагретой поверхности изделия, образуют покрытие. Окончательное оплавление его производят пламенем того же пистолета. Отличительной частью установок является конструкция газовой горелки, от которой зависит форма пламени и система подачи распыляемого порошка из питающего бункера к распылительной головке.

Процесс газопламенного напыления ручной, малопроизводительный (3—4 м2/ч). Качество покрытия существенно зависит от мастерства оператора.
Газопламенное напыление применяют в основном для заделки раковин, облицовки сварных швов, уплотнения соединений и герметизации изделий.

Полимерное покрытие металла

Нанесение покрытия в электрическом поле основано на использовании силового взаимодействия электрических полей с заряженным полимером, находящимся в мелкораздробленном состоянии, и заключается в том, что заряженные частицы порошка под действием сил электростатического поля перемещаются к противоположно заряженному изделию и осаждаются на его поверхности. Этот способ и позволяет исключить предварительный нагрев изделий, снизить потери порошкового материала в процессе напыления, наносить покрытия не только на металлические, но и на неэлектропроводные поверхности (из дерева, пластмассы, ткани, бумаги и т. д-), автоматизировать процесс напыления»

Различают следующие разновидности способа напыления в электрическом поле:

  1. Нанесение автоматическими и ручными электростатическими распылителями (применяется в компании Митист Групп при порошковой покраске металла).
  2. В ионизированном взвешенном слое.
  3. В облаке заряженных частиц.

Автоматическими или ручными электрораспылителями наносят покрытия на изделия различных размеров несложной конфигурации.

Потери порошка при нанесении (в случае отсутствия пылеулавливающей системы) могут достигать 50%; производительность до 100 м2/ч при толщине покрытия до 150 мкм.

В концентрированном взвешенном слое наносят покрытия на малогабаритные изделия несложной конфигурации. Потери порошка практически отсутствуют.

В облаке заряженных частиц наносят покрытия на изделия различных размеров и конфигураций. Потери порошка при нанесении (в случае отсутствия пылеулавливающей системы) могут достигать 15%.

Наибольшее применение находит нанесение, электрораспылителями, но весьма перспективным является нанесение в облаке заряженных частиц, так как оно позволяет полностью автоматизировать процесс и получить покрытия со стабильными характеристиками. Этот способ применяют на крупносерийных производствах при окраске листов с полимерным покрытием, проволоки, стальных труб, колес легковых автомобилей, холодильников, деталей мотоциклов, металлической мебели, электрокипятильников и т. д.

В связи с малой электропроводностью полимерных материалов электрический заряд, приобретенный частицей порошка, не способен полностью стечь на противоположно заряженное изделие. Поэтому напыленный слой порошка за счет сил электрического притяжения, а также молекулярных сил удерживается на поверхности изделия длительное время, достаточное для перемещения изделия в какое-либо нагревательное устройство с целью проведения необходимой термообработки.