Полимеризация краски что это
ПОЛИМЕРИЗАЦИЯ
(от греч. polymeres – состоящий из многих частей) процесс получения высокомолекулярных соединений, при котором молекула полимера (макромолекула) образуется путем последовательного присоединения молекул низкомолекулярного вещества (мономера) к активному центру, находящемуся на конце растущей цепи. Это один из основных механизмов синтеза пленкообразующих веществ.
Полимеризация всегда приводит к образованию полимолекулярной системы, характеризующейся определенной функцией распределения полимерных молекул по длине полимерных цепей.
Полимеризация может быть осуществлена различными способами, различающимися по агрегатному состоянию системы. Наиболее распространены блочная полимеризация мономера, полимеризация в растворе, полимеризация в водных дисперсиях (эмульсионная или суспензионная полимеризация), полимеризация газообразного мономера под действием ионизирующего излучения или на поверхности твердых катализаторов (газофазная полимеризация), а также твердофазная полимеризация (полимеризация твердого мономера под действием ионизирующего излучения или света). Известна полимеризация на наполнителях.
По числу участвующих в реакции мономеров, различают гомополимеризацию (один мономер) и сополимеризацию (два и более); в зависимости от природы активного центра – на радикальную и ионную. К полимеризационным пленкообразующим относятся поли(мет)акрилаты, виниловые (со)полимеры и др. Полимеризация также является механизмом отверждения ЛКМ: как ионного (например, на основе алкидных смол), так и радикального (например, ненасыщенные полиэфиры). В ЛКМ наиболее важными типами пленкообразователей являются сополимеры, получаемые радикальной сополимеризацией, свойства которых могут быть заданы определенными сочетаниями различных мономеров (а,б-ненасыщенных органических соединений).
Свободно-радикальная полимеризация – цепная реакция, инициированная разложением молекулы инициатора с образованием фрагментов, имеющих реакционноспособный неспаренный электрон (радикал). Образовавшийся радикал (Io) атакует двойную связь молекулы мономера, образуя радикалы растущей цепи (I – М o), которые реагируют со следующими молекулами мономера.
На данный момент нет содержимого, классифицированного этим термином.
Технология порошкового окрашивания
Подробнее о каждом этапе:
Порошковое покрытие представляет собой слой полимерных порошков, которые сперва напыляют на поверхность изделия, а затем подвергают полимеризации при определенной температуре в специальной печи (печи полимеризации).
Базовая технология порошковой окраски металла состоит из трех основных этапов:
При больших объемах производства или обработке крупногабаритных деталей используется транспортная система. С ее помощью окрашенные изделия легко перемещаются от станции к станции. Принцип ее действия заключается в том, что окрашиваемые детали подаются на специальной подвеске или тележках, которые передвигаются по рельсам. Транспортная система позволяет проводить процесс окраски непрерывно, за счет чего значительно увеличивается производительность работы.
Вначале процесса порошковой окраски производится загрузка частей на конвейерную ленту. При предварительной обработке поверхности перед окрашиванием детали попадают в пятиступенчатый очиститель, где подвергаются обработке очистителем, споласкиванию чистой водой, фосфатированию и антикоррозийной обработке.
После этого детали подвергаются сушке. Для этого они прогоняются через специальную печь для просушки с целью предотвращения попадания на них влаги, после чего они охлаждаются.
На следующем этапе детали помещаются в камеру окрашивания или напыления, где порошковая краска вручную распыляется на деталь с помощью электростатического распылителя под действием сжатого воздуха. В распылителе частицы краски приобретают электрический заряд. Под действием электростатических сил частицы порошка притягиваются к поверхности и располагаются на ней равномерными слоями.
После этого детали с нанесенной порошковой краской помещаются в печь или камеру полимеризации приблизительно на 10 минут для непосредственного окрашивания детали. Температура в печи достигает 150-220 градусов. Здесь частицы порошка оплавляются и закрепляются на окрашиваемой поверхности. Этот процесс также называют формированием поверхности. После образования пленки покрытия детали охлаждаются и снимаются с конвейера.
Технология порошкового окрашивания. Подготовка поверхности
В начальной стадии любого процесса окрашивания производится предварительная обработка поверхности. Это самый трудоемкий и продолжительный процесс, которому часто не уделяют должного внимания, однако который является необходимым условием получения качественного покрытия. Подготовка поверхности предопределяет качество, стойкость, эластичность и долговечность покрытия, способствует оптимальному сцеплению порошковой краски с окрашиваемой поверхностью и улучшению его антикоррозийных свойств.
При удалении загрязнений с поверхности важно наиболее правильно подобрать метод обработки и состав, применяемый для этой цели. Их выбор зависит от материала обрабатываемой поверхности, вида, степени загрязнения, а также требованиями к условиям и срокам эксплуатации.
Для предварительной обработки поверхности перед окрашиванием используются методы обезжиривания, удаления окисных пленок (абразивная очистка, травление) и нанесения конверсионного слоя (фосфатирование, хроматирование). Из них обязателен лишь первый метод, а остальные применяются в зависимости от конкретных условий.
Процесс подготовки поверхности включает несколько этапов:
На первом этапе происходит обезжиривание и очистка обрабатываемой поверхности. Она может производиться механическим или химическим способом. При механической очистке используются стальные щетки или шлифовальные диски, также в зависимости от размеров поверхности возможна ее притирка чистой тканью, смоченной в растворителе. Химическая очистка осуществляется с использованием щелочных, кислотных или нейтральных веществ, а также растворителей, применяющихся в зависимости от вида и степени загрязнения, типа, материала и размера обрабатываемой поверхности и т.д.
При обработке химическим составом детали могут погружаться в ванну с раствором или подвергаться струйной обработке (раствор подается под давлением через специальные отверстия). В последнем случае эффективность обработки значительно повышается, поскольку поверхность подвергается еще и механическому воздействию, к тому же, осуществляется непрерывное поступление чистого раствора к поверхности.
Нанесение конверсионного подслоя предотвращает попадание под покрытие влаги и загрязнений, вызывающих отслаивание и дальнейшее разрушение покрытия.
Фосфатирование и хроматирование обрабатываемой поверхности с нанесением тонкого слоя неорганической краски способствует улучшению адгезии («сцепляемости») поверхности с краской и предохраняет ее от ржавчины, повышая ее антикоррозийные свойства. Обычно поверхность обрабатывается фосфатом железа (для стальных поверхностей), цинка (для гальванических элементов), хрома (для алюминиевых материалов) или марганца, а также хромового ангидрида. Для алюминия и его сплавов часто применяют методы хроматирования или анодирования. Обработка фосфатом цинка обеспечивает наилучшую защиту от коррозии, однако этот процесс более сложный, чем остальные. Фосфатирование может увеличить сцепление краски с поверхностью в 2-3 раза.
Для удаления окислов (к ним относятся окалина, ржавчина и окисные пленки) используется абразивная чистка, (дробеструйная, дробеметная, механическая) и химическая очистка (травление).
Абразивная очистка осуществляется при помощи абразивных частиц (песка, дроби), стальных или чугунных гранул, а также скорлупы ореха, подающихся на поверхность с большой скоростью с помощью сжатого воздуха или при помощи центробежной силы. Абразивные частицы ударяются о поверхность, откалывая кусочки металла со ржавчиной или окалиной и другими загрязнениями. Такая очистка повышает адгезию покрытия.
Следует помнить, что абразивная очистка может применяться только к материалам, толщина которых составляет более 3 мм. Большую роль играет правильный выбор материала, поскольку слишком крупная дробь может привести к большой шероховатости поверхности, и покрытие будет ложиться неравномерно.
Травление представляет собой удаление загрязнений, окислов и ржавчины путем применения травильных растворов на основе серной, соляной, фосфорной, азотной кислоты или едкого натра. Растворы содержат ингибиторы, которые замедляют растворение уже очищенных участков поверхности.
Химическая очистка отличается большей производительностью и простотой применения, чем абразивная, однако после нее необходимо промывать поверхность от растворов, что вызывает необходимость применения дополнительных очистных сооружений.
На заключительной стадии подготовки поверхности используется пассивирование поверхности, то есть ее обработка соединениями хрома и нитрата натрия. Пассивирование предотвращает появление вторичной коррозии. Его можно применять как после обезжиривания поверхности, так и после фосфатирования или хроматирования поверхности.
После споласкивания и сушки поверхность готова для нанесения порошкового покрытия.
Технология порошкового окрашивания. Грунтовка
Для антикоррозионной защиты применяется два вида грунтовки порошковыми грунтами, на которые затем наносится порошковая краска.
1. Пассивная антикоррозионная защита.
Применяется эпоксидный антикоррозионный грунт, который образует прочную пленку с хорошим сопротивлением химическому и механическому воздействию.
Применяется для защиты стальных и алюминиевых изделий в мягких условиях эксплуатации (покрытия сварных конструкций, эксплуатируемых внутри помещения, дисков из алюминиевых сплавов и т. д.). Сглаживает поверхность при наличии мелких дефектов, а также после пескоструйной обработки.
2. Активная антикоррозионная защита.
Применяется эпоксидный цинкосодержащий грунт. Обеспечивает высокую коррозионную стойкость изделий в жестких условиях эксплуатации. Если в системе покрытий есть проникающее повреждение, то на этом месте могут появиться следы местной коррозии, однако, это не окажет какого-либо влияния на адгезию покрытия в примыкающей поверхности, т.е. грунт ограничивает область распространения коррозии.
Применяется для защиты всех стальных изделий при эксплуатации на открытом воздухе (решетчатые настилы, заборы, ограждения, лестницы, строительные конструкции и т.д.).
Технология порошкового окрашивания. Нанесение порошковой краски
После того как детали покидают участок предварительной обработки, они ополаскиваются и высушиваются. Сушка деталей производится в отдельной печи или в специальной секции печи отвержения. При использовании печи отвержения для просушки размеры системы снижаются, и отпадает необходимость использования дополнительного оборудования.
Когда детали полностью просушиваются, они охлаждаются при температуре воздуха. После этого они помещаются в камеру напыления, где на них наносится порошковая краска. Основное назначения камеры заключается в улавливании порошковых частиц, не осевших на изделии, утилизации краски и предотвращении ее попадания в помещение. Она оснащена системой фильтров и встроенными средствами очистки (например, бункерами, виброситом и т.д.), а также системами отсоса. Камеры делятся на тупиковые и проходные. Обычно в тупиковых камерах окрашиваются малогабаритные изделия, а в проходных – длинномерные.
Также существуют автоматические камеры напыления, в которых с помощью пистолетов-манипуляторов краска наносится за считанные секунды.
Наиболее распространенным способом нанесения порошковых покрытий является электростатическое напыление. Оно представляет собой нанесение на заземленное изделие электростатически заряженного порошка при помощи пневматического распылителя (их также называют пульверизаторами, пистолетами и аппликаторами). Любой распылитель сочетает в себе ряд различных режимов работы:
При помощи сжатого воздуха заряженная порошковая краска попадает на нейтрально заряженную поверхность, оседает и удерживается на ней за счет электростатического притяжения.
При первом способе нанесения краски применяется высоковольтная аппаратура. Порошковая краска приобретает электрический заряд через ионизированный воздух в области коронного разряда между электродами заряжающей головки и окрашиваемой поверхностью. Коронный разряд поддерживается источником высокого напряжения, встроенным в распылитель. Недостатком этого способа считается то, что при его использовании могут возникать затруднения с нанесением краски на поверхности с глухими отверстиями и углублениями. Поскольку частицы краски прежде осаждаются на выступающих участках поверхности, она может быть прокрашена неравномерно.
При трибостатическом напылении краска наносится с помощью сжатого воздуха и удерживается на поверхности за счет заряда, приобретаемого в результате трения о диэлектрик. «Трибо» в переводе означает «трение». В качестве диэлектрика используется фторопласт, из которого изготовлены отдельные части краскораспылителя. При трибостатическом напылении источник питания не требуется, поэтому этот метод гораздо дешевле. Его применяют для окрашивания деталей, имеющих сложную форму. К недостаткам трибостатического метода можно отнести низкую степень электризации, которая заметно снижает его производительность в 1.5-2 раза по сравнению с электростатическим.
На качество покрытия может влиять объем и сопротивление краски, форма и размеры частиц. Эффективность процесса также зависит от размеров и формы детали, конфигурации оборудования, а также времени, затраченного на покраску.
В отличие от традиционных способов окрашивания, порошковая краска не теряется безвозвратно, а попадает в систему регенерации камеры напыления и может использоваться повторно. В камере поддерживается пониженное давление, которое препятствует выходу из нее частиц порошка, поэтому необходимость в применении рабочими респираторов практически отпадает.
На заключительной стадии окрашивания происходит плавление и полимеризация нанесенной на изделие порошковой краски в камере полимеризации.
Технология порошкового окрашивания. Полимеризация
После нанесения порошковой краски изделие направляется на стадию формирования покрытия. Она включает оплавление слоя краски, последующее получение пленки покрытия, его отвержения и охлаждения. Оплавление и полимеризация происходят в специальной печи. Существует много разновидностей камер полимеризации, их конструкция может меняться в зависимости от условий и особенностей производства на конкретном предприятии. С виду печь представляет собой сушильный шкаф с электронной «начинкой». При помощи блока управления можно контролировать температурный режим печи, время окрашивания и настраивать таймер для автоматического отключения печи при завершении процесса. Источниками энергии для печей полимеризации могут служить электричество, природный газ и даже мазут.
Печи делятся на проходные и тупиковые, горизонтальные и вертикальные, одно- и многоходовые. Для тупиковых печей важным моментом является скорость подъема температуры. Этому требованию в наибольшей степени соответствуют печи с рециркуляцией воздуха. Камеры нанесения из диэлектриков с электропроводным покрытием обеспечивают равномерное распределение порошковой краски на поверхности детали, однако при неправильном использовании они могут накапливать электрические заряды и представлять опасность.
Оплавление и полимеризация происходит при температуре 150-220 °С в течение 15-30 минут, после чего порошковая краска образует пленку (полимеризуется). Основным требованием, предъявляемым к камерам полимеризации, является поддержание постоянной заданной температуры (в разных частях печи допускается разброс температуры не менее 5°С) для равномерного прогрева изделия.
При нагреве в печи изделия с нанесенным слоем порошковой краски частицы краски расплавляются, переходят в вязкое состояние и сливаются в непрерывную пленку, при этом вытесняя воздух, находившийся в слое порошковой краски. Часть воздуха может все же оставаться в пленке, образовывая поры, ухудшающие качество покрытия. Для избежания появления пор окраску следует проводить при температуре, превышающей температуру плавления краски, а покрытие наносить тонким слоем.
При дальнейшем нагревании изделия краска глубоко проникает в поверхность и затем отвержается. На этом этапе формируется покрытие с заданными характеристиками структуры, внешнего вида, прочности, защитных свойств и т.д.
При окраске больших металлических деталей температура их поверхности поднимается значительно медленнее, чем у тонкостенных изделий, поэтому покрытие не успевает полностью затвердеть, в результате чего снижается его прочность и адгезия. В этом случае деталь предварительно нагревают или увеличивают время его отвержения.
Отвержение рекомендуется производить при более низких температурах и в течение более продолжительного периода времени. При таком режиме снижается вероятность возникновения дефектов, и улучшаются механические свойства покрытия.
На время получения необходимой температуры на поверхности изделия влияют масса изделия и свойства материала, из которого изготовлена деталь.
После отвержения поверхность подвергается охлаждению, которое обеспечивается за счет удлинения конвейерной цепи. Также для этой цели используются специальные камеры охлаждения, которые могут являться частью печи отвержения.
Соответствующий режим для формирования покрытия необходимо подбирать с учетом вида порошковой краски, особенностей окрашиваемого изделия, типа печи т.д. Необходимо помнить, что для нанесения порошкового покрытия решающую роль играет температура, особенно при нанесении покрытия на термостойкие пластмассы или изделия из древесины.
По окончании полимеризации изделие охлаждается на воздухе. После остывания изделия покрытие готово.
Технология порошкового окрашивания. Системы рекуперации
Основное назначение системы рекуперации заключается в улавливании максимально возможного количества порошковой краски и возврата ее в питатель. В рекуператоре происходит фильтрация краски, которая может потом быть использована повторно.
Чаще всего используется двухступенчатая система улавливания. На первом этапе используется пылеотделитель, а на второй стадии улавливание краски происходит при помощи фильтра. Рекуперация позволяет повторно использовать до 98% краски, загруженной в питатель и не осевшей на поверхности детали.
Фильтры грубой и тонкой очистки воздуха подают в рабочую зону очищенный воздух. Благодаря этому отпадет необходимость использования вентиляторов, подогрева воздуха в зимнее время и его обеспыливания. С помощью системы рекуперации значительно снижаются энергозатраты и, соответственно, общие расходы на покраску. Автоматическая очистка фильтров обеспечивает работу воздушного потока без снижения скорости высокую степень очистки воздуха в течение длительного времени.
Технология порошкового окрашивания. Обеспечение и контроль качества порошковой покраски
Мы контролируем качество на каждой стадии технологического процесса, при этом используются самые современные приборы от лучших мировых производителей.
Так для настройки и контроля технологических параметров режимов полимеризации и отверждения покрытий непосредственно на поверхности изделий применяется термограф печей OQ610 (Grant), настройка и контроль оборудования электростатического нанесения порошковых покрытий, контроль степени заряда краски при её нанесении, качества заземления подвесок изделий производится с применением трибоэлектротестера Static Check ST3.
Степень адгезии покрытия к металлу контролируется с помощью адгезиметра Cross-Cut-Tester (Gardner), а толщина покрытия толщиномером QuaNix 1500.
Все это позволяет своевременно выявлять и корректировать отклонения от технологических режимов и обеспечивать высокое качество полимерных покрытий.
Полимеризация краски. Эмульсионная полимеризация
Эмульсионная полимеризация отличается от суспензионной несколько большей скоростью. В этом случае большое влияние на скорость протекания процесса и свойства готового продукта оказывают примеси, содержащиеся в мономере и эмульгаторе, растворенные в воде соли, рН среды и другие факторы. Поэтому все реагенты подвергают тщательной очистке, воду обессоливают на ионообменниках, а иногда применяют дистиллят. В качестве эмульгаторов используют различные мыла жирных кислот, канифоли и т. д. Большое распространение получили сульфокислотные эмульгаторы, например Е-30 и МК (натриевые соли смеси алифатических сульфокислот). Кроме того, исследованиями и практикой последних лет установлено, что наилучшую стабильность латексов обеспечивают смеси ионных и неионпых эмульгаторов. В качестве инициаторов применяют перекисиые соединения как растворимые в водной фазе, например перекись водорода и персульфат калия или аммония, так и растворимые в мономере.
В процессе латексной полимеризации легче регулировать важнейшие свойства полимера, средний молекулярный вес, степень полидисперсности и разветвленности. Чем выше скорость процесса (которая определяется температурой, концентрацией инициатора, природой и концентрацией эмульгатора и другими параметрами процесса п системы), тем выше молекулярный вес полимера.
Эмульсионная полимеризация имеет следующие преимущества перед полимеризацией в растворе:
При эмульсионной полимеризации закономерности формирования полимера и всей системы определяются более сложными коллоидно-химическими процессами, в которых участвуют, как компоненты полпмеризующейся системы (мономер, инициатор, регулятор и т. д.), так и эмульгирующие и стабилизирующие поверхностно-активные вещества. Причем в этом случае коллоидно-химический аспект процесса становится наиболее существенным. Поскольку сейчас в качестве связующих водподисперсных красок используются преимущественно дисперсии полимеров, полученные методами эмульсионной полимеризации, механизм этого процесса полезно рассмотреть отдельно.
Механизм эмульсионной полимеризации. Эмульсионная полимеризация происходит в сложной коллоидной системе, свойства и превращения которой определяют свойства готового продукта водной дисперсии полимера. Полимеризующаяся по эмульсионному механизму система.
Каждый из указанных агентов может быть многокомпонентным. Это станет понятным, если кратко пояснить их роль в процессе полимеризации и обеспечения стабильности готовой дисперсии.
Поверхностно-активные вещества (ПАВ) служат для эмульгирования мономера и полимерных частиц. Принято классифицировать ПАВ как ионные и неионные. В свою очередь ионные ПАВ могут быть либо катионо-, либо анионоактивными, в зависимости от того, заряд какого знака они придают полимерной частице (латексной глобуле). Чаще всего пользуются анионными ПАВ (мыла жирных кислот или канифоли, сульфонаты, сульфаты с алкильными или иными не слишком длинными органическими цепями и т. д.), однако в последнее время преимущество отдается смеси ионных и неионных ПАВ (в качестве последних наибольшее распространение получили полиэтоксипроизводные алкилфенолов: ОП-7, ОП-Ю). Правильно подобранная система ПАВ обеспечивает не только соответствующее протекание реакции полимеризации или сополимеризации, но и кинетическую и агрегативную устойчивость готовой дисперсии.
Инициаторы и регуляторы – это вещества, которые начинают процесс полимеризации и соответствующим образом его регулируют, обеспечивая получение полимера с заданными свойствами (молекулярным весом, степенью разветвленности и т. п.). В качестве инициаторов наибольшее распространение получили персульфаты аммония и щелочных металлов, а также перекись водорода. В качестве регуляторов применяют продукты, вызывающие перепое цепи, что понижает молекулярный вес полимера и предотвращает разветвление и поперечное сшивание макроцепей. Это альдегиды, меркаптаны, хлорированные углеводороды и другие органические соединения, содержащие подвижные атомы или группы.
Для получения более регулярных мало разветвленных полимеров реакцию полимеризации стремятся проводить при пониженной температуре. Однако при этом становится весьма малой скорость разложения перекисного инициатора, поэтому реакция проходит чрезвычайно медленно и получаются полимеры с очень высоким молекулярным весом, что, как правило, неблагоприятно отражается на комплексе физико-механических характеристик полимера. При синтезе пленкообразователей растворного типа это нежелательно еще и потому, что высокополимеры обычно труднорастворимы. Чтобы ускорить эмульсионную полимеризацию в условиях низкой температуры, для генерации радикалов применяют так называемые окислительно-восстановительные системы – комбинацию восстановителя с инициатором перекисиого типа. Примером такой системы может служить соль двухвалентного железа и перекись водорода или персульфат катия и тиосульфит или бисульфит натрия.
Величина рН среды при эмульсионной полимеризации часто играет очень существенную роль, определяя скорость реакции, размер частиц и стабильность получаемой дисперсии, поскольку растворимость в воде и склонность к мицеллообразованию ионных ПАВ главным образом и определяются величиной рН. Для регулирования этого параметра используются буферные системы типа фосфатов, цитратов, ацетатов и т. п.
Если после получения латекс необходимо длительно хранить (а при изготовлении воднодисперсных красок это неизбежно), в него вводят антиоксидант (например, неозон Д, П-23).
В 1946 был предложен механизм эмульсионной полимеризации. На первой стадии эмульсионной полимеризации образуются капельки мопомера размером
1 мк, а избыточный эмульгатор, в качестве которого чаще всего используют мыла жирных кислот, образует мицеллы диаметром 40-100 А, состоящие из десятков и даже сотен молекул эмульгатора. Мономер из капель переходит в мицеллы (солюбилизируется), после чего интенсивность перемешивания уже не играет такой исключительной роли, как при суспензионной полимеризации. В качестве инициаторов (или инициирующих систем) при эмульсионной полимеризации применяют водорастворимые продукты (персульфат калия или аммония, перекись водорода и т. д.), поэтому свободные радикалы возникают в водной фазе, а реакция полимеризации инициируется в непосредственной близости от мицелл. Рост цепи происходит внутри мицелл, причем капли мономера процессом полимеризации практически не затрагиваются; однако они служат резервом, из которого мономер поступает в мицеллы для продолжения полимеризации. Чем больше мицелл возникает в полимеризующейся системе, тем выше скорость процесса. По мере полимеризации мицеллы разрушаются и превращаются в глобулы полимера, на которых сорбираются молекулы мыла.
Полученные таким образом синтетические латексы обычно имеют размер частиц не более 1000 А (обычно 500-900 А), но содержат до 5% эмульгатора и других добавок. В то же время они значительно более стабильны, чем дисперсии полимеров, полученные путем суспензионной полимеризации.