4.2.4. Формирование покрытий из порошковых пленкообразователей

Для получения покрытий применяются порошковые лакокрасочные материалы на основе термопластичных полимеров (полиэтилена, поливинилхлорида, полиамидов, фторопластов и др.) и реактопластов (эпоксидных, полиэфирных, полиуретановых, полиакрилатных). Как любые порошковые тела, порошковые краски относятся к дисперсным системам, являясь грубыми дисперсиями. Вследствие того, что дисперсионной средой в них служит воздух, они обладают большим избытком поверхностной энергии: межфазное натяжение на границе с воздухом составляет 2050 мДж/м², что в несколько раз больше, чем у дисперсий в жидких средах.

Характеристика процесса

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

1) сжижение  переход порошкового материала в капельножидкое состояние (расплав);

2) монолитизация  слияние частиц (капель);

3) отверждение  переход материала из расплава в твердое состояние при охлаждении (а в случае реактопластов  и в результате химической реакции).

Обычно сжижение пленкообразователей проводят нагреванием, однако возможно применение и дозированного воздействия на порошок растворителем (парами или аэрозолем).

Температурная зависимость вязкости расплавов полимеров описывается уравнением (2), концентрационная для растворов — уравнением (24):

lg  = KC^a, (24)

где К и а  постоянные; С  концентрация раствора полимера.

Таким образом, для каждого полимера экспериментально или расчетным путем по вязкости могут быть найдены примерные значения минимальной температуры пленкообразования Т_по или концентрации раствора (геля), при которых обеспечивается слияние частиц.

Процесс слияния частиц с удовлетворительной скоростью проходит в вязкотекучем состоянии полимеров, когда их вязкость достигает 10²10³ Пас. Время полного слияния частиц _по при заданной температуре может быть найдено по уравнению Френкеля:

_по = KR/, (25)

где К  постоянная;   вязкость полимера; R  радиус частиц;   поверхностное натяжение расплава на границе с воздухом.

Поверхностная энергия G_пов, освобождающаяся в результате сокращения поверхности частиц при их слиянии, является функцией поверхностного натяжения расплава , радиуса частиц R и радиуса поверхности контакта частиц x (рис. 28):

Рис. 28. Схема слияния двух частиц (капель) при пленкообразовании

Рис. 29. Температурная зависимость изменения удельного объема V/V и светопропускания D слоя порошкового материала

G_пов = (1/x1/R). (26)

G_пов быстро уменьшается во времени в связи с ростом х и резким уменьшением капиллярных сил (капиллярное давление р = 2/).

Процесс слияния частиц обычно контролируют по изменению отношения х/R, удельного объема V/V, оптической плотности, светоотражения, теплопроводности, электрической проводимости, звукопроницаемости слоя порошка. Поскольку полимерам свойственен массоперенос по механизму вязкого течения, временная зависимость этих показателей имеет следующий вид:

(х/R)² = А _no; (27)

V/V = В _no, (28)

где А и В — постоянные.

Оценивая изменение свойств порошкового материала при нагревании или при воздействии растворителей, можно судить о завершенности процесса и определить значения минимальной температуры T_по (рис. 29.) и продолжительности _пo пленкообразования; они экспоненциально связаны между собой:

_пo = Ае^Eпo/RTпo. (29)

Таким образом, формирование покрытий из любого порошкового пленкообразователя может быть проведено в широком интервале температур, однако продолжительность процесса при этом сильно различается. Например, покрытия из поливинилбутиральной краски ПВЛ-212 можно получить при 170 и 250°С, время слияния частиц при этом составляет соответственно 30 и 3 мин.

Скорость слияния частиц можно регулировать путем изменения их размера, вязкости и поверхностного натяжения раcплава полимера. Высокодисперсные порошки формируют покрытия значительно быстрее и при более низких температурах, чем грубодисперсные. Например, покрытия из порошковой полиэтиленовой краски с размером частиц 15 мкм легко получаются при 180190°С; при размере частиц 50250 мкм необходимо нагревание до 220240°С. Вязкость  наиболее легко регулируемый параметр  снижают использованием пленкообразователей с меньшей молекулярной массой, введением пластификаторов, модификаторов, применением более высоких температур или более активных растворителей. Наполнение отрицательно сказывается на пленкообразовании.

Наиболее медленно и при высокой температуре формируются покрытия из полимеров с большой молекулярной массой, особенно фторопластов (в этом случае сплавление проводят при температурах 300350°С в течение 2040 мин). Напротив, слияние частиц олигомеров протекает с большой скоростью уже при температурах 80120°С. Образование покрытий с участием растворителей (выдержка в их парах или аэрозоле) в зависимости от вида пленкообразователя проходит при 20120°С и объемной концентрации полимеров в растворе (геле) 3080%. Время формирования такого покрытия

_пo = _н+_с+_и, (30)

где _н и _и  время набухания частиц и время испарения растворителя из пленки соответственно;

При получении покрытий трехмерного строения лимитирующей стадией пленкообразования является образование пространственно-сшитого полимера. Реакция «сшивания», связанная с ростом вязкости системы, должна протекать лишь после завершения процесса слияния частиц, в противном случае не удается получить качественных покрытий. Общее время формирования покрытия в этом случае складывается из времени слияния частиц _с и времени образования пространственной (трехмерной) структуры пленки _тр:

_по = _с+_тр. (31)

При технологической оценке процесса к этому времени неизбежно прибавляются затраты времени на нагревание полимерного материала и подложки до Т_по и их последующее охлаждение до комнатной температуры.