Порошковая покраска

Термочувствительные трубки из углеродного волокна, покрытые порошковой краской, отверждаемой УФ-излучением.

Порошковая окраска — это тип покрытия, которое наносится в виде сыпучего сухого порошка . В отличие от обычной жидкой краски, которая наносится через испаряющийся растворитель, порошковое покрытие обычно наносится электростатически, а затем отверждается под воздействием тепла или ультрафиолета. Порошок может представлять собой термопласт или термореактивный полимер. Обычно его используют для создания толстого и прочного покрытия, которое более долговечно, чем обычная краска. Порошковая покраска в основном используется для покрытия металлических предметов, особенно подвергающихся грубому использованию. Достижения в технологии порошкового покрытия, такие как порошковые покрытия, отверждаемые УФ-излучением, позволяют наносить порошковое покрытие на другие материалы, такие как пластмассы , композиты, углеродное волокно и МДФ ( древесноволокнистая плита средней плотности ), поскольку для их обработки требуется мало тепла или времени выдержки в печи.

История, свойства и использование порошковой окраски.

Велосипедные рамы и детали с порошковой покраской.

Процесс порошкового покрытия был изобретен примерно в 1945 году Дэниелом Гастином и получил патент США 2538562 в 1945 году. Этот процесс покрывает объект электростатическим способом, а затем отверждает его с помощью тепла, создавая более прочное и прочное покрытие, чем обычная краска. Первоначально использовавшаяся при производстве металлических изделий, таких как бытовая техника , алюминиевые профили , барабанная фурнитура , автомобильные детали и велосипедные рамы, практика порошкового покрытия была расширена, чтобы обеспечить возможность отделки других материалов.

Поскольку порошковое покрытие не имеет жидкого носителя, оно может давать более толстые покрытия, чем обычные жидкие покрытия, без растекания и провисания, а порошковое покрытие создает минимальные различия во внешнем виде между поверхностями с горизонтальным покрытием и поверхностями с вертикальным покрытием. Кроме того, поскольку несущая жидкость не испаряется, в процессе нанесения покрытия выделяется мало летучих органических соединений (ЛОС). Наконец, можно нанести несколько порошковых цветов до того, как все они будут отверждены вместе, что позволяет смешивать цвета и создавать специальные эффекты растекания в одном слое.

Хотя относительно легко наносить толстые покрытия, которые после отверждения образуют гладкое покрытие без текстуры, наносить гладкие тонкие пленки не так просто. По мере уменьшения толщины пленки текстура пленки становится все более оранжевой, что обусловлено размером частиц и температурой стеклования (Tg) порошка.

Большинство порошковых покрытий имеют размер частиц от 2 до 50 мкм, температуру размягчения Tg около 80 °C и температуру плавления около 150 °C и отверждаются при температуре около 200 °C в течение минимум 10–15 минут. минут (точная температура и время могут зависеть от толщины покрываемого изделия). Для таких порошковых покрытий может потребоваться наращивание пленки толщиной более 50 мкм для получения приемлемо гладкой пленки. Текстура поверхности, которая считается желательной или приемлемой, зависит от конечного продукта. Многие производители предпочитают иметь определенную степень апельсиновой корки, поскольку она помогает скрыть дефекты металла, возникшие в процессе производства, а полученное покрытие менее склонно к появлению отпечатков пальцев.

Алюминиевые профили с порошковым покрытием

Существуют очень специализированные операции, на которых наносятся порошковые покрытия толщиной менее 30 мкм или с Tg ниже 40 °C для получения гладких тонких пленок. Один из вариантов процесса нанесения покрытия сухим порошком, процесс порошковой суспензии , сочетает в себе преимущества порошковых покрытий и жидких покрытий за счет диспергирования очень мелких порошков с частицами размером 1–5 мкм в воду, что затем позволяет получать очень гладкие покрытия с малой толщиной пленки. быть произведено.

Для небольших работ аэрозольная краска «погремушка» менее дорога и сложна, чем порошковое покрытие. В профессиональном масштабе капитальные затраты и время, необходимые для установки пистолета для нанесения порошкового покрытия, камеры и печи, аналогичны затратам на установку пистолета-распылителя . Порошковые покрытия имеют важное преимущество: избыточное распыление можно перерабатывать. распыляется несколько цветов Однако если в одной покрасочной камере , это может ограничить возможность переработки избыточного распыления.

Преимущества перед другими процессами нанесения покрытия

1. Порошковые покрытия не содержат растворителей и практически не выделяют летучих органических соединений в атмосферу (ЛОС). Таким образом, отделочникам нет необходимости покупать дорогостоящее оборудование для борьбы с загрязнением. Компании могут более легко и экономично соблюдать экологические нормы, например, принятые Агентством по охране окружающей среды США .
2. Порошковые покрытия позволяют получить гораздо более толстые покрытия, чем обычные жидкие покрытия, без растекания и провисания.
3. Изделия с порошковым покрытием обычно имеют меньше различий во внешнем виде, чем предметы с жидким покрытием, между поверхностями с горизонтальным и вертикальным покрытием.
4. С помощью порошковых покрытий легко достигается широкий спектр специальных эффектов, которых невозможно достичь с помощью других процессов нанесения покрытий.
5. Время отверждения порошковых покрытий значительно быстрее по сравнению с жидкими покрытиями, особенно при использовании порошковых покрытий, отверждаемых ультрафиолетом, или усовершенствованных термореактивных порошков с низкой температурой спекания.

Виды порошковой окраски

Существует три основные категории порошковых покрытий: термореактивные, термопластические и порошковые покрытия, отверждаемые УФ-излучением. Термореактивные порошковые покрытия включают в состав сшивающего агента .

Наиболее распространенными сшивающими агентами являются твердые эпоксидные смолы в так называемых гибридных порошках в соотношениях смешивания 50/50, 60/40 и 70/30 (полиэфирная смола/эпоксидная смола) для внутреннего применения и триглицидилизоцианурат (TGIC) в соотношении 93/7 и отвердитель β-гидроксиалкиламид (НАА) в соотношении 95/5 для наружного применения. Когда порошок запекается, он вступает в реакцию с другими химическими группами порошка и полимеризуется, улучшая эксплуатационные свойства. Химическая сшивка гибридов и порошков TGIC, составляющих большую часть мирового рынка порошковых покрытий, основана на реакции групп органических кислот с эпоксидными группами; Эта карбокси-эпоксидная реакция тщательно исследована и хорошо изучена. Путем добавления катализаторов можно ускорить конверсию и запустить график отверждения по времени и/или температуре. В промышленности порошковых покрытий обычно используются маточные смеси катализаторов, в которых 10–15% активного ингредиента вводится в полиэфирную смолу-носитель в качестве матрицы. Такой подход обеспечивает максимально возможное равномерное диспергирование небольшого количества катализатора по объему порошка. Что касается сшивания альтернативы, не содержащей TGIC, на основе отвердителей HAA, то известный катализатор отсутствует.

Для специальных применений, таких как рулонные покрытия или прозрачные покрытия, в качестве отвердителя обычно используются глицидиловые эфиры, их сшивка также основана на карбокси-эпоксидной химии. Другая химическая реакция используется в так называемых полиуретановых порошках, где связующая смола несет гидроксильные функциональные группы, которые реагируют с изоцианатными группами отверждающего компонента. Изоцианатную группу обычно вводят в порошок в блокированной форме, когда изоцианатная функциональность предварительно реагирует с ε-капролактамом в качестве блокирующего агента, или в форме уретдионов, при повышенных температурах (температура деблокирования) свободные изоцианатные группы высвобождаются и доступны для реакция сшивания с гидроксильной функциональностью.

Как правило, все термореактивные порошковые составы содержат помимо связующей смолы и сшивающие добавки для поддержки растекания и выравнивания, а также для дегазации. Распространенным является использование усилителя текучести, когда активный ингредиент - полиакрилат - абсорбируется диоксидом кремния в качестве носителя или маточной смесью, диспергированной в полиэфирной смоле в качестве матрицы. Подавляющее большинство порошков содержат бензоин в качестве дегазирующего агента, чтобы избежать образования микропор в пленке конечного порошкового покрытия.

Разновидность термопласта не подвергается никаким дополнительным воздействиям в процессе обжига, поскольку растекается и образует окончательное покрытие. Порошковые покрытия, отверждаемые УФ-излучением, представляют собой фотополимеризующиеся материалы, содержащие химический фотоинициатор, который мгновенно реагирует на энергию УФ-излучения, инициируя реакцию, приводящую к сшиванию или отверждению. Отличием этого процесса от других является отделение стадии плавления перед стадией отверждения. Порошок, отвержденный УФ-излучением, плавится через 60–120 секунд при достижении температуры 110 °C и 130 °C. Как только расплавленное покрытие попадает в этот температурный диапазон, оно мгновенно отверждается под воздействием УФ-излучения.

Некоторые конкретные применения, такие как чувствительное электронное оборудование, подвержены негативному влиянию излучаемых помех, известных как электромагнитные помехи (EMI), и требуют проводящего порошкового покрытия. Достижения в области одностенных углеродных нанотрубок (ОУНТ) в этой области позволяют обеспечить проводимость, сохраняя при этом хорошие эстетические характеристики при различных текстурах и цветах поверхности.

Наиболее распространенными полимерами являются полиэстер , полиуретан , полиэфир- эпоксидная смола (известная как гибридная), прямая эпоксидная смола ( эпоксидная смола, связанная плавлением ) и акриловые смолы.

Производство

1. Полимерные гранулы смешиваются с отвердителем, пигментами и другими порошкообразными ингредиентами в промышленном смесителе , например турбомиксере.
2. Смесь нагревается в экструдере.
3. Экструдированную смесь раскатывают, охлаждают и дробят на мелкую стружку.
4. Чипсы измельчают и просеивают до получения мелкого порошка.

Методология

Процесс порошкового покрытия включает три основных этапа: подготовку детали или предварительную обработку, нанесение порошка и отверждение.

Процессы и оборудование подготовки деталей

Перед нанесением порошкового покрытия необходимо удалить масло, грязь, смазку, оксиды металлов, сварочную окалину и т. д. Это можно сделать различными химическими и механическими методами. Выбор метода зависит от размера и материала детали, на которую будет нанесено порошковое покрытие, типа удаляемых загрязнений и требований к характеристикам готового изделия. Некоторые термочувствительные пластики и композиты имеют низкое поверхностное натяжение, поэтому плазменная обработка для улучшения адгезии порошка может потребоваться .

Предварительная химическая обработка включает использование фосфатов или хроматов при нанесении методом погружения или распыления. Они часто происходят в несколько этапов и состоят из обезжиривания, травления, удаления пятен, различных промывок и окончательного фосфатирования или хроматирования подложки и новых нанотехнологических химических связей. Процесс предварительной обработки очищает и улучшает сцепление порошка с металлом. Недавно были разработаны дополнительные процессы, позволяющие избежать использования хроматов, поскольку они могут быть токсичными для окружающей среды. Титан , цирконий и силаны обладают одинаковыми характеристиками против коррозии и прилипания порошка.

Во многих высокотехнологичных применениях деталь подвергается гальваническому покрытию после процесса предварительной обработки и после нанесения порошкового покрытия. Это было особенно полезно в автомобильной и других сферах применения, требующих высоких эксплуатационных характеристик.

Другой метод подготовки поверхности перед нанесением покрытия известен как абразивоструйная обработка или пескоструйная и дробеструйная обработка. Струйные средства и абразивы для струйной обработки используются для текстурирования и подготовки поверхности, травления, отделки и обезжиривания изделий из дерева, пластика или стекла. Наиболее важными свойствами, которые следует учитывать, являются химический состав и плотность; форма и размер частиц; и ударопрочность.

Пескоструйная обработка из карбида кремния хрупкая, острая и подходит для шлифования металлов и неметаллических материалов с низкой прочностью на разрыв. В оборудовании для струйной обработки пластиковых материалов используются пластиковые абразивы, которые чувствительны к таким материалам, как алюминий, но при этом подходят для удаления покрытия и финишной обработки поверхности. В пескоструйной среде используются кристаллы высокой чистоты с низким содержанием металлов. Средство для струйной обработки стеклянными шариками содержит стеклянные шарики разных размеров.

Литая стальная дробь или стальная крошка используются для очистки и подготовки поверхности перед нанесением покрытия. Дробеструйная очистка перерабатывает носитель и является экологически чистой. Этот метод подготовки очень эффективен для стальных деталей, таких как двутавровые балки, уголки, трубы, трубки и крупные готовые детали.

Различные применения порошкового покрытия могут потребовать альтернативных методов подготовки, таких как абразивоструйная обработка перед нанесением покрытия. Потребительский онлайн-рынок обычно предлагает услуги пескоструйной обработки в сочетании с услугами по нанесению покрытия за дополнительную плату.

Недавней разработкой в ​​индустрии порошковых покрытий является использование предварительной плазменной обработки термочувствительных пластиков и композитов. Эти материалы обычно имеют поверхность с низким энергопотреблением, гидрофобны и имеют низкую степень смачиваемости, что отрицательно влияет на адгезию покрытия. Плазменная обработка физически очищает, протравливает и обеспечивает химически активные места соединения для закрепления покрытий. В результате получается гидрофильная, смачиваемая поверхность, поддающаяся растеканию и адгезии покрытия.

Процессы нанесения порошка

См. Также: Эпоксидное покрытие, наплавленное методом наплавления.

Пример распылителей порошковой покраски

Наиболее распространенным способом нанесения порошкового покрытия на металлические предметы является распыление порошка с помощью электростатического или коронного пистолета. Пистолет придает отрицательный заряд порошку, который затем распыляется в направлении заземленного объекта с помощью механического распыления или распыления сжатого воздуха, а затем ускоряется по направлению к заготовке мощным электростатическим зарядом. Существует широкий выбор распылительных форсунок для нанесения электростатических покрытий . Тип используемой насадки будет зависеть от формы окрашиваемой детали и консистенции краски. Затем объект нагревают, порошок плавится в однородную пленку, а затем охлаждается с образованием твердого покрытия. Также обычно сначала нагревают металл, а затем распыляют порошок на горячую подложку. Предварительный нагрев может помочь добиться более однородной отделки, но может также создать другие проблемы, например, потеки из-за избытка порошка.

Другой тип пистолета называется трибопистолетом , который заряжает порошок с помощью трибоэлектрика . В этом случае порох набирает положительный заряд при трении о стенку тефлоновой трубки внутри ствола пистолета. Эти заряженные частицы порошка затем прилипают к заземленной подложке. Для использования трибопистолета требуется другой состав порошка, чем для более распространенных коронных пистолетов. Однако трибопушки не подвержены некоторым проблемам, связанным с коронными пушками, таким как обратная ионизация и эффект клетки Фарадея .

Порошок также можно наносить с помощью специально адаптированных электростатических дисков.

Другой метод нанесения порошкового покрытия, называемый методом псевдоожиженного слоя, заключается в нагревании подложки и последующем погружении ее в аэрированный слой, наполненный порошком. Порошок прилипает и плавится к горячему предмету. Для завершения отверждения покрытия обычно требуется дополнительный нагрев. Этот метод обычно используется, когда желаемая толщина покрытия превышает 300 микрометров. Именно так покрыто большинство корзин для посудомоечных машин.

Электростатическое покрытие в псевдоожиженном слое

При применении электростатического псевдоожиженного слоя используется тот же метод псевдоожижения, что и при обычном процессе погружения в псевдоожиженный слой, но с гораздо большей глубиной слоя порошка. Внутри слоя размещается электростатическая зарядная среда, так что порошковый материал заряжается, когда псевдоожижающий воздух поднимает его вверх. Заряженные частицы порошка движутся вверх и образуют облако заряженного порошка над псевдоожиженным слоем. Когда заземленная деталь проходит через заряженное облако, частицы притягиваются к ее поверхности. Детали не подвергаются предварительному нагреву, как при обычном процессе погружения в псевдоожиженный слой.

Покрытие электростатической магнитной щеткой (EMB)

Метод нанесения покрытия на плоские материалы, при котором порошок наносится валиком, что обеспечивает относительно высокую скорость и точную толщину слоя от 5 до 100 микрометров. Основой этого процесса является традиционная копировальная техника. В настоящее время он используется в некоторых приложениях для нанесения покрытий и выглядит многообещающим для коммерческого порошкового покрытия на плоских подложках (сталь, алюминий, МДФ, бумага, картон), а также в процессах полистного и/или рулонного нанесения. Этот процесс потенциально может быть интегрирован в существующую линию нанесения покрытия.

Лечение

Термореактивный

Когда термореактивный порошок подвергается воздействию повышенной температуры, он начинает плавиться, вытекать, а затем вступать в химическую реакцию с образованием полимера с более высокой молекулярной массой в сетчатой ​​структуре. Этот процесс отверждения, называемый сшивкой, требует определенной температуры в течение определенного периода времени для достижения полного отверждения и установления полных свойств пленки, для которых был разработан материал.

Архитектура полиэфирной смолы и тип отвердителя оказывают большое влияние на сшивку.

Обычные порошки отверждаются при температуре объекта 200 °C (392 °F) в течение 10 минут. На рынках Европы и Азии график отверждения при температуре 180 °C (356 °F) в течение 10 минут был промышленным стандартом на протяжении десятилетий, но в настоящее время он смещается в сторону температурного уровня 160 °C (320 °F) при том же отверждении. время. Усовершенствованные гибридные системы для внутреннего применения рассчитаны на отверждение при температуре 125–130 °C (257–266 °F), предпочтительно для применения на древесноволокнистых плитах средней плотности (МДФ); долговечные порошки для наружного применения с триглицидилизоциануратом (TGIC) в качестве отвердителя могут работать при аналогичном уровне температуры, тогда как системы без TGIC с β-гидроксиалкиламидами в качестве отвердителя ограничены прибл. 160 °С (320 °Ф).

Низкотемпературный метод обжига приводит к экономии энергии, особенно в тех случаях, когда нанесение покрытия на массивные детали является задачей операции нанесения покрытия. Общее время пребывания в печи должно составлять всего 18–19 минут для полного отверждения реактивного порошка при температуре 180 °C (356 °F).

Основной задачей для всех низкотемпературных отверждений является одновременная оптимизация реакционной способности, текучести (аспект порошковой пленки) и стабильности при хранении. Порошки низкотемпературного отверждения, как правило, имеют меньшую стабильность цвета, чем их стандартные аналоги, поскольку они содержат катализаторы, способствующие ускоренному отверждению. Полиэфиры HAA склонны к перегреву в большей степени, чем полиэфиры TGIC.

График отверждения может варьироваться в зависимости от спецификаций производителя. Воздействие энергии на продукт, подлежащий отверждению, может осуществляться с помощью конвекционных печей, инфракрасных печей или с помощью процесса лазерного отверждения. Последнее демонстрирует значительное сокращение времени отверждения.

УФ-отверждение

Порошковые покрытия , отверждаемые ультрафиолетом (УФ), используются в коммерческих целях с 1990-х годов и первоначально были разработаны для отделки компонентов мебели из термочувствительных древесноволокнистых плит средней плотности (МДФ). Эта технология нанесения покрытия требует меньше тепловой энергии и отверждается значительно быстрее, чем порошковые покрытия термического отверждения. Типичное время выдержки в печи для порошковых покрытий, отверждаемых УФ-излучением, составляет 1–2 минуты, а температура покрытия достигает 110–130 °C. Использование систем УФ-отверждения светодиодами, которые обладают высокой энергоэффективностью и не генерируют ИК-энергию от головки лампы, делает порошковое покрытие, отверждаемое УФ-излучением, еще более желательным для отделки различных термочувствительных материалов и сборок. Дополнительным преимуществом порошковых покрытий, отверждаемых УФ-излучением, является то, что полный технологический цикл от нанесения до отверждения происходит быстрее, чем при использовании других методов нанесения покрытий.

Снятие порошкового покрытия

Метиленхлорид и ацетон обычно эффективны при удалении порошкового покрытия. Большинство других органических растворителей (разбавители и т. д.) совершенно неэффективны. В последнее время предполагаемый канцероген для человека метиленхлорид с большим успехом заменяется бензиловым спиртом . Порошковое покрытие также можно удалить абразивоструйной очисткой . 98% серная кислота товарного качества также удаляет пленку порошкового покрытия. Некоторые низкокачественные порошковые покрытия можно удалить с помощью стальной ваты, хотя это может оказаться более трудоемким процессом, чем хотелось бы.

Порошковое покрытие также можно удалить с помощью процесса выжигания, при котором детали помещают в большую высокотемпературную печь, температура которой обычно достигает температуры воздуха 300–450 °C. Процесс занимает около четырех часов и требует полной очистки деталей и повторного нанесения порошкового покрытия. Детали, изготовленные из более тонкого материала, необходимо обжигать при более низкой температуре, чтобы предотвратить деформацию материала.

Рынок

Согласно отчету о рынке, подготовленному в августе 2016 года компанией Grand View Research, Inc., индустрия порошковых покрытий включает тефлон, анодирование и гальваническое покрытие. Ожидается, что к 2024 году мировой рынок порошковых покрытий достигнет 16,55 миллиардов долларов США. Увеличение использования порошковых покрытий для экструзии алюминия, используемого в окнах, дверных рамах, фасадах зданий, кухнях, ванных комнатах и ​​электроприборах, будет способствовать расширению отрасли. Рост расходов на строительство в различных странах, включая Китай, США, Мексику, Катар, ОАЭ, Индию, Вьетнам и Сингапур, будет способствовать росту в течение прогнозируемого периода. Увеличение государственной поддержки экологически чистой и экономичной продукции будет стимулировать спрос в течение прогнозируемого периода. Основным сегментом приложений были отрасли общего назначения, на долю которых в 2015 году приходилось 20,7% мирового объема. Прогнозируется, что к 2027 году объем мирового рынка составит 20 миллиардов долларов.

Ожидается, что растущий спрос на тракторы в США, Бразилии, Японии, Индии и Китае приведет к увеличению использования порошковых покрытий из-за их защиты от коррозии, превосходной долговечности на открытом воздухе и работы при высоких температурах. Более того, растущее использование сельскохозяйственного оборудования, тренажеров, ящиков для документов, компьютерных шкафов, портативных компьютеров, мобильных телефонов и электронных компонентов будет способствовать расширению отрасли.

См. также

• Эпоксидное покрытие, наплавленное методом наплавления
• Молотковая краска
• Лазерный принтер
• Фосфатное конверсионное покрытие
• Порошковая покраска стекла